Электрохимические генераторы: принцип работы, виды и перспективы применения

Что представляют собой электрохимические генераторы. Как устроены топливные элементы. Какие виды электрохимических генераторов существуют. Где применяются электрохимические генераторы сегодня. Каковы перспективы развития этой технологии.

Принцип работы электрохимических генераторов

Электрохимические генераторы (ЭХГ) — это устройства, преобразующие химическую энергию топлива напрямую в электрическую энергию. В основе их работы лежат электрохимические реакции окисления топлива и восстановления окислителя.

Ключевым компонентом ЭХГ является топливный элемент. Он состоит из двух электродов (анода и катода), разделенных электролитом. На аноде происходит окисление топлива, на катоде — восстановление окислителя. Электроны, образующиеся при окислении, проходят через внешнюю цепь, создавая электрический ток.

Основные компоненты электрохимического генератора:

• Топливный элемент (батарея топливных элементов)
• Система подачи топлива и окислителя
• Система отвода продуктов реакции
• Система охлаждения
• Система управления и контроля

Как работает топливный элемент? На анод непрерывно подается топливо (например, водород), на катод — окислитель (кислород). В результате электрохимических реакций вырабатывается электрический ток. Продукты реакции (например, вода) непрерывно отводятся.

Виды электрохимических генераторов

Существует несколько основных типов ЭХГ, различающихся используемым электролитом:

1. Щелочные топливные элементы

Электролит — водный раствор гидроксида калия. Рабочая температура 60-90°C. Высокий КПД, но требуют чистого водорода и кислорода.

2. Топливные элементы с протонообменной мембраной

Электролит — полимерная мембрана. Рабочая температура 50-100°C. Компактны, быстро запускаются. Широко применяются в транспорте.

3. Топливные элементы на основе фосфорной кислоты

Электролит — концентрированная фосфорная кислота. Рабочая температура около 200°C. Устойчивы к примесям в топливе. Используются в стационарных установках.

4. Твердооксидные топливные элементы

Электролит — керамический материал. Рабочая температура 600-1000°C. Высокий КПД, нечувствительны к примесям. Перспективны для крупных энергоустановок.

5. Карбонатно-расплавные топливные элементы

Электролит — расплав карбонатов. Рабочая температура 650°C. Могут работать на природном газе без предварительной обработки. Применяются в стационарных установках большой мощности.

Применение электрохимических генераторов

Где сегодня используются электрохимические генераторы?

Космическая отрасль

ЭХГ применяются на космических кораблях и орбитальных станциях для выработки электроэнергии. Например, на американских шаттлах использовались щелочные топливные элементы мощностью 12 кВт. Они обеспечивали корабль не только электроэнергией, но и питьевой водой.

Транспорт

Ведущие автопроизводители разрабатывают и тестируют автомобили на топливных элементах. Toyota, Honda, Hyundai уже выпустили серийные модели. Преимущества: нулевые выбросы, быстрая заправка, большой запас хода.

Стационарные энергоустановки

ЭХГ используются как автономные источники энергоснабжения зданий, аварийные источники питания. Мощность — от нескольких кВт до десятков МВт. Преимущества: высокий КПД, экологичность, бесшумность работы.

Портативная электроника

Разрабатываются миниатюрные топливные элементы для питания ноутбуков, смартфонов и других устройств. Потенциальное преимущество — более длительное время работы по сравнению с аккумуляторами.

Преимущества и недостатки электрохимических генераторов

Каковы основные достоинства и ограничения технологии ЭХГ?

Преимущества:

• Высокий КПД преобразования энергии (до 60% и выше)
• Экологичность (при работе на водороде единственный продукт — вода)
• Бесшумность работы
• Модульность конструкции, легкость масштабирования мощности
• Возможность работы на различных видах топлива

Недостатки:

• Высокая стоимость (особенно для низкотемпературных ЭХГ из-за применения платиновых катализаторов)
• Ограниченный ресурс работы (деградация электродов и электролита)
• Чувствительность к чистоте топлива (для низкотемпературных ЭХГ)
• Сложности с хранением и транспортировкой водорода

Перспективы развития электрохимических генераторов

Каковы основные направления совершенствования технологии ЭХГ?

Снижение стоимости

Основные пути: уменьшение содержания драгоценных металлов в катализаторах, использование более дешевых материалов, совершенствование технологий производства. Цель — достижение конкурентоспособности с традиционными энергоустановками.

Повышение удельных характеристик

Увеличение плотности тока, снижение массы и габаритов ЭХГ. Особенно важно для транспортных приложений. Ведутся разработки новых материалов электродов и электролитов.

Увеличение ресурса

Повышение стабильности работы, снижение деградации компонентов. Цель — обеспечение срока службы 40-50 тыс. часов для стационарных установок, 5-7 тыс. часов для транспортных.

Развитие водородной инфраструктуры

Создание сети водородных заправочных станций, разработка эффективных методов производства, хранения и транспортировки водорода. Ключевой фактор для массового внедрения водородного транспорта.

Роль электрохимических генераторов в энергетике будущего

Как могут измениться энергетические системы с широким внедрением ЭХГ?

Децентрализация энергоснабжения

ЭХГ позволяют создавать эффективные автономные энергоустановки. Это может привести к развитию распределенной генерации, снижению нагрузки на централизованные электросети.

Интеграция возобновляемых источников энергии

ЭХГ в сочетании с технологиями получения «зеленого» водорода могут служить накопителями энергии для ветро- и солнечных электростанций, компенсируя их нестабильную выработку.

Трансформация транспортного сектора

Массовое внедрение водородного транспорта способно значительно снизить выбросы парниковых газов и загрязняющих веществ, особенно в крупных городах.

Новые возможности в космической отрасли

Совершенствование ЭХГ может обеспечить создание более эффективных и долговечных энергоустановок для космических аппаратов, расширяя возможности освоения космоса.

Таким образом, электрохимические генераторы имеют значительный потенциал для трансформации энергетических систем в сторону большей эффективности и экологичности. Однако для их широкого внедрения необходимо решить ряд технологических и экономических задач.

Топливные элементы. Электрохимические генераторы. Применение

Топливные элементы (электрохимические генераторы) представляют весьма эффективный, долговечный, надежный и экологически чистый метод получения энергии. Изначально их применяли лишь в космической отрасли, но сегодня электрохимические генераторы все активней применяются в различных областях: это источники питания мобильников и ноутбуков, двигатели транспортных средств, автономные источники электроснабжения зданий, стационарные электростанции. Часть этих устройств работает в качестве лабораторных прототипов, часть применяется в демонстрационных целях или проходит предсерийные испытания. Однако многие модели уже применяются в коммерческих проектах и выпускаются серийно.

Устройство

Топливные элементы представляют электрохимические устройства, способные обеспечивать высокий коэффициент преобразования существующей химической энергии в электрическую.

Устройство топливного элемента включает три основные части:

1. Секция выработки энергии.
2. Процессор.
3. Преобразователь напряжения.

Основной частью топливного элемента является секция выработки энергии, которая представляет батарею, выполненную из отдельных топливных ячеек. В структуру электродов топливных ячеек включен платиновый катализатор. При помощи этих ячеек создается постоянный электрический ток.

Одно из таких устройств имеет следующие характеристики: при напряжении 155 вольт выдается 1400 ампер. Размеры батареи составляют 0,9 м в ширину и высоту, а также 2,9 м в длину. Электрохимический процесс в нем осуществляется при температуре 177 °C, что требует нагревания батареи в момент пуска, а также отвода тепла при ее эксплуатации. С этой целью в состав топливного элемента включается отдельный водяной контур, в том числе батарея оснащается специальными охлаждающими пластинами.

В топливном процессе происходит преобразование природного газа в водород, который требуется для электрохимической реакции. Главным элементом топливного процессора является реформер. В нем природный газ (или иное водородсодержащее топливо) взаимодействует при высоком давлении и высокой температуре (порядка 900 °C) с водяным паром при действии катализатора — никеля.

Для поддержания необходимой температуры реформера имеется горелка. Пар, который требуется для реформинга, создается из конденсата. В батарее топливных ячеек создается неустойчивый постоянный ток, для его преобразования применяется преобразователь напряжения.

Также в блоке преобразователя напряжения имеются:

• Управляющие устройства.
• Схемы защитной блокировки, которые отключают топливный элемент при различных сбоях.

Принцип действия

Простейший элемент с протонообменной мембраной состоит из полимерной мембраны, которая находится между анодом и катодом, а также катодными и анодными катализаторами. Полимерная мембрана применяется в качестве электролита.

• Протонообменная мембрана выглядит как тонкое твердое органическое соединение небольшой толщины. Данная мембрана работает как электролит, она в присутствии воды разделяет вещество на отрицательно, а также положительно заряженные ионы.
• На аноде начинается окисление, а на катоде происходит восстановительный. Катод и анод в PEM-элементе выполнены из пористого материала, он представляет смесь частичек платины и углерода. Платина работает в роли катализатора, что способствует протеканию реакции диссоциации. Катод и анод выполнены пористыми, чтобы кислород и водород сквозь них свободно проходили.
• Анод и катод находятся между двумя металлическими пластинами, они подводят кислород и водород к катоду и аноду, а отводят электрическую энергию, тепло и воду.
• Сквозь каналы в пластине молекулы водорода поступают на анод, где осуществляется разложение молекул на атомы.
• В результате хемосорбции при воздействии катализатора атомы водорода преобразуются в положительно заряженные водородные ионы H+, то есть протоны.
• Протоны диффундируют к катоду через мембрану, а поток электронов идет к катоду через специальную внешнюю электрическую цепь. К ней подключена нагрузка, то есть потребитель электрической энергии.
• Кислород, который подается на катод, при воздействии вступает в химическую реакцию с электронами из наружной электрической цепи и ионами водорода из протонообменной мембраны. В результате данной химической реакции появляется вода.

Химическая реакция, происходящая в топливных элементах иных типов (к примеру, с кислотным электролитом в виде ортофосфорной кислоты h4PO4) полностью идентична реакции устройства с протонообменной мембраной.

Виды

На текущий момент известно несколько видов топливных элементов, которые различаются составом применяемого электролита:

• Топливные элементы на базе ортофосфорной или фосфорной кислоты (PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cells).
• Устройства с протонообменной мембраной (PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cells).
• Твердотельные оксидные топливные элементы (SOFC, Solid Oxide Fuel Cells).
• Электрохимические генераторы на базе расплавленного карбоната (MCFC, Molten Carbonate Fuel Cells).

На текущий момент большее распространение получили электрохимические генераторы, использующие технологию PAFC.

Применение

Сегодня топливные элементы используются в «Space Shuttle», космических кораблях многоразового использования. В них применяются установки мощностью 12 Вт. Они вырабатывают всю электроэнергию на космическом корабле. Вода, которая образуется при электрохимической реакции, применяется для питья, в том числе для охлаждения оборудования.

Электрохимические генераторы также применялись для энергоснабжения советского «Бурана», корабля многоразового использования.

Топливные элементы находят применение и в гражданской сфере:

• Стационарные установки мощностью 5–250 кВт и выше. Они находят применение в качестве автономных источников для тепло- и электроснабжения промышленных, общественных и жилых зданий, аварийных и резервных источников электроснабжения, источников бесперебойного питания.
• Портативные установки мощностью 1–50 кВт. Они применяются для космических спутников и кораблей. Создаются экземпляры для тележек для гольфа, инвалидных колясок, железнодорожных и грузовых рефрижераторов, дорожных указателей.
• Мобильные установки мощностью 25–150 кВт. Они начинают применяются в военных кораблях и субмаринах, в том числе автомобилях и иных транспортных средствах. Опытные образцы уже создали такие автомобильные гиганты, как «Renault», «Neoplan», «Toyota», «Volkswagen», «Hyundai», «Nissan», ВАЗ, «General Motors», «Honda», «Ford» и другие.
• Микроустройства мощностью 1–500 Вт. Они находят применение в опытных карманных компьютерах, ноутбуках, бытовых электронных устройствах, мобильниках, современных военных приборах.

Особенности

• Часть энергии химической реакции в каждом топливном элементе выделяется в виде тепла. Требуется охлаждение. Во внешней цепи поток электронов создает постоянный ток, используемый для совершения работы. Прекращение движения ионов водорода или размыкание внешней цепи приводит к остановке химической реакции.
• Количество электроэнергии, которую создают топливные элементы, определяется давлением газа, температурой, геометрическими размерами, видом топливного элемента. Для повышения количества электроэнергии, создаваемой реакцией, можно сделать размеры топливных элементов больше, но на практике применяют несколько элементов, которые объединяются в батареи.
• Химический процесс в некоторых видах топливных элементов может быть обратным. То есть при подаче разности потенциалов на электроды воду можно разложить на кислород и водород, которые будут собираться на пористых электродах. С включением нагрузки подобный топливный элемент будет вырабатывать электрическую энергию.

Перспективы

На текущий момент электрохимические генераторы для использования в качестве главного источника энергии нуждаются в больших первоначальных затратах. При внедрении более стабильных мембран с высокой проводимостью, эффективных и дешевых катализаторов, альтернативных источников водорода, топливные элементы приобретут высокую экономическую привлекательность и будут внедряться повсеместно.

• Автомобили будут работать на топливных элементах, ДВС в них вообще не будет. В качестве источника энергии будет применяться вода или твердотельный водород. Заправка будет простой и безопасной, а езда экологичной – будет вырабатываться только водяной пар.
• Все здания будут иметь собственные портативные энергогенераторы, выполненные на топливных элементах.
• Электрохимические генераторы заменят все аккумуляторы и будут стоять в любой электронике и бытовых приборах.

Достоинства и недостатки

У каждого вида топливного элемента свои недостатки и достоинства. Одни требуют высокого качество топлива, другие имеют сложную конструкцию, нуждаются в высокой рабочей температуре.

В целом же можно указать следующие достоинства топливных элементов:

• безопасность для окружающей среды;
• электрохимические генераторы не нужно перезаряжать;
• электрохимические генераторы могут создавать энергию постоянно, им не важны внешние условия;
• гибкость в плане масштаба и портативность.

Среди недостатков можно выделить:

• технические трудности с хранением и транспортом топлива;
• несовершенные элементы устройства: катализаторы, мембраны и так далее.

Похожие темы:

Электрохимические генераторы — Справочник химика 21

    Принцип электрохимического генератора был сформулирован еще в прошлом веке, когда предпринимались ПОПЫТКИ использования реакций окисления природных видов топлива для прямого получения электрической энергии. [c.263]

    При конструировании электрохимических генераторов — топливных элементов — применяются электроды с пористой структурой. Это привело к развитию теории пористых электродов. В топливном элементе электрохимическое горючее (восстановитель) и окислитель 

[c.222]

    Устройство электрохимического генератора приведено на рис. 97. Электрохимическое горючее и окислитель подводятся к электродам, где вступают в электрохимические реакции. Электроды источника тока — катализаторы этих реакций. Специальная система обеспечивает отвод продуктов реакции. [c.220]

    Аналогичные эффекты получаются при использовании тканевых электродов с начесом для электрохимических генераторов. Но в этом случае наблюдается лучшее удержание катализатора. [c.626]

    Электрохимические источники тока делят на три группы первичные источники тока, вторичные источники тока (аккумуляторы) и электрохимические генераторы. Наиболее распространен- 260 

[c.260]

    Особенность электрохимических генераторов состоит в том, что электрохимически активные вещества не закладываются заранее при изготовлении электродов, как для обычных источников тока, а подводятся по мере израсходования. Это обеспечивает непрерывность работы источника тока теоретически в течение сколь 262 [c.262]

    К настоящему времени созданы электрохимические генераторы мощностью от десятков ватт до тысячи киловатт. Удельная энергия их зависит от вида и количества запасенного топлива в емкостях для хранения. Она значительно выше удельной энергии гальванических элементов. Наиболее разработаны кислородно-водородные генераторы,которые уже применяются на космических кораблях. Они обеспечивают космический корабль и космонавтов не только электроэнергией, но и водой, которая является продуктом реакции в топливном элементе. Удельная энергия этих генераторов составляет 400—800 Вт ч/кг, а к. п. д. — 60—70%. Для некоторых условий, например при продолжительности полета космического корабля около месяца и мощности до 10 кВт, электрохимический генератор является наиболее оптимальной энергетической установкой космического корабля. 

[c.363]

    Особенность электрохимических генераторов состоит в том, что электрохимически активные вещества не закладываются заранее при [c.219]

    В четвертой и пятой главах были рассмотрены электродные процессы в растворах органических соединений, в ходе которых органическое вещество не претерпевает электрохимических превращений, а, адсорбируясь на электроде, влияет на скорость электродного процесса с участием неорганических ионов или молекул. Последующие главы посвящены изложению современных представлений об электродных превращениях самих органических соединений. Такие процессы лежат в основе электросинтеза органических веществ и работы электрохимических генераторов электрической энергии — топливных элементов с органическим горючим. 

[c.188]

    Одной из важнейших проблем современной электрохимии является создание гальванических элементов непрерывного действия, которые бы генерировали электрическую энергию за счет окисления дешевых компонентов (природного газа, водорода). Такие элементы, получившие название топливных, вместе со всеми вспомогательными устройствами называются электрохимическими генераторами. В отличие от обычных гальванических элементов в топливных элементах активные [c.378]

    Генераторы прямого преобразования тепловой и химической энергии в электрическую. Том I. Г. Л. Резников. Электрохимические генераторы [c.125]

    Специальная часть химии включает в себя химию конструкционных и электротехнических материалов, химию воды и топлива и специальные разделы электрохимии.

Рассмотрены свойства металлов, особое внимание уделено -элементам и материалам ядерных реакторов. Освещено получение и свойства полимерных материалов. Приведены химические свойства воды, описаны методы очистки природных и сточных вод. Рассмотрено строение и химические свойства топлива, проблемы водородной энергетики. Описаны химические источники тока и электрохимические генераторы, электрохимические методы обработки и осаждения металлов. Особое внимание в учебнике уделяется проблеме охраны окружающей среды. [c.3]

    Природные запасы соединений водорода огромны. Водород легко вступает в химические реакции, при его окислении выделяется большое количество тепла. Поэтому водород может найти широкое применение в промышленности и быту, для синтеза различных соединений, освещения, отопления и охлаждения, приготовления пищи и для получения электроэнергии при помощи электрохимических генераторов. [c.356]

    Топливные элементы и электрохимические генераторы. Если окислитель и восстановитель хранятся вне элемента и в процессе работы подаются к электродам, которые не расходуются, то элемент может работать длительное время. Такие элементы получили название топливных элементов. [c.361]

    С проблемой электрохимического генератора связана проблема водородной энергетики, в которой превращение химической энергии в электрическую будет осуществляться в электрохимическом генераторе. Электрохимические генераторы пока еще относительно дороги. Для широкого их применения ведутся работы по изысканию более дешевых и активных катализаторов электродов. [c.363]

    В гальванических элементах широко используется принцип подачи активных реагентов по мере их расходования. В этом случае они могут работать долгое время и называются электрохимическими генераторами. [c.261]

    Коровин Н, В. Электрохимические генераторы.— М. Энергия, 1974. [c.315]

    Особой разновидностью химических источников тока являются электрохимические генераторы или топливные элементы. В топливном элементе химическая энергия реакции горения (окисления) топлива непосредственно превращается в электрическую энергию. Поэтому КПД его превышает 80%. [c.246]

    Электрохимические источники тока делят на три группы первичные источники тока, вторичные источники тока (аккумуляторы) и электрохимические генераторы. Наиболее распространенным примером первого типа источников тока может служить элемент Лекланше  [c.218]

    Топливный элемент (ТЭ)—это ХИТ, в котором реагенты (топливо, т. е. восстановитель, и окислитель) непрерывно и раздельно подводятся к электродам. Таким образом, ТЭ преобразует химическую энергию в электрическую до тех пор, пока в него поступают реагенты. ТЭ входят в состав электрохимического генератора (ЭХГ), который включает батарею ТЭ, устройства для переработки и подвода топлива и окислителя, для вывода продуктов реакции, контроля и поддержания температуры и другие устройства. [c.40]

    Этот термин часто применяют вместо термина электрохимический генератор . В качестве окислителя в топливных элементах почти всегда используют или чистый кислород, или кислород воздуха. В качестве топлива применяются водород, гидразин, метанол, муравьиная кислота, оксид углерода, углеводороды, уголь и др. Практическое применение нашли пока первые три вида электрохимического горючего, а наибольшие успехи достигнуты в разработке водородно-кислородного топливного элемента, в котором происходит реакция 2Н2+О2—>-2Н20. [c.263]

    По отдельным направлениям электрохимической энергетики, таким, как химические источники тока, электрохимические генераторы, электрохимические аспекты водородной энергетики, электрокатализ и другие, в нашей стране изданы книги, имеются обзоры по этим вопросам [1-20], однако до сих пор не было обобщающей публикации по общим вопросам электрохимической энергетики. Автор взял на себя смелость в какой-то мере восполнить этот пробел. [c.3]

    Создание целого ряда источников тока, в частности электрохимических генераторов на углеводородном горючем, непосредственно упирается в необходимость увеличения скоростей соответствующих электродных процессов. Поэтому одним из важных направлений современных электрохимических исследований в области топливных элементов является изыскание новых эффективных и малодефицитных катализаторов. [c.227]

    Водородно-кислородные электрохимические генераторы, которые работают при низких (до 100 °С) и средних температурах (100—200 °С), используются успешно в космических аппаратах. Водородно-воздушные генераторы перспективны для городского транспорта, так как в отличие от ядовитых продуктов сгорания бензина при их работе образуется только вода. Для космических аппаратов это играет особую роль, так как образующаяся вода используется для лшэнеобеспечения космонавтов. [c.379]

    Гидразин используют как антикоррозионный агент для уда.1ения кислорода (вызывающего коррозию) из воды, питающей котлы электростанций, теплоцентралей и т. п., как восстановитель — топливо а топливных элементах (электрохимических генераторах). [c.411]

    В отличие от гальванических элементов топливные элементы не могут работать без вспомогательных устройств. Для увеличения напряжения и тока элементы соединяют в батареи. Для обеспечения непрерывной работы батареи топливных элементов необходимы устройства для подвода в элемент топлива и окислителя, вывода продуктов реакции и тепла из элемента. Система, состоящая из батареи топливных элементов, устройств для подвода топлива и окислителя, вывода из элемента продуктов реакции, поддержания и регулирования температуры, получила название электрохимического генератора. Электрохимические генераторы могут включать в себя устройства для обработки топлива или окислителя. Например, углеюдороды подвергают обработке водяным паром в присутствии катализаторов для получения водорода, который затем направляется в топливный элемент  [c.363]

    Для интенсификации процесса электрохимической регенерации отработанного железомеднохлоридного травильного раствора (см. задачу 355) использован смешанный электрохимически-химический метод. В ходе его регенерируемый раствор проходит последовательно катодное и анодное пространства электрохимического генератора. Для интенсификации процесса и повышения катодного выхода по току меди электролиз проводят при высокой плотности тока, когда на аноде уже частично выделяется хлор. Анодные газы непрерывно отсасываются из анодной ячейки электролизера и пропускаются в абсорбере через раствор, прошедший электрохимическую регенерацию. В абсорбере хлор окисляет оставшееся в электролите двухвалентное железо. [c.258]

    В настоящее время созданы электрохимические генераторы, которые работают при непрерывной подаче к электродам веществ, участвующих в токообразующей реакции, и при одновременном отводе продуктов реакции. Например, в водородокислородный электрохимический генератор подаются газообразный водород и кислород. На одном из электродов происходит окисление водорода, а на другом — восстановление кислорода. Образующаяся вода [c.10]

    Еще в 1839 г. Грове получил ток от кислородно-водородного элемента. Однако он не представлял себе возможности практиче,-. ского использования подобного источника тока. Попытку создания топливного элемента, пригодного для практики, впервые осущест-5 вил Павел Николаевич Яблочков. Им были разработаны в 1895 г.» элементы с газовыми электродами. Теоретические вопросы, связан- ные с созданием топливных элементов, изучали многие крупные зарубежные ученые — Оствальд, Нернст, Грубе и другие и СССР — Фрумкин и ряд ученых его школы. Особенно большое внимание разработке топливных элементов стали уделять после второй мировой войны. Над этой проблемой работает ряд коллек-] тивов исследователей. Однако применение топливных элементов, пока еще очень ограничено. В настоящее время называют топливными элементами все элементы, в которых активные материалы не заключены в самом элементе, а подаются в него непрерывно. Системы из топливных элементов и относящихся к ним вспомогательных устройств, например для регулировки давления газов, называют электрохимическими генераторами энергии. В качестве окислителя на положительном электроде в топливных элементах чаще всего используют кислород. Существуют элементы с жидкими окислителями — азотной кислотой и др., но они не получили пока распространения. Работа кислородного электрода была рассмотрена ранее. На отрицательном электроде в качестве активных веществ (топлива) используют газообразные (водород), жидкие (метанол, гидразин и др.) и твердые вещества. Некоторые виды топлива (метан, уголь) электрохимически инертны, их ионизация протекает так медленно, что практически процесс не осуществим без принятия специальных мер. Для ускорения реакции используют два способа электроды изготавливают из веществ, каталитически ускоряющих процесс, и работа ит при повышенных температурах. [c.352]

    Излагаются теоретические основы электрохимической знергетн-ки. Рассматриваются устройство и характеристики топливньи элементов электрохимических генераторов, энергоустановок и электростанций. Описаны электрохимические способы получения водорода, приводятся технико-экономический анализ этих способов и обласА их применения. Рассматриваются электрохимический метод аккумулирования энергии, различные виды аккумуляторов. [c.2]

    Электрохимические генераторы, энергоустановки и электростанции. Топливный элемент, как и ПЭ, кроме электродов и ионного проводника включает ряд дополнительных частей, таких, как межэлектродные мембраны, уплотнитель ные и дистанционирующие прокладки, камеры для реагентов и др. В отличие от первичного ХИТ, топливные элементы не могут работать самостоятельно. Для обеспечения работы ТЭ необхо ДИМЫ непрерывная подача топлива и окислителя, а также отво продуктов реакции. В ТЭ наряду с генерацией электроэнергто выделяется тепло, которое необходимо от него отводить. Такик образом, ТЭ может работать лишь при наличии вспомогатель ных устройств, обеспечивающих подвод реагентов, отвод про дуктов реакции и тепла. [c.12]

---

Топливные элементы и электрохимические генераторы

В топливном элементе (ТЭ) происходит непосредственно процесс преобразования химической энергии в электрическую, поэтому батарея ТЭ является главной составной частью электрохимического генератора (ЭХГ). Электроды ТЭ при работе не расходуются, к ним непрерывно подводятся окислитель и восстановитель (топливо). На катоде восстанавливается окислитель, на аноде окисляется восстановитель. Для ускорения процессов окисления и восстановления применяют каталитические активные электроды с высокоразвитой поверхностью. Ионным проводником в ТЭ служат либо водные растворы щелочей и кислот, либо расплавленные или твердые электролиты.
Кроме природных видов топлива, таких как углеводороды, в ТЭ могут быть использованы получаемые из них вещества: метанол и водород. Окислителем обычно служит кислород воздуха.
Так как реагенты хранятся вне ТЭ, то эти источники тока не характеризуются разрядной кривой и емкостью.
Батарея ТЭ, системы подвода реагентов, отвода теплоты и продуктов реакции, а также автоматики входят в состав ЭХГ, последний вместе с системами хранения реагентов — в состав электрохимической энергоустановки. Электрохимическая энергоустановка характеризуется напряжением, мощностью, энергией и удельной энергией, КПД и ресурсом.
Под КПД понимается отношение электрической энергии, отдаваемой энергоустановкой, к химической энергии, подводимой к установке. Ресурсом электрохимической установки называется продолжительность работы в заданных пределах параметров.
Наиболее разработаны ТЭ и ЭХГ на основе электрохимической системы кислород (воздух) — водород.
Кислородно (воздушно)-водородные ТЭ и ЭХГ. Токообразующей реакцией в кислородно-водородном элементе является реакция окисления водорода:
O2 + 2Н2 — 2h3O.
Катализаторами кислородного электрода служат уголь, серебро, платина, оксиды никеля и кобальта, катализаторами водородного электрода — платина н палладий, никель, карбид вольфрама и др. В качестве электролита низко- (100 °С) н среднетемпе- ратурных (200 °С) ТЭ используются растворы гид- роксида калия, фосфорная кислота, ионообменные мембраны. Кроме электродов и электролита ТЭ обычно имеют другие части: анодную и катодную камеры, устройства для отвода теплоты, токосъемники, прокладки. В состав некоторых ТЭ входят пористые пластины для электролита, фитили для отвода воды и т. д. Напряжение воздушно-кислородных элементов различных фирм и организаций лежит в пределах 0,8+0,9 В при плотности тока 0,1+0,2 А/см2 и температуре 80+90 °С.
На основе ТЭ созданы ЭХГ мощностью от сотен ватт до 11 МВт. Электрохимические генераторы нашли применение для питания аппаратуры космических кораблей и станций: «Джемини», «Аполлон», «Шаттл» и др. Электрохимический генератор для космического корабля «Аполлон» имел мощность 0,56+2,3 кВт и напряжение 31+21 В. Генератор питал корабль электроэнергией и водой. Потребление водорода и кислорода составляло 0,36 кг/ (кВт -ч), удельная энергия всей энергоустановки при полете корабля на Луну составляла 0,86 кВт -ч/кг.
В России созданы ЭХГ космического назначения мощностью до 30 кВт.
Энергоустановки с использованием углеводородов и угля. Природные углеводороды и уголь пока не могут быть непосредственно использованы в ТЭ, работающем при температуре ниже 500 °С, так как скорость их анодного окисления мала. Поэтому они предварительно подвергаются переработке с целью получения водорода или смеси водорода с другими газами.

Схема электрохимической энергоустановки
1 — блок аппаратов для обработки топлива; 2 — ЭХГ; 3 — инвертор

Природный газ, например, подвергают конверсии водяным паром в присутствии катализаторов. Реакция происходит в две стадии:
СН4 + Н2О — СО + ЗН2, СО + Н2О — СО2 + Н2.
Уголь обрабатывают водяным паром или смесью водяного пара и кислорода. Основными продуктами этих реакций являются водород и оксид углерода.
Продукты переработки углеводородов или угля затем подаются в среднетемпературный или высокотемпературный ЭХГ. Среднетемпературный ЭХГ имеет воздушно-водородный ТЭ с фосфорнокислым электролитом, работающий при 200 °С. В высокотемпературных ЭХГ применяются ТЭ либо с расплавленным, либо с твердым электролитом. Расплавленный электролит состоит из смеси карбонатов натрия, лития и калия. Элемент с таким электролитом работает при 600+700 °С. Твердым электролитом ТЭ служит смесь диоксида циркония Zr02 и триоксида иттрия У2Оз. Элементы работают при 1000 °С.
Кроме блока аппаратов для обработки углеводородов и ЭХГ энергоустановка может иметь инвертор. Схема энергоустановки приведена на рис. Созданы и испытаны установки мощностью от 12 кВт до 11 МВт, работающие на природном газе. КПД этих установок составляет 38+45%. Кроме электроэнергии электрохимические установки генерируют теплоту, которая может быть использована на теплофикацию, для генерации пара или для генерации электроэнергии в паровых или газовых турбинах. При этом суммарный КПД установок существенно возрастает. Например, КПД по электроэнергии электрохимической электростанции, в которой теплота ЭХГ используется в паротурбинном цикле, может достигать 50+60%, а суммарный КЦД с учетом теплофикации — 80+90%.

Электрохимические генераторы при возникновении чрезвычайных ситуаций на военных аэродромах Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ ПРИ ВОЗНИКНОВЕНИИ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ НА ВОЕННЫХ АЭРОДРОМАХ

С. Д. Винокуров, научный сотрудник, к.т.н., В.Д. Винокуров, преподаватель, к.т.н., ВУНУ ВВС «Военно-воздушная академия им. профессора Н.Е. Жуковского

и Ю.А. Гагарина», г. Воронеж Ю.Н. Шалимов, главный технолог отдела, д.т.н., профессор,

ОАО «НКТБ «Феррит», г. Воронеж

При возникновении чрезвычайных ситуаций на военных аэродромах электрические сооружения и сети могут получить различные разрушения и повреждения. Их наиболее уязвимыми частями являются наземные сооружения (электростанции, подстанции, трансформаторные станции), воздушные линии электропередач и автопарки. Для сохранения работоспособности системы электроснабжения аэродромов целесообразно использовать автономные аварийные источники электрической энергии для питания наиболее важных военных объектов [1, 2].

Особенностью использования таких энергоустановок при возникновении чрезвычайных ситуаций на аэродромах является необходимость работы в условиях возникновения пожаров и взрывов, высокого загрязнения окружающей среды, что значительно затрудняет проведение аварийно-спасательных и восстановительных работ.

В настоящее время на аэродромах в качестве автономных источников электроэнергии используются дизель-генераторные установки, преобразующие механическую энергию двигателей внутреннего сгорания в электрическую в генераторах тока. Однако данные мобильные средства имеют высокие массо-габаритные параметры, высокий уровень шума, требуют больших эксплуатационных затрат на обслуживание в процессе работы и при хранении, большое время для выхода на рабочий режим. Поэтому вопрос об использовании автономного источника энергии, исключающего указанные недостатки остается актуальным.

В работах [3, 4] указывается на целесообразность использования электрохимических генераторов (ЭХГ) на топливных элементах на средствах энергоснабжения авиации. В них используется прямое преобразование химической энергии в электрическую, отсутствуют трущиеся детали, они экологически чисты, экономически перспективны. Они легче и занимают меньший объем, чем традиционные источники, бесшумны, меньше нагреваются, более эффективны с точки зрения преобразования топлива. Данный источник целесообразно применять для обеспечения электроэнергией важных военных объектов на аэродроме в случае чрезвычайных ситуаций, а также питания оборудования спасательных средств. Такой источник способен к блочно-модульной конструкции, имеет невысокие массо-габаритные параметры, что позволит ему размещаться в контейнерах любой формы и

перевозиться его вертолетами МЧС в зону возникновения чрезвычайных ситуаций.

Основным требованием при выборе типа топливного элемента для энергетических установок, работающих в условиях чрезвычайных ситуаций на военных аэродромах являются надежность, радиационная стойкость, долгосрочность работы, быстрое время ввода в эксплуатацию и выхода на режим. Всем этим требованиям удовлетворяют ЭХГ на топливных элементах.

Однако, последнему требованию наиболее всего удовлетворяют низкотемпературные топливные элементы (ТЭ), работающие при комнатной температуре, тем самым не требующие длительного времени для выхода на рабочий режим и дополнительных затрат на разогрев электролита. К ним относятся щелочные и твердополимерные ТЭ.

В щелочных ТЭ в качестве реагентов используются чистый водород и кислород. В качестве электролита используется щелочные растворы, капиллярные мембраны, пропитанные КОН, и ионообменные мембраны катионного типа. Щелочные растворы обладают высокой электрической проводимостью, в элементах можно использовать относительно недорогие конструкционные материалы. Однако недостатком щелочных электролитов является их карбонизация углекислым газом. В последнее время проводятся работы по улучшению параметров щелочных ТЭ и по созданию энергоустановок на их основе, работающих на недорогом топливе и воздухе [5].

В твердополимерных ТЭ электролитом служит ионообменная мембрана, обладающая проводимостью по ионам водорода. Так как электролит имеет кислотный характер, то в данном типе ТЭ возможно применение воздуха и технического водорода, что позволит снизить стоимость и упростить конструкцию всей энергоустановки. Однако при эксплуатации твердополимерных ТЭ возможно отравление катализатора монооксидом углерода, который может присутствовать в анодных газах после конверсии топлива. К тому же проблемным вопросом остается регулирование влажности мембраны, так как при недостатке воды снижается электропроводность мембраны, а при избытке воды ухудшаются характеристики катода.

Повышение скорости электродных реакций без использования дорогостоящих катализаторов можно добиться повышением температуры работы топливного элемента либо использованием высокоактивных реагентов, например гидразина. Повышение температуры требует создания дополнительных разогревающих устройств, что снижает удельные характеристики электрохимического генератора, а использование токсичного гидразина делает установку опасной и повышает ее стоимость.

В твердооксидных топливных элементах удается получить плотность

Л

тока 0,5А/см при напряжении 0,8 В [2, 5]. При создании энергетических установок на топливных элементах при возникновении чрезвычайных ситуаций на военных аэродромах достаточно создать модули, имеющие 20 кВт электрической энергии, а при необходимости потребления больших мощностей — соединять их между собой определенным образом. Так, например,

дальнейшее увеличение мощности при постоянном напряжении может быть достигнуто параллельным соединением модулей.

Для непрерывной работы ЭХГ помимо блока топливных элементов необходимы системы хранения, подготовки и подачи топлива и окислителя, системы отвода продуктов реакции и тепла, автоматической системы контроля электрических параметров генератора. Эти системы необходимо рассматривать в совокупности с блоками топливных элементов, так как анализ работы и оптимизация параметров всей энергетической установки возможна при учете взаимного влияния всех компонентов.

Запас реагентов в системе хранения определяется мощностью и временем работы электрохимического генератора между заправками. Масса реагентов зависит от их агрегатного состояния и способа их хранения. Так для хранения газообразных реагентов используются стальные баллоны. Для снижения массы тары целесообразно хранить реагенты в криогенном состоянии либо путем связанного хранения в виде химических соединений. Расчет показывает, что при мощности 20 кВт и времени работы 2 часа потребуется 2 кг водорода и 15 кг кислорода. Для хранения такого количества реагентов потребуется по 2 баллона.

Для спасательного оборудования требуются компактные источники электроэнергии, способные выдавать переменный ток 220 В и постоянный ток 12В. Вариант структурной схемы авиационной электрохимической энергоустановки показан на рисунке 1.

Рис. 1. Структурная схема энергетической установки на топливных элементах при возникновении чрезвычайных ситуаций на военных аэродромах

Развитие энергоустановки на топливных элементах может иметь структуру, представленную на рисунке 2. Блоки датчиков встроены в ТЭ, с выходов которых электроэнергия поступает на коммутатор, в котором посредством включения и выключения управляемых ключей формируется выходное значение по напряжению для питания постоянным или переменным током. Поддержание электрических параметров постоянного тока в требуемых значениях осуществляется блоком контроля, управления и защиты через коммутатор. Встроенные датчики формируют данные блоку контроля,

управления и защиты о текущем состоянии ТЭ, выдают характеристики рабочих параметров топливных элементов.

Рис. 2. Структурная схема многоуровневой энергетической установки на топливных элементах для питания спасательного оборудования при возникновении чрезвычайных ситуаций. 1 — топливный элемент; 2 — блоки датчиков; 3 — мостовые инверторы; 4,6 — коммутаторы; 5 — блок управления, контроля и защиты

Проведенный анализ показывает, что в качестве аварийного источника энергии в зоне чрезвычайных ситуаций, возможно использовать топливные элементы. Усовершенствование конструкции ТЭ внедрением в их состав микроконтроллера и совместным использованием многоуровневого преобразования позволяет создавать энергетические установки, способные работать в зонах бедствий. Особенностью работы таких энергоустановок является то, что топливные элементы не требуют обслуживания в процессе хранения, ресурс их работы достигает 30-40 тысяч часов, а потребление реагентов происходит только при выработке электрического тока, процесс саморазряда ничтожно мал.

В целях устойчивой работы энергетических установок на топливных элементах в зоне чрезвычайных ситуаций целесообразно использовать автономные системы хранения топлива и окислителя, чтобы исключить попадание пыли и других газов в зону реакции, что приводит к снижению характеристик и потере его работоспособности.

Список использованной литературы

1. Кукин П.П. Безопасность жизнедеятельности. Безопасность технологических процессов и производств (Охрана труда): Учеб. пособ. для вузов / П.П. Кукин, В.Л. Лапин, Е.А. Подгорных и др. — М.: Высш. шк., 1999. -318 с.

2. Безопасность жизнедеятельности: Учеб. / Под ред. С.В. Белова. — М.: Высш. шк., 1999. — 448 с.

3. Винокуров С.Д. Топливный элемент — источник электрической

248

энергии на средствах энергоснабжения авиации / С.Д. Винокуров, И.К. Шуклин, В.В. Волков // Матер. V Всерос. науч.-техн. конф. «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики АНТЭ-2009» (12-13 октября 2009 г.). — Т. 1. — Казань: КГТУ, 2009. — С. 461-466.

4. Винокуров С.Д. Концептуальный подход к усовершенствованию генераторов средств обеспечения энергией использованием топливных элементов / С. Д. Винокуров, И.К. Шуклин, В.В. Волков // Труды ХХ1Х Всерос. науч.-техн. конф «Проблемы эффективности и безопасности функционирования сложных технических и информационных систем» (24-25 июня 2010 г.). — №3. — Серпухов: СВИРВ, 2010. — С. 112-116.

5. Коровин Н.В. Топливные элементы и электрохимические энергоустановки / Н.В. Коровин. — М.: Изд-во МЭИ, 2005. — 280 с.

ОРГАНИЗАЦИЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПО ФИЗИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ МУЛЬТИМЕДИЙНЫХ СРЕДСТВ

Г.И. Груздев, заместитель начальника кафедры, Воронежский институт МВД России, г. Воронеж

В современном учебно-воспитательном процессе образовательных организаций системы МВД России нет задачи более важной и одновременно более сложной, чем организация самостоятельной работы курсантов и слушателей. Важность этой проблемы связана с новой ролью самостоятельной работы, которую она приобретает в связи с переходом на деятельностную парадигму образования. В результате этого перехода самостоятельная работа становится ведущей формой организации учебного процесса, и вместе с этим возникает проблема ее активизации.

Активизировать самостоятельную работу — значит значительно повысить ее роль в достижении новых образовательных целей, придав ей проблемный характер, мотивирующий обучаемых на отношение к ней как к ведущему средству формирования учебной и профессиональной компетенции [1].

Самостоятельная работа курсанта — это планируемая работа, выполняемая по заданию и при методическом руководстве преподавателя, но без его непосредственного участия. Она способствует углублению и расширению знаний, формированию интереса к познавательной деятельности, овладению приемами процесса познания, развитию познавательных способностей. Самостоятельная работа обладает огромным дидактическим потенциалом, поскольку в ее ходе происходит не только усвоение учебного материала, но и его расширение, формирование умения работать с различными видами информации, с новыми современными техническими средствами обучения.

Приступая к исследованию эффективности использования на учебных занятиях по физической подготовке, а также в самостоятельной работе

Генератор на топливных элементах • Retrailer

Топливные элементы — это перспективный, долговечный, надежный и экологический чистый источник получения электрической энергии. Топливный элемент (или как его еще называют электрохимический генератор) — устройство, которое преобразует химическую энергию топлива в электрическую энергию в процессе электрохимической реакции. В идеале, для работы топливного элемента в качестве подаваемого топлива необходим водород. Однако производство и хранение такого топлива достаточно затратны. Поэтому «портативные» генераторы на топливных элементах работают и от водородосодержащего топлива. В качестве такого топлива могу быть использованы привычные нам углеводороды:метан, бутан, пропан, метанол, бензин.

При использовании водорода в качестве топлива, продуктами химической реакции, помимо желаемой электроэнергии выступают тепло и вода. В этом случае такой генератор абсолютно безвреден для окружающей среды. При использовании в качества топлива углеводородов (например пропан), в окружающую среду будут выделяться так же оксиды углерода и азота. Однако, их значение существенно ниже, чем при обычном сжигании.

Устройство и принцип действия

Генератор на топливных элементах состоит из:

• топливного процессора
• секции выработки энергии
• преобразователя напряжения

Топливный процессор преобразует углеводородное топливо в водород, необходимый для электрохимической реакции (реформинг). Основной элемент устройства — реформер. Поступающий в реформер, к примеру, природный газ взаимодействует с водяным паром при очень высоких температурах (около 900 °C) и высоком давлением в присутствии катализатора (никеля). Пар, необходимый для преобразования, образуется из конденсата в следствии работы топливного элемента. При этом используется тепло, так же выделяемое в следствии его работы.

Секция выработки энергии — основная часть генератора. Она состоит из множества топливных ячеек, в состав электродов которых входит платиновый катализатор. С помощью этих ячеек вырабатывается постоянный электрический ток.

Преобразователь напряжения. Вырабатываемый топливными ячейками постоянный ток неустойчив, имеет низкое напряжение и высокую силу тока. Для преобразования его в переменный ток, отвечающий стандартам, а так же для защиты электрической цепи от различных сбоев и используется преобразователь напряжения.

В таком генераторе примерно 40% энергии углеводородного топлива может быть преобразовано в электрическую энергию. Так же еще 40% энергии топлива преобразуются в тепловую энергию. Его можно использовать для обогрева помещения, а та же воды в водопроводе. Поэтому суммарный КПД такого генератора может достигать 80%.

Достоинством генератора на топливных элементах является:

• возможно быть источником электро и теплоснабжения;
• высокий КПД 50%. А если использовать получаемое в следствии работы тепло, то и все 80%;
• отсутствие вибраций и шумов;
• минимальное количество загрязняющих веществ;
• надежность (отсутствие движущихся элементов)
• простота эксплуатации

Недостатки и особенности:

• относительно высокая стоимость;
• наиболее эффективно в качестве топлива использовать водород;

Модными и современными технологиями заинтересовались так же производители аксессуаров для караванинга и выпустили несколько своих разработок.

Truma VeGa

Немецкая компания Truma, специализирующая в области газовых и электрических устройств для караванинга, совместно с институтом микро техники IMM разработали генератор электроэнергии на топливных элементах Truma VeGa. Идея заключалась в том, что бы сделать доступный генератор на новой, набирающей популярность технологии топливных элементов для массового потребителя. Система получила серебряную награду F-CELL в 2007 году и премию на выставке Bavarian Energy в 2008 году. Широкой публике технологичный продукт был представлен на выставке Caravan Salon в 2012 году в Дюссельдорфе. В том же году стартовало ее серийное производство и продажи.

Для выработки водорода с последующим преобразование его в электроэнергию, Vega использует сжиженный углеводородный газ (пропан/бутан). Максимальная производительность устройства 250 Вт/час или 6 Квт/сутки. Тем самым, VeGa дает возможность пользоваться одновременно множеством потребителей энергии в доме на колесах. Из стандартного, заправленного пропаном, 11 кг. баллона, VeGa способна выжать до 28 Квт электроэнергии. Таким образом, в зависимости от потребления электроэнергии, можно проживать автономно до нескольких недель.

Система работает полностью автоматически. Как только напряжение на аккумуляторе «проседает» ниже нормального, Vega включается и заряжает аккумулятор током до 20 А. Правильный ток зарядки может быть адаптирован по различные виды аккумуляторов (кислотные, щелочные, гелиевые). После достижения оптимального напряжения на клеммах аккумулятора, VaGa возвращается в режим ожидания. Так же генератор на топливных элементах VeGa можно запустить принудительно. Цветной сенсорный дисплей отображает все необходимые параметры работы: зарядный ток, напряжения аккумулятора, интервалы работы.

Преимуществом данной системы перед другими альтернативными источниками энергии (солнечные панели и ветрогенераторы) является доступность и относительная дешевизна используемого сырья (газ пропан/бутан), стабильность работы в любое время суток в широком диапазоне температур.

А теперь о грустном. Рыночная стоимость Truma Vega по каталогу Movera составляла 7000 евро. Слишком высокая цена за новые технологии даже для европейского караванера. Продажи шли очень вяло. Truma VeGa исчезла со страниц каталогов в 2015 году. Сегодня компания Truma об этой системе старается не вспоминать.

EFOY

Компания EFOY больше преуспела в разработке и реализации генераторов на топливных элементах. Главное отличие от Truma Vega в том, что в качества сырья (топлива) генераторы EFOY используют метанол (метиловый спирт СН₃ОН). Метанол продает сам завод изготовитель в канистрах 5 и 10 л. (цена по каталогу Movera 30 и 45 евро соответственно). 5 литров метанола достаточно для выработки 5.5 кВт электроэнергии.

Для автодомов и караванов EFOY выпускает 3 вида генераторов:

• Comfort 80. Максимальная мощность — 40 Вт. Емкость — 80 Ач в день. Ток заряда — 3,3 А. Стоимость (Movera) — 2600 евро
• Comfort 140. Максимальная мощность — 72 Вт. Емкость — 140 Ач в день. Ток заряда — 6 А. Стоимость (Movera) — 4000 евро
• Comfort 210. Максимальная мощность — 105 Вт. Емкость — 210 Ач в день. Ток заряда — 8,8 А. Стоимость (Movera) — 5600 евро

Та же как и VeGa, EFOY имеет автоматическую функцию поддержания заряда на аккумуляторе и включается только при необходимости.

Достоинства. Генератор работает бесшумно и экологично. Выделает только тепло, водяной пар и совсем немного двуокиси углерода. Работает независимо от времени суток в диапазоне температур от — 10 ° C до +40 ° C .

Так же компания EFOY выпускает генераторы серии Pro для промышленных масштабов.

Недостатки. по прежнему не решена ценовая проблема топливных элементов. В качестве катализатора в ячейках топливных элементов используют дорогой материал — платину, что конечно же сказывается на цене.

Стоит отметить, что топливными элементами, работающими на метаноле, занимается, помимо EFOY, еще большое количество компаний. Компания Toshiba внедряет компактные метаноловые топливные элементы для питания плееров, телефонов и ноутбуков. Топливные элементы, работающие на этиловом спирте на сегодняшний день являются наиболее вероятной заменой привычных нам аккумуляторов.

Вице-премьер РФ Александр Новак и глава РОСНАНО Сергей Куликов обсудили перспективы создания и применения инновационных источников и накопителей энергии

23 декабря Заместитель Председателя Правительства РФ Александр Новак и Председатель Правления УК «РОСНАНО» Сергей Куликов посетили научно-производственную площадку компании-партнера РОСНАНО, «ИнЭнерджи».

В рамках визита стороны ознакомились с основными результатами деятельности российского разработчика электрохимических решений для энергетики и обсудили актуальные вопросы взаимодействия в создании новых источников и накопителей энергии. В частности, речь шла о собственных разработках компании «ИнЭнерджи» – генераторах с топливнымиэлементами, созданными в тесной кооперации с научными лабораториями академических институтов и университетов России.

На совещании под руководством Александра Новака Сергей Куликов рассказал о ключевых направлениях деятельности РОСНАНО, на которых будет сосредоточен инвестиционный фокус компании, в частности по внедрению российских передовых технологий в инфраструктурных отраслях экономики.

«Электрохимические генераторы и накопители энергии сегодня открывают новые горизонты как для возобновляемой энергетики, так и для автомобильного транспорта. Внедрение этих систем в энергосистему позволит наиболее эффективно использовать различные источники энергии и значительно снизит негативное воздействие энергетики на климат за счет более эффективной загрузки генерации, прежде всего, ВИЭ, а также развития использования такого чистого источника энергии как водород», — отметил Александр Новак.

«Наша страна имеет значительный научный потенциал в этих направлениях, который необходимо развивать. Сегодня реальный сектор экономики и крупные госкорпорации – самые заинтересованные стороны во внедрении передовых технологий. Это внутренне созревшая необходимость. И важнейшим составным элементом перехода отечественной экономики на инновационный путь развития является эффективное взаимодействие госпредприятий с исследователями, разработчиками и производителями. РОСНАНО располагается на стыке таких запросов и предложений. Основная наша задача эффективно организовывать это встречное движение — находить и адаптировать уникальные проекты в соответствии с актуальными трендами рынка. Одним из таких проектов, на который мы обратили внимание, стала компания «ИнЭнерджи», где уже сейчас есть серьезный задел для применения прорывных технологий в энергетическом секторе, в том числе в сфере водородной энергетики, а мы поможем развить эти компетенции и приумножить их», — сказал Сергей Куликов.

Оригинал пресс-релиза

Исследователи предложили способ снизить температуру в электрохимических генераторах

Ученые ведут разработки по созданию нового способа печати твердых электролитов для топливных элементов электрохимических генераторов.

Научный коллектив исследователей из Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова (ИОНХ) совместно с коллегами из Московского физико-технического института (МФТИ) и Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ) ведут разработки по созданию нового способа печати твердых электролитов. Он будет применяться в топливных элементах электрохимических генераторов. Такое предложение повысит скорость их изготовления и снизит экологическую нагрузку и стоимость производства.

Новая технология связана с автоматизированным синтезом нанопорошков и последующим аддитивным формированием 2D-наноматериалов на основе диоксида церия, что перспективно в качестве электролитов среднетемпературных твердооксидных топливных элементов. Такой нанопорошок обладает высокой проводимостью в среднетемпературном диапазоне. Результаты работы опубликованы в Journal of Colloid and Interface Science. 

Напомним, что для эффективной работы высокотемпературных топливных элементов необходим нагрев от 800 до 1000 °С. Из-за этого к химической и коррозионной стойкости материалов предъявляют повышенные требования. Если снизить температуру, сохранив высокую энергоэффективность, то срок службы станет выше, увеличится и эксплуатационная надежность, а стоимость готового устройства снизится. 

Для этого ученые предлагают найти и разработать альтернативные материалы с высоким уровнем кислород-ионной или протонной проводимости в среднетемпературном диапазоне (400-600 °С) и снизить толщину функциональных слоёв с переходом к созданию топливных элементов планарной геометрии. 

«Наше исследование продемонстрировало возможность автоматизации химико-технологического алгоритма, включающего в себя программируемый синтез оксида церия с необходимым уровнем допирования оксидом иттрия в виде нанопорошков и получение функциональных чернил на их основе, – говорит Татьяна Симоненко, кандидат химических наук, научный сотрудник Лаборатории химии лёгких элементов и кластеров ИОНХ. – Предложена технология формирования соответствующих планарных наноструктур в качестве перспективных компонентов современных твердооксидных топливных элементов с использованием малоизученной микроплоттерной печати высокого разрешения».

Предложенная технология предполагает и контролируемое нанесение материала на поверхность подложки. Это уменьшит топливные элементы и снизит нагрузку на окружающую среду и стоимость производства.

Электрохимические генераторы и способ их работы (Патент)

Тамминен П. Дж. Электрохимические генераторы и способ их работы . США: Н. П., 1985. Интернет.

Тамминен, П. Дж. Электрохимические генераторы и способ их работы .Соединенные Штаты.

Tamminen, P J. Вт. «Электрохимические генераторы и способ их работы». Соединенные Штаты.

@article {osti_6497735,
title = {Электрохимические генераторы и способ их работы},
author = {Tamminen, P J},
abstractNote = {Электрохимический генератор, который использует центробежную силу, создаваемую вращением электродов генератора и предпочтительно электролита, для выполнения множества функций внутри генератора, включая циркуляцию электролита мимо электродов, циркуляцию воздуха мимо газового электрода, где Генератор представляет собой генератор металла и газа, контролирующий рост дендритов и обеспечивающий относительно плотное равномерное осаждение металла во время перезарядки для перезаряжаемого генератора металл-воздух, удерживая электролит и продукты реакции вдали от пор газового электрода, чтобы предотвратить затопление или закупорку пор , отделение продуктов реакции от электролита, поддержание равномерного расстояния между электродами по мере того, как металлический электрод газового генератора металла расходуется, промывка и слив электролита в периоды простоя, поддержание хорошего электрического контакта между электродами и их токоприемниками, в то же время позволяя легко заменять потреблял эл ectrodes и автоматически переключает поток электролита и другие функции, когда генератор переходит из состояния разряда в состояние зарядки, промывки или слива.},
doi = {},
url = {https://www.osti.gov/biblio/6497735}, журнал = {},
номер =,
объем =,
place = {United States},
год = {1985},
месяц = ​​{6}
}

Электрохимический генератор, содержащий цилиндрические алюминиево-воздушные ячейки

1.

СТО 56947007-29.120.40.041-2010. Операционные системы постоянного тока подстанций. ТУ (ФСК ЕЭС, Москва, 2010).

2.

Попель О. С., Тарасенко А. Б. Современные виды накопителей электроэнергии и их применение в автономных и централизованных энергосистемах // Теплоэнергетика. Англ. 58 , 883–893 (2011).

Артикул Google Scholar

3.

Передача Электро Восток. http://www.tev.ru/products/ibp/dizel_rotor/.По состоянию на 27 сентября 2017 г.

4.

А. А. Чернявский, «Использование солнечной энергии на юге России — возможности и перспективы», Energy Fresh, № 1 , 10–13 (2010).

Google Scholar

5.

К. Онда, Т. Кьякуно, К. Хаттори и К. Ито, «Прогнозирование мощности производства водорода под высоким давлением с помощью электролиза воды под высоким давлением», J. Power Sources 132 , 64 –70 (2004).

Артикул Google Scholar

6.

Илюхина А.В., Клейменов Б.В., Жук А.З. Разработка и исследование алюминиево-воздушного электрохимического генератора и его основных компонентов // Источники энергии 342 , 741–749 (2017). По состоянию на 2 октября 2017 г. doi 10.1016 / j.jpowsour.2016.12.105

Article Google Scholar

7.

Y.-J. Чо, И.-Дж. Парк, Х.-Дж. Ли и Ж.-Г. Ким, «Алюминиевый анод для алюминиево-воздушной батареи. Часть I: Влияние чистоты алюминия», J.Источники энергии 277 , 370–378 (2015).

Артикул Google Scholar

8.

Д. Р. Иган, К. Понсе де Леон, Р. Дж. К. Вуд, Р. Л. Джонс, К. Р. Стокс и Ф. К. Уолш, «Разработки электродных материалов и электролитов для алюминиево-воздушных батарей», J. Power Sources 236 , 293–310 (2013).

Артикул Google Scholar

9.

Шейндлин А.Э., Шейндлин Э.Школьников И., Жук А. З., Клейменов Б. В., Власкин М. С. Особенности использования алюминия в электроэнергетике // Изв. Росс. Акад. Наук. Энергетика. 2011. № 6. С. 3–30.

Google Scholar

10.

Прабал Сапкота и Ким. Хонггон, «Цинк-воздушный топливный элемент, потенциальный кандидат для альтернативной энергетики», J. Ind. Eng. Chem. 15 , 445–450 (2009).

Артикул Google Scholar

11.

W. P. Lin, Патент США № 2011/0117455 A1 (2011).

Google Scholar

12.

Т. А. Догерти, А. П. Карпински, Дж. Х. Станнард, В. Халлиоп и С. Уорнер, «Алюминий – воздух: состояние технологии и приложений», в Proc. 31-я Межобщественная конференция по преобразованию энергии, Вашингтон, округ Колумбия, 11–16 августа 1996 г. (IEEE, Piscataway, NJ, 1996), стр. 1176–1180.

Google Scholar

13.

М. Пино, К. Куадрадо, Х. Чакон, П. Родригес, Э. Фатас и П. Окон, «Электрохимические характеристики промышленных электродов из алюминиевого сплава для алюминиево-воздушных батарей», J. Appl. Электрохим. 44 , 1371–1380 (2014).

Артикул Google Scholar

14.

Л. Фан, Х. Лу и Дж. Ленг, «Характеристики тонкоструктурированных алюминиевых анодов в нейтральных и щелочных электролитах для алюминиево-воздушных батарей», Electrochim. Acta 165 , 22–28 (2015).

Артикул Google Scholar

15.

Харламов С.М., Бобылев А.В., Галкин П.С., Добросельский К.Г., Власенко М.Г., Маркович Д.М. Влияние алюминиевых анодных сплавов и состава щелочного электролита на характеристики алюминиево-воздушных ячеек портативного применения. Англ. Термофиз. 24 , 313–321 (2015).

Артикул Google Scholar

16.

А.В. Илюхина, А.З. Жук, Б.В. Клейменов, А.С. Илюхин, М. Нагаяма, «Влияние температуры и состава на работу алюминиевых анодов для алюминиево-воздушных батарей», Топливные элементы 16 , 384–394 (2016). .

Артикул Google Scholar

17.

ML Doche, F. Novel-Cattin, R. Durand и JJ Rameau, «Характеристика различных марок алюминиевых анодов для алюминиево-воздушных батарей», J. Power Sources 65 , 197–205 ( 1997).

Артикул Google Scholar

18.

W. B. O’Callaghan, патент США № 4

1 (1990).

Google Scholar

19.

Клейменов Б.В., Жук А.З., Илюхина А.В., Андросов А.А., Захаров В.П., Усанов А.Б., Зоткина И.Г. Патент РФ № 169334, Бюл. Изобретения, No 8 (2017).

Google Scholar

20.

А.З. Жук, Б.В. Клейменов, В.П. Захаров, А.Ю. Чурсин, А.В. Капустин, “Исследование состава и физико-химических свойств щелочного электролита при анодном растворении алюминия в алюминиевых топливных элементах”, Альт. Energ. Экол., № 4 , 108–115 (2012).

Google Scholar

21.

Габдерахманова Т.С., Директор Л. Б., Попель О. С., Тарасенко А. Б. Сравнительный анализ электрохимических накопителей энергии.Energ. Экол., № 23 , 184–195 (2015).

Google Scholar

22.

Интернет-магазин «Ваш Солнечный Дом». http://shop.solarhome.ru. По состоянию на 30 октября 2017 г.

23.

Ф. Дэвид Доти, Реалистичный взгляд на прогнозы цен на водород (Doty Sci., Columbia, 2004). http://www.dotynmr.com/PDF/Doty_h3Price.pdf, 2013.

Google Scholar

24.

Жук А.З., Бузоверов Е.А., Шейндлин А.Е. Распределенные системы накопления энергии на базе парка электромобилей // Теплоэнергетика. Англ. 62 , 1–6 (2015). doi 10.1134 / S0040601515010127

Артикул Google Scholar

Термоэлектрохимический генератор: сбор энергии и терморегуляция для систем жидкостного охлаждения

Управление большими данными — проблема термодинамики; уменьшение размера и повышение производительности электронных устройств требует использования жидкостного охлаждения для рассеивания большого количества тепла, которое в результате образуется.В таких местах, как центры обработки данных, охлаждение ЦП осуществляется воздушным и жидкостным способами. В настоящее время целью существующих конструкций жидкостного охлаждения является охлаждение этих мощных процессоров. Мы протестировали и утвердили модифицированную конструктивную систему жидкостного охлаждения, которая дополняет существующую архитектуру охлаждения способностью извлекать энергию из отработанного тепла, отбрасываемого этими источниками тепла. Электролит, способный подвергаться обратимой окислительно-восстановительной реакции, прокачивается через проточную термо-электрохимическую ячейку с макроканалом (fTEC).Поток тепловой энергии соединяется с электрической энергией за счет термоэлектрического эффекта, позволяя охлаждение и сбор энергии происходить параллельно. Наша текущая конструкция генерирует мощность 88 мкВт при плотности мощности 0,05 Вт. М ⁻² , достигается коэффициент теплопередачи 450 Вт (м ² K) ⁻¹ . Эта технология может использоваться в любом месте, где используется жидкостное охлаждение, от ЦП в центрах обработки данных до аккумуляторных блоков в электромобилях.С помощью fTEC можно было бы составить тепловую карту для всего центра обработки данных. Это улучшит терморегуляцию, и, кроме того, собранная энергия снизит накладные расходы на работу центра обработки данных.

У вас есть доступ к этой статье

Подождите, пока мы загрузим ваш контент… Что-то пошло не так. Попробуй еще раз?

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

---

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, используйте кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

---

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

---

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Электрогенераторы будущего?

Предоставлено: Shutterstock.

Миллиарды евро ежегодно тратятся на очистку триллионов литров сточных вод, при этом потребляется значительное количество энергии.Однако эти сточные воды могут выступать в качестве возобновляемого ресурса, экономя значительное количество энергии и денег, поскольку они содержат органические загрязнители, которые могут использоваться для производства электроэнергии, водорода и ценных химикатов, таких как каустическая сода.

Этого можно достичь, если органическое вещество расщепляется электрически активными бактериями в электрохимической ячейке, которая в то же время помогает очищать сточные воды.Примеры таких «биоэлектрохимических систем» включают микробные топливные элементы (MFC) и микробные электролизные ячейки (MEC).

ЕС стремится поощрять инновационные проекты, которые могут привести к значительной экономии энергии. Одна из таких инициатив была реализована группой исследователей в Ирландии, которая сосредоточилась на области биоэлектрохимических систем и изучила, как изменение химического состава поверхности электрода может производить больше электричества.

Исследование «Функционализация угольных анодов ариламином для улучшения микробного электрокатализа», финансируемое в рамках Программы Марии Кюри, может оказать немедленное влияние на ряд секторов, стремящихся улучшить свои экологические и энергетические показатели, включая очистку сточных вод и производство биохимии и биотоплива.

Проект начался с исследования интерфейса микробный электрод. Именно здесь сложные физико-химические и биологические взаимодействия позволяют микробам обмениваться электронами с твердыми электродами, создавая биоэлектрохимические системы.

Команда нашла доказательства, которые могут помочь микробным сообществам подключиться к электроду и, таким образом, быстрее производить больше электричества по сравнению с немодифицированными электродами. Электронный обмен лежит в основе реакций, происходящих в мире природы, а также в этих так называемых биоэлектрохимических системах.

Команда представила функциональные группы ариламина в графитовых электродах. Ариламин — это фермент, который катализирует определенную химическую реакцию. Добавление этого фермента привело к улучшению начального катализа окисления ацетата микробными биопленками по сравнению с тем, который наблюдается на немодифицированных анодах.

Исследователи доказали, что «соединить» микробы с помощью проводов, чтобы быстрее проводить и производить электричество, возможно. Исследование было проведено Исследовательской лабораторией биомолекулярной электроники в Голуэе, Ирландия, которая в течение нескольких лет работала над зондирующими условиями для отбора электродов микробами.

Хотя необходима дальнейшая работа для понимания важных биологических и инженерных проблем, лежащих в основе биотехнологии, эти лабораторные эксперименты показали, что биоэлектрохимические системы могут работать. Однако до сих пор в реальных условиях было проведено лишь несколько таких пилотных исследований, и для подтверждения надежности систем необходимы дополнительные пилотные исследования и масштабные демонстрационные проекты.

Кроме того, для того, чтобы биотехнология могла быть внедрена в промышленных масштабах, затраты должны быть конкурентоспособными с другими процессами очистки сточных вод и химического производства.Однако исследователи с оптимизмом смотрят на то, что коммерческие установки могут быть реализованы через два-пять лет, согласно недавнему брифингу Европейской комиссии по этому вопросу.

---

Подключение микробов для более быстрого проведения и выработки электричества

---

Ссылка : Биоэлектрохимические системы: генераторы электроэнергии будущего? (2013, 28 октября) получено 8 мая 2021 г. с https: // физ.org / news / 2013-10-bio-electrochemical-Electric-future.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Термо-синергетический фотоэлектрохимический генератор водорода, работающий в условиях концентрированного солнечного излучения

1.

Пальяро М., Констандопулос А. Г., Чириминна Р. и Палмизано Г. Солнечный водород: топливо ближайшего будущего. Energy Environ. Sci. 3 , 279–287 (2010).

Артикул Google Scholar

2.

Pinaud, B.A. et al. Технико-экономическая целесообразность централизованного производства солнечного водорода методами фотокатализа и фотоэлектрохимии. Energy Environ. Sci. 6 , 1983–2002 (2013).

Артикул Google Scholar

3.

Шэнер, М. Р., Этуотер, Х. А., Льюис, Н. С. и МакФарланд, Э. У. Сравнительный технико-экономический анализ производства возобновляемого водорода с использованием солнечной энергии. Energy Environ. Sci. 9 , 2354–2371 (2016).

Артикул Google Scholar

4.

Dumortier, M., Tembhurne, S. & Haussener, S. Общие рекомендации по проектированию солнечного водорода с помощью фотоэлектрохимических методов. Energy Environ. Sci. 8 , 3614–3628 (2015).

Артикул Google Scholar

5.

Пехарц, Г., Димрот, Ф. и Виттштадт, У. Производство водорода на солнечной энергии путем разделения воды с эффективностью преобразования 18%. Внутр. J. Hydrogen Energy 32 , 3248–3252 (2007).

Артикул Google Scholar

6.

Fallisch, A.и другие. Исследование конструкции водородного электролизера PEM и компонентов солнечного водородного генератора HyCon. Внутр. J. Hydrogen Energy 42 , 13544–13553 (2017).

Артикул Google Scholar

7.

Tembhurne, S. & Haussener, S. Интегрированные фотоэлектрохимические генераторы на солнечном топливе при концентрированном облучении II. Управление температурным режимом является важнейшим фактором при проектировании. J. Electrochem. Soc. 163 , 999–1007 (2016).

Артикул Google Scholar

8.

Бак Т., Новотны Дж., Рекас М. и Соррелл К. С. Фотоэлектрохимическое получение водорода из воды с использованием солнечной энергии. Аспекты, связанные с материалами. Внутр. J. Hydrogen Energy 27 , 991–1022 (2002).

Артикул Google Scholar

9.

Chen, S. & Wang, L.-W. Термодинамические окислительные и восстановительные потенциалы фотокаталитических полупроводников в водном растворе. Chem. Матер. 24 , 3659–3666 (2012).

Артикул Google Scholar

10.

Гретцель М. Фотоэлектрохимические элементы. Nature 414 , 338–344 (2001).

Артикул Google Scholar

11.

Якобссон, Т. Дж., Фьеллстрём, В., Эдофф, М. и Эдвинссон, Т. Устойчивое производство водорода с помощью солнечной энергии: от фотоэлектрохимических элементов до фотоэлектрических электролизеров и обратно. Energy Environ. Sci. 7 , 2056–2070 (2014).

Артикул Google Scholar

12.

Коэльо Б., Оливейра А. К. и Мендес А. Концентрированная солнечная энергия для возобновляемой электроэнергии и производства водорода из воды — обзор. Energy Environ. Sci. 3 , 1398–1405 (2010).

Артикул Google Scholar

13.

Янг, Дж.L. et al. Прямое преобразование солнечной энергии в водород с помощью перевернутых метаморфических многопереходных полупроводниковых архитектур. Nat. Энергетика 2 , 17028 (2017).

Артикул Google Scholar

14.

Хаселев О. и Тернер Дж. А. Монолитное фотоэлектрическо-фотоэлектрохимическое устройство для производства водорода путем разделения воды. Наука 280 , 425–427 (1998).

Артикул Google Scholar

15.

Накамура А. и др. Эффективность преобразования солнечной энергии в водородную — 24,4% за счет объединения фотоэлектрических модулей концентратора и электрохимических элементов. заявл. Phys. Экспресс 8 , 107101 (2015).

Артикул Google Scholar

16.

Jia, J. et al. Разделение солнечной воды с помощью фотоэлектрического электролиза с эффективностью преобразования солнечной энергии в водород более 30%. Nat. Commun. 7 , 13237 (2016).

Артикул Google Scholar

17.

Бонке, С. А., Вичен, М., Макфарлейн, Д. Р. и Спичча, Л. Возобновляемые виды топлива из концентрированной солнечной энергии: к практическому искусственному фотосинтезу. Energy Environ. Sci. 8 , 2791–2796 (2015).

Артикул Google Scholar

18.

Luo, J. et al. Фотолиз воды с эффективностью 12,3% с помощью перовскитных фотоэлектрических элементов и катализаторов, доступных на Земле. Наука 345 , 1593–1596 (2014).

Артикул Google Scholar

19.

Fujii, K. et al. Характеристики генерации водорода при расщеплении воды электрохимической ячейкой с полимерным электролитом, напрямую связанной с концентрированной фотоэлектрической ячейкой. Внутр. J. Hydrogen Energy 38 , 14424–14432 (2013).

Артикул Google Scholar

20.

Chang, W. J. et al. Принцип построения и расчет потерь для системы фотоэлектрических элементов с электролизером. СКУД Омега 2 , 1009–1018 (2017).

Артикул Google Scholar

21.

Fallisch, A. et al. Демонстрационный модуль концентратора водорода с эффективностью преобразования солнечной энергии в водород 19,8% в соответствии с более высокой теплотворной способностью. Внутр. J. Hydrogen Energy 42 , 26804–26815 (2017).

Артикул Google Scholar

22.

Tembhurne, S. & Haussener, S. Интегрированные фотоэлектрохимические солнечные топливные генераторы при концентрированном облучении I. Двухмерное неизотермическое мультифизическое моделирование. J. Electrochem. Soc. 163 , 988–998 (2016).

Артикул Google Scholar

23.

Walter, M. G. et al. Солнечные вододелительные элементы. Chem. Ред. 110 , 6446–6473 (2010).

Артикул Google Scholar

24.

Фонтейн, К. Т., Леверенц, Х. З. и Этуотер, Х. А. Пределы эффективности для фотоэлектрохимического расщепления воды. Nat. Commun. 7 , 13706 (2016).

Артикул Google Scholar

25.

Shockley, W. & Queisser, H.J. Детальный баланс балансового предела эффективности p — n солнечных элементов. J. Appl. Phys. 32 , 510–519 (1961).

Артикул Google Scholar

26.

Рошело, Р. Э. и Миллер, Э. Л. Фотоэлектрохимическое производство водорода: технический анализ потерь. Внутр. J. Hydrogen Energy 22 , 771–782 (1997).

Артикул Google Scholar

27.

Хаусенер, С., Ху, С., Сян, К., Вебер, А.З. и Льюис, Н. С. Моделирование зависимости эффективности тандемных фотоэлектрохимических водоразделительных систем от облучения и температуры. Energy Environ. Sci. 6 , 3605–3618 (2013).

Артикул Google Scholar

28.

Агер, Дж. У., Шанер, М. Р., Вальчак, К. А., Шарп, И. Д. и Ардо, С. Экспериментальные демонстрации спонтанного фотоэлектрохимического расщепления воды под действием солнечной энергии. Energy Environ. Sci. 8 , 2811–2824 (2015).

Артикул Google Scholar

29.

Schüttauf, J.-W. и другие. Производство водорода из солнечной энергии с эффективностью 14,2% с помощью кремниевых фотоэлектрических элементов и распространенных на Земле электрокатализаторов. J. Electrochem. Soc. 163 , F1177 – F1181 (2016).

Артикул Google Scholar

30.

Verlage, E.и другие. Монолитно интегрированная, искробезопасная, 10% -ная система водоразделения на солнечной энергии, основанная на активных, стабильных земных электрокатализаторах в сочетании с тандемными поглотителями света III – V, защищенными аморфными пленками TiO ₂ . Energy Environ. Sci. 8 , 3166–3172 (2015).

Артикул Google Scholar

31.

Sun, K. et al. Стабилизированная, искробезопасная, водоразделительная ячейка с эффективностью 10%, работающая на солнечной энергии и включающая в себя электрокатализаторы, доступные на Земле, с постоянным градиентом pH и разделением продуктов, обеспечиваемым биполярной мембраной. Adv. Energy Mater. 6 , 1600379 (2016).

Артикул Google Scholar

32.

Heremans, G. et al. Производство водорода на солнечной энергии из паров с эффективностью более 15% с использованием распространенных на Земле катализаторов и анионообменной мембраны. Сустейн. Energy Fuels 1 , 2061–2065 (2017).

Артикул Google Scholar

33.

Cheng, W.H. et al. Монолитный фотоэлектрохимический аппарат для прямого разделения воды с эффективностью 19%. ACS Energy Lett. 3 , 1795–1800 (2018).

Артикул Google Scholar

34.

Coridan, R.H. et al. Методы сравнения производительности систем преобразования энергии для использования в солнечном топливе и производстве солнечной электроэнергии. Energy Environ. Sci. 8 , 2886–2901 (2015).

Артикул Google Scholar

35.

May, M. M. et al. Об испытаниях многопереходных фотоэлектрохимических топливопроизводящих устройств. Поддерживать. Energy Fuels 1 , 492–503 (2017).

Google Scholar

36.

Samms, S. R., Wasmus, S. & Savinell, R. F. Термическая стабильность Nafion® в смоделированных средах топливных элементов. J. Electrochem. Soc. 143 , 1498–1504 (1996).

Артикул Google Scholar

37.

Малиш, Дж., Мазур, П., Пайдар, М., Бистрон, Т. и Бузек, К. Устойчивость Nafion 117 в условиях электролиза воды из ПЭМ при повышенных температуре и давлении. Внутр. J. Hydrogen Energy 41 , 2177–2188 (2016).

Артикул Google Scholar

38.

Sone, Y., Ekdunge, P. & Simonsson, D. Протонная проводимость Nafion 117, измеренная четырехэлектродным методом импеданса переменного тока. J. Electrochem.Soc. 143 , 1254–1259 (1996).

Артикул Google Scholar

39.

Rozain, C. & Millet, P. Электрохимические характеристики электролизеров воды с мембраной из полимерного электролита. Электрохим. Acta 131 , 160–167 (2005).

Артикул Google Scholar

40.

Cheng, Y. & Ping Jiang, S. Достижения в области электрокатализаторов для реакции выделения кислорода при электролизе воды — от оксидов металлов до углеродных нанотрубок. Прог. Nat. Sci. Матер. Int. 25 , 545–553 (2015).

Артикул Google Scholar

41.

Fabbri, E., Habereder, A., Waltar, K., Kötz, R. & Schmidt, T. J. Развитие и перспективы катализаторов на основе оксидов для реакции выделения кислорода. Catal. Sci. Technol. 4 , 3800–3821 (2014).

Артикул Google Scholar

42.

Сапунци, Ф. М., Грасиа, Дж. М., Вестстрат, К.-Дж., Фредрикссон, Х. О., Нимантсвердриет, Х. Электрокатализаторы для получения водорода, кислорода и синтез-газа. Прог. Энергия сгорания. Sci. 58 , 1–35 (2017).

Артикул Google Scholar

43.

Кармо М., Фриц Д. Л., Мергель Дж. И Столтен Д. Всесторонний обзор электролиза воды на основе ПЭМ. Внутр. J. Hydrogen Energy 38 , 4901–4934 (2013).

Артикул Google Scholar

44.

Siefer, G. & Bett, A. W. Анализ температурных коэффициентов для многопереходных концентрационных ячеек III – V. Прог. Фотовольт. Res. Прил. 22 , 515–524 (2014).

Артикул Google Scholar

45.

Сингх П. и Равиндра Н. М. Температурная зависимость характеристик солнечных элементов — анализ. Sol. Energy Mater. Sol. Ячейки 101 , 36–45 (2012).

Артикул Google Scholar

46.

Дёшер, Х., Гейс, Дж. Ф., Дойч, Т. Г. и Тернер, Дж. А. Поглощение солнечного света в воде — эффективность и конструктивные последствия для фотоэлектрохимических устройств. Energy Environ. Sci. 7 , 2951–2956 (2014).

Артикул Google Scholar

47.

Zhu, L., Boehm, R.F., Wang, Y., Halford, C. & Sun, Y. Водно-иммерсионное охлаждение фотоэлементов в системе с высокой концентрацией. Sol. Energy Mater. Sol. Ячейки 95 , 538–545 (2011).

Артикул Google Scholar

48.

Wang, Y. et al. Производительность кремниевых солнечных элементов, работающих в жидкостях. заявл. Энергетика 86 , 1037–1042 (2009).

Артикул Google Scholar

49.

Хан, X., Ван, Q., Zheng, J. & Qu, J. Термический анализ прямого погруженного в жидкость солнечного приемника для фотоэлектрических систем с высокой концентрацией. Внутр. J. Photoenergy 2015 , 321350 (2015).

Артикул Google Scholar

50.

Ройн, ​​А., Дей, К. Дж. И Миллс, Д. Р. Охлаждение фотоэлектрических элементов при концентрированном освещении: критический обзор. Sol. Energy Mater. Sol. Ячейки 86 , 451–483 (2005).

Артикул Google Scholar

51.

Zawodzinski, T. A. et al. Поглощение воды и транспортировка через мембраны Nafion® 117. J. Electrochem. Soc. 140 , 1041–1047 (1993).

Артикул Google Scholar

52.

Levêque, G., Bader, R., Lipiński, W. & Haussener, S. Экспериментальные и численные характеристики нового многоисточникового симулятора солнечного излучения _el с большим потоком на 45 кВт. Опт. Экспресс 24 , 1360–1373 (2016).

Артикул Google Scholar

53.

Дугария, С., Падован, А., Сабателли, В. и Дел Кол, Д. Оценка методов оценки ресурса DNI в солнечных концентрирующих системах. Sol. Энергетика 121 , 103–115 (2015).

Артикул Google Scholar

54.

Licht, S. et al. Эффективное расщепление солнечной воды на примере фотоэлектролиза AlGaAs / Si, катализируемого RuO ₂ . J. Phys. Chem. B 104 , 8920–8924 (2000).

Артикул Google Scholar

Электрохимический генератор, содержащий цилиндрические алюминиево-воздушные ячейки

Абстрактные

В статье рассмотрены вопросы оптимизации конструкции и технологии алюминиево-воздушных электрохимических генераторов для аварийного и резервного электроснабжения различных потребителей.Кратко описаны физико-химические принципы, используемые для создания таких генераторов. Благодаря отсутствию саморазряда в режиме накопления энергии, алюминиево-воздушные генераторы могут оставаться в режиме ожидания более длительное время по сравнению с электрохимическими аккумуляторными батареями или водородно-воздушными топливными элементами. Источник активируется добавлением к нему воды. Для получения лучших удельных параметров алюминиево-воздушных ячеек и повышения их технологичности предложена конструкция ячеек цилиндрической формы. Одноразовые элементы и батарея были разработаны, изготовлены и испытаны.Полученные результаты сравниваются с данными тестирования батареи и элементов плоской конструкции. Показана возможность получения существенно лучших удельных характеристик за счет перехода к цилиндрической конструкции. Благодаря предложенной конструкции было достигнуто более эффективное использование алюминия наряду с упрощением системы поддержания теплового баланса элемента и батареи. В статье представлены результаты испытаний одиночного алюминиево-воздушного элемента и четырехэлементной батареи, которые показали необходимость регулирования концентрации электролита в элементах и ​​батареях этого типа.Полученные данные сравниваются с результатами испытаний ранее изготовленных алюминиево-воздушных элементов классической плоской конструкции. Для определения перспектив использования генераторов данного типа проведено сравнение их технико-экономических характеристик с основными конкурирующими источниками аварийного и резервного электроснабжения, включая свинцово-кислотные и литий-ионные аккумуляторные батареи, а также с водородно-воздушными электрохимическими генераторами. . Определены характерные времена работы источника питания и частота его включения, при которых экономически оправдано применение алюминиево-воздушных электрохимических генераторов, и даны рекомендации по расширению диапазона этих параметров.

.