Микробный топливный элемент своими руками

Добавил пользователь Владимир З.
Обновлено: 05.10.2024

Не лишним будет вспомнить, как устроен и функционирует классический водородно-кислородный топливный элемент. Два электрода, анод и катод (допустим, угольные и покрытые катализатором – платиной), находятся в некой ёмкости, разделенной на две части протонообменной мембраной. На анод мы подаем водород из внешнего источника, который диссоциирует на платине и отдает электроны и протоны. Мембрана не пропускает электроны, но способна пропускать протоны, которые движутся к другому электроду – катоду. К катоду мы подаем также из внешнего источника кислород (или просто воздух), и на нем получаются отходы реакции – чистая вода. Электричество же снимается с катода и анода и используется по назначению. С различными вариациями такая конструкция используется и в электромобилях, и даже в портативных гаджетах для зарядки смартфонов вдали от розетки (такие, например, производит шведская фирма Powertrekk).

В небольшой емкости в питательной среде находится анод с микробами. От катода его отделяет протонообменная мембрана, сделанная из нафиона – под таким фирменным названием этот материал производит компания BASF, не так давно известная всем своими аудиокассетами. Вот оно – электричество, реально созданное живыми микробами! В лабораторном прототипе от него горит один-единственный светодиод через импульсный преобразователь, ибо светодиоду требуются для зажигания 2-3 вольта – меньше, чем выдает МТЭ. Хотя к лаборатории микробной биотехнологии МГУ в глубоком подвале приходится довольно долго добираться пыльными и дикими коридорами, она вовсе не является вместилищем допотопного советского научного оборудования, как это происходит с подавляющей частью отечественной науки сегодня, а неплохо оснащена современной импортной техникой. Прототип биореакторной ячейки

Как и любой топливный или гальванический элемент, МТЭ выдает небольшое напряжение – около одного вольта. Ток же напрямую зависит от его габаритов – чем крупнее, тем выше. Поэтому в промышленных масштабах предполагаются достаточно крупногабаритные установки, соединенные последовательно в батареи.

По словам Шестакова, разработки в этой области начались около полувека назад:

Что интересно, если микробными топливными элементами, как средствами уничтожения мусора, сейчас в мире занимаются многие ученые, то топливными ячейками – только в России. Так что не удивляйтесь, если когда-нибудь провода от вашей домашней розетки будут вести не к привычным турбинам ГЭС, а к мусорному биореактору.

Аннотация научной статьи по промышленным биотехнологиям, автор научной работы — Дубовец Денис Леонидович

Представленная работа является результатом проведенных исследований возможности некоторых микроорганизмов в процессе своей жизнедеятельности вырабатывать электрический ток. В представленной работе содержится краткая информация о современном состоянии энергетической отрасли и основных источниках энергии . Проведен анализ воздействия энергетической промышленности на организм человека, рассмотрен механизм работы микробного топливного элемента , сделан вывод о перспективных направлениях их использования.

Похожие темы научных работ по промышленным биотехнологиям , автор научной работы — Дубовец Денис Леонидович

Перспективы и направления развития технологии микробных топливных элементов и спектр их применения для решения глобальных экологических проблем

Конверсия органических отходов в электрическую энергию с помощью микробных электрохимических технологий

Исследование возможности функционирования твердофазных микробных топливных элементов новой конструкции

МИКРОБНЫЙ ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ КАК ИСТОЧНИК АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ Дубовец Д.П.

Аннотация: представленная работа является результатом проведенных исследований возможности некоторых микроорганизмов в процессе своей жизнедеятельности вырабатывать электрический ток. В представленной работе содержится краткая информация о современном состоянии энергетической отрасли и основных источниках энергии. Проведен анализ воздействия энергетической промышленности на организм человека, рассмотрен механизм работы микробного топливного элемента, сделан вывод о перспективных направлениях их использования.

Ключевые слова: энергия, природные ресурсы, окружающая среда, микробный топливный элемент, микроорганизмы.

Одной из главных задач современного общества в 21 веке, является решение вопроса по обеспечению постоянно растущей человеческой цивилизации в необходимом количестве энергии. Согласно исследованиям мирового научного сообщества, запасы ископаемых топливно-энергетических ресурсов стремительно сокращаются, в связи с этим возросла необходимость в разработке новых способов получения энергии, основанных на возобновляемых источниках. Благодаря особенности некоторых видов микроорганизмов в процессе своей жизнедеятельности генерировать электроэнергию, данное явление можно рассматривать в качестве перспективного источника альтернативной энергии.

Цели, задачи научная новизна

Цель работы - рассмотрение микробного топливного элемента.

Задачей представленной работы, является исследование механизма генерации электроэнергии микроорганизмами в составе топливного элемента, анализ возможных направлений использования топливных элементов в хозяйстве.

Научная новизна: рассмотрен механизм получения электроэнергии микроорганизмами, проведено исследование по перспективным направлениям использования микробных топливных элементов.

В последние десятилетия, в широкой печати и выступлениях ведущих национальных и зарубежных ученых, на конференциях, а также в специальной литературе, пересматривается отношение к темпам и перспективам использования углеводородного топлива для выработки энергии. Предлагается сократить его расход на энергетические нужды, сохранив будущим поколениям для производства продуктов питания и органического синтеза. При этом, растет интерес к новым методам получения энергии, в том числе к более широкому использованию возобновляемых источников энергии. Рассматриваются новые схемы преобразования энергии, подразумевающие любые методы получения чистой энергии, не вызывающие загрязнения окружающей среды [1].

Действительно, современная энергетика в качестве топлива использует в основном горючие ископаемые: нефть, природный газ, горючий сланец, черный и бурый уголь, торф. Если исходить из разведанных запасов топлива, можно полагать что через 80 лет все углеводородные ресурсы будут исчерпаны. В связи с этим, уже сейчас финансовые затраты, связанные с энергетикой, чрезвычайно велики, что подрывает энергетические программы даже ведущих промышленно развитых государств Западной Европы, Северной Америки, Азии и во многом сдерживает экономику развивающихся стран. Но действительно ли мы хотим использовать данные энергетические ресурсы?

Сжигание углеводородного топлива приводит интенсивному выбросу токсичных веществ и парниковых газов, что влечет к медленному, но устойчивому увеличению температуры на планете, уменьшению озонового слоя, деградации земель и прочему негативному влиянию. Кроме того, использование ископаемого топлива является источником теплового воздействия и загрязнения окружающей среды, образования отходов и сточных вод, шуму и вибрации. Описанное воздействие имеет глобальный характер и сказывается на всех живых организмах, в том числе и человеке.

У работников, связанных с энергетической отраслью, часто выявляются неврастенические синдромы и вегетативные дисфункции. При проведении обследований, медицинские работники регистрируют жалобы на тупые головные боли в лобно-височных областях, повышенную утомляемость, раздражительность, сонливость, сердцебиение, перебои и давящие боли за грудиной. Данные симптомы, свидетельствуют с нарушением работы сердечно-сосудистой и нервной системы, являются первичными признаками развития онкологических заболеваний.

Для снижения вредного воздействия на окружающую среду, человечеству необходимо развивать энергосберегающие технологии, основанные на энергии солнца, ветра, использовании биомассы и энергии недр земли. Микробные топливные элементы могут быть частью таких технологий.

Исследование и вывод

На рисунке 1 представлен принцип работы микробного топливного элемента.

Катион обменная катализатор (Р1)

Рис. 1. Схема работы микробного топливного элемента

На представленном рисунке изображена емкость, заполненная раствором, содержащим органические вещества (формальдегид, ПАВ и др.) и разделенная на две части при помощи мембраны. В одну из частей сосуда (на рисунке слева), погружена металлическая пластина покрытая биопленкой. Погружаемая пластина участвует в процессе переноса электрического тока в МТЭ, выполняя функцию анода.

В процессе жизнедеятельности микроорганизмов, основанном на использовании содержащихся в подпиточной воде органических веществ в качестве питательных материалов, происходит образование электронов. Образовавшийся электрический ток по соединенному с металлической пластиной проводу переходит по цепи к катоду, образуя при этом электрическую цепь.

Для регистрации напряжения и силы тока, проходимого по электрической цепи подключен измерительный прибор типа мультиметр, совмещающий работу вольтметра и амперметра.

На катоде, погруженном в правой части сосуда и выполненном из неактивного материала (графит, платина, ванадий или вольфрам), происходит восстановление кислорода с образованием ионов гидроксида и протонами выделенными из воды (О2 + 4е- +2Н20^40Н-).

Благодаря установке катион обменной мембраны, осуществляется переход катионов от анода к катоду и обеспечивается электронейтральность.

Схема на рисунке 1 представляет собой принципиальную инженерную систему непрерывного действия с постоянным подводом воздуха, подпиточной воды для жизнедеятельности бактерий, а также отводом побочных продуктов и предназначенную для поддержки жизнедеятельности культуры микроорганизмов в анодной камере. Присутствующие микроорганизмы, преобразуют (обрабатывают) органические субстраты на основе окислительно-восстановительных реакций, осуществляемых на клеточном уровне и переносе электронов через электрическую цепь с выработкой электроэнергии.

Реакции окисления происходят в анодном отсеке, где бактерии метаболизируют органические субстраты образуя энергию необходимую для поддержания клеток и синтеза биомассы. Бактерии (электрификаторы), которые способны к внеклеточному переносу

электронов, могут дышать твердым электродом, сохраняя энергию за счет окисления органических молекул, таких как ацетат, образуя при этом углекислый газ.

В зависимости от вида используемых бактерий, состава и температуры подпиточного раствора, площади поверхности электродных пластин и др. параметров, выход электроэнергии может составлять от сотен милливольт до десятков киловольт [2, 3].

В таблице 1, представлена зависимость состава подпиточного раствора и его концентрации, от напряжения и силы электрического тока, регистрируемого на выходе из МТЭ.

Таблица 1. Характеристика подпитоного раствора и выходных параметров МТЭ

Вещество, входящее в состав раствора Концентрация вещества, мг/л Напряжение, мВ Сила анодного тока, мА

Ацетат 458 78 22

Ацетат 1000 352 560

Глюкоза 2000 3600 1310

Глюкоза 467 120 390

Бутират 1000 220 22

ПАВ 1100 354 28

Хозяйственно-бытовые сточные воды 429* 10 390

Хозяйственно-бытовые сточные воды 379* 75 22

* - общее содержание органических веществ в растворе.

Согласно приведенной таблице, при увеличении концентрации органического вещества, увеличивается сила тока и напряжение. Следует отметить, что данная зависимость не линейна, в связи с чем при выборе режима работы МТЭ необходим тщательный подбор оптимального состава подпиточного раствора [4].

Микробные топливные элементы представляют собой быстро развивающуюся технологию, основанную на возобновляемых источниках энергии. Наиболее перспективное их применение, связано с совмещением технологии биологической очистки сточных вод с производством электроэнергии. В зависимости от способа организации производства степень очистки сточных вод от органических загрязнителей может достигать 86%.

Биоэлектрохимические основы рассмотренной технологии обладают перспективами внедрения и в других промышленных областях: создание биометрических датчиков для медицинских нужд, оценки состояния окружающей среды и степени ее загрязненности; микробных электролизных элементов для получения водорода - как наиболее чистого вида топлива; источников питания для роботизированной автономной и радиоуправляемой техники.

Несмотря на то что развитие микробных топливных элементов находится на начальном этапе, перспективы их дальнейшего применения в промышленных масштабах уже прослеживаются, а вопрос их реализации на практике, будет зависеть от желания мирового сообщества вкладывать денежные средства в имеющиеся технологии.

1. Тельдеши Ю. Мир ищет энергию / Ю. Тельдеши, Ю. Лесны. М.: Мир, 1986. 442 с.

2. Fornero Jeffrey J., Rosenbaum Miriam. Electric Power Generation from Municipal? Food? And Animal Wastewaters Using Microbial Fuel Cells / Jeffrey J. Fornero, Miriam Rosenbaum : Electroanalysis, 2010. 22. № 7-8, 832-843. New York, 2010. 12 p.

Источники энергии как микробные топливные элементы имеют реальный потенциал для производства возобновляемой биоэнергии из отходов вещества, как моча. Учитывая огромный объем мочи и анализ мочи, производимой человеком, можно осуществить использование энергии в её потенциальной части с применением микробных топливных элементов и изменить способ производства электроэнергии.

В среднем человек производит от 800 мл до 2 000 мл мочи каждый день. Если умножить это на 7 миллиардов человек на Земле и в конечном итоге получится огромный объем: между 560 млрд и 1,4 трлн литров мочи в день.

Использование мочи в качестве альтернативного топлива

Энергия поступает сегодня из разных источников. Ископаемые виды с угрожающей скоростью добавляют все больше и больше парниковых газов в атмосферу, что способствует изменению климата. Поэтому необходимо найти новые устойчивые источники альтернативной энергии — биоэнергетика является одним из вариантов.
Можно производить биоэнергию альтернативного топлива с помощью процессов, таких как анаэробное сбраживание, ферментация и газификация. Этот процесс проходит в больших масштабах и требует высоких температур и давлений.

Другим вариантом альтернативного топлива является микробные топливные элементы, которые превращают органические вещества в электрическую энергию путем использования естественных процессов бактерий. Они эффективны, относительно дешевы для запуска и производят меньше отходов, чем другие методы.

Новый миниатюрный микробный топливный элемент не использует дорогие материалы для катода. Катод сделан из углеродной ткани и титановой проволоки. Для того чтобы ускорить реакцию и создать больше энергии источник использует катализатор, который изготовлен из глюкозы и яичного белка, содержащегося в яйце.

Это особенно интересно для развивающихся стран, особенно бедных и сельских районов, где микробные топливные элементы дешевле и более технологичнее для производства.

Принцип работы топливных элементов

Чтобы устранить растущий глобальный спрос на энергию, требуется источник устойчивой и экологически чистой альтернативной энергии. Микробные топливные элементы обладают большим потенциалом в качестве устойчивых и экологически чистых технологий преобразования биоэнергии, используя отходы в качестве сырья.

Перед лицом растущей проблемы истощения ископаемого топлива, есть глобальный интерес принципа работы топливных элементов — устойчивых и экологически чистых видов энергии. Одной из форм альтернативной энергии, которая может быть жизнеспособным в решении этой проблемы является биоэнергетика. В этом контексте, микробные топливные элементы обладают большим потенциалом как зеленая и углеродно-нейтральная технология, которая непосредственно преобразует биомассу в электроэнергию.

Микробные топливные элементы представляют собой электрохимические устройства, которые используют преимущества метаболических процессов микроорганизмов. Устройство непосредственно превращает органические вещества в электрическую энергию с высокой эффективностью в течение длительного периода времени.

По сравнению с другими процессами преобразование биоэнергии (анаэробное сбраживание, газификация, брожение) микробные топливные элементы имеют преимущество уменьшенных количеств отходов, а также экономически эффективной работы, так как они работают в условиях окружающей среды (температура, давление).

Кроме того, микробные топливные элементы не требуют затрат энергии на аэрацию в связи с пассивным газированием, например, с помощью использования однокамерного устройства.

И, наконец, эти элементы имеют способность генерировать энергию дистанционно с использованием ряда кормовых запасов и, таким образом, могут быть использованы в районах с плохой энергетической инфраструктурой. Органические отходы, используемые в качестве сырья, в частности, предлагает привлекательные перспективы альтернативной энергии с экономической эффективностью в связи с изобилием.

Моча может быть эффективным сырьем для работы микробных топливных элементов с дополнительным преимуществом восстановления азота, фосфата и восстановления калия из топлива. В частности, мочевина ферментативно гидролизует до аммиака и диоксида углерода. Аммиак затем окисляют на аноде, чтобы генерировать в основном нитрит и в меньшем количестве нитрат. Такой принцип работы топливных элементов.

Альтернативное топливо как источник энергии

Альтернативным топливом могут быть микробные топливные элементы являющиеся чрезвычайно привлекательными технологиями для генерации экологически чистой электроэнергии из ряда отходов. Самый надежный путь для повышения плотности мощности генерируемого микробными топливными элементами заключается в разработке небольших масштабных устройств и организация нескольких блоков как альтернативное топливо. В этом контексте, уже проведены исследования альтернативного топлива направленные на разработку эффективных миниатюрных топливных элементов.

Микробный топливный элемент

Для этого разработан инновационный миниатюрный микробный топливный элемент. Использована конфигурация катода, который имеет преимущество большей простоты эксплуатации и экономической эффективности. При закреплении расстояния между электродами 4 мм на систему непрерывно подавали искусственную мочу при фиксированной скорости потока 0,36 мл мин-1. При соединении отдельных блоков параллельно, выходная мощность достигла пикового значения 1,2 Вт. К тому же, использование двух различных видов биомассы, использование катализаторов на катоде увеличило плотность мощности до трех раз.

Эти возобновляемые и экономически эффективные топливные элементы представляют особый интерес для применения в отдаленных или бедных районах, где могут быть использованы дистанционно для устойчивого производства энергии из отходов.

Электроды изготавливаются из экономически эффективных материалов, таких как углеродная ткань, копировальная бумага и графит на основе стержней, пластин и гранул. В последнее время даже некоторые металлы, такие как медь и серебро являются эффективными анодными материалами. Тем не менее, дорогие металлы, такие как платина используются на катоде для усиления реакции восстановления кислорода. В последнее время использование катализаторов, полученных из биомассы, извлеченных из отходов было предложено в качестве эффективной альтернативы дорогостоящих катализаторов металла. В частности, полученные из биологической массы материалов из древесины, осадка сточных вод и бананов показало, что они функционируют в качестве катализаторов для повышения производительности топливных элементов при одновременном снижении стоимости устройства и его углеродного следа. Легирование этих материалов с гетероатомами, такими как азот и сера, а также в комбинации с наночастицами, как железо повышает каталитическую активность.

Другим ограничением в направлении практической реализации альтернативных источников топлива микробных топливных элементов как источники энергии нетрадиционные является их низкая производительность из-за высоких внутренних сопротивлений и омических потерь. Следовательно, производительная мощность микробных топливных элементов пока является низкой по сравнению с другими технологиями использования возобновляемых альтернативных источников энергии.

Преодоление ограничений микробных топливных элементов

Так почему же не используются микробные топливные элементы? Одной из причин этого является то, что они могут быть дорогими в изготовлении и маломощными. Микробные топливные элементы имеют электроды, которые собирают положительные и отрицательные заряды, которые являются результатом разрушения мочи бактериями, превращая заряд в электричество. Отрицательный электрод катод — часто содержит платину, чтобы ускорить реакцию, в результате чего стоимость устройства увеличивается. Кроме того, микробные топливные элементы, как правило, производят меньше энергии, чем другие методы производства биоэнергии. Это предпочтительнее, чтобы они были меньше, и, следовательно, портативнее, но это ограничивает их выходную мощность.

Несмотря на широту применения и растущий интерес к технологии микробных топливных элементов за последние два десятилетия, коммерциализация для производства этой альтернативной энергии до сих пор не реализована. Основными сдерживающими факторами, которые препятствуют практической реализации этого способа в больших масштабах, являются стоимость используемых материалов и трудности в наращивании масштабов процесса.

Топливный элемент - устройство, эффективно вырабатывающее тепло и постоянный ток в результате электрохимической реакции и использующее богатое водородом топливо. По принципу работы он схож с батареей. Конструктивно топливный элемент представлен катодом, анодом и электролитом. Но в отличие от батарей, топливные элементы на водороде не накапливают электрическую энергию, не нуждаются в электричестве для повторной зарядки и не разряжаются. Выработка электроэнергии ячейками продолжается до тех пор, пока у них имеется запас воздуха и топлива.

Особенности

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

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

Принцип работы

Тепло и электроэнергия вырабатываются топливным ячейками в результате электрохимической реакции, проходящей с использованием катода, анода и электролита. Катод и анод разделены проводящим протоны электролитом. После поступления кислорода на катод и водорода на анод запускается химическая реакция, результатом которой становятся тепло, ток и вода.

Молекулярный водород диссоциирует на катализаторе анода, что приводит к потере им электронов. Ионы водорода поступают к катоду через электролит, одновременно электроны проходят по внешней электрической сети и создают постоянный ток, который используется для питания оборудования. Молекула кислорода на катализаторе катода объединяется с электроном и поступившим протоном, образуя в итоге воду, являющуюся единственным продуктом реакции.

Все топливные элементы подразделяются на две основные категории - высокотемпературные и низкотемпературные. Вторые в качестве топлива используют чистый водород. Подобные устройства, как правило, требуют переработки первичного топлива в чистый водород. Процесс осуществляется с использованием специального оборудования.

Высокотемпературные топливные элементы не нуждаются в подобном, поскольку они преобразуют топливо при повышенных температурах, что исключает необходимость создания водородной инфраструктуры.

Принцип работы топливных элементов на водороде основан на превращении химической энергии в электрическую без малоэффективных процессов горения и трансформации тепловой энергии в механическую.

Преимущества водородных топливных ячеек

Повышенная удельная теплоемкость.
Широкий температурный диапазон эксплуатации.
Отсутствие вибрации, шума и теплового пятна.
Надежность при холодном запуске.
Отсутствие саморазряда, что обеспечивает длительный срок хранения энергии.
Неограниченная автономность благодаря возможности корректировки энергоемкости за счет изменения числа топливных баллончиков.
Обеспечение практически любой энергоемкости благодаря изменению емкости хранилища водорода.
Длительный срок эксплуатации.
Бесшумность и экологичность работы.
Высокий уровень энергоемкости.
Толерантность к сторонним примесям в водороде.

Область применения

Портативные зарядные устройства.
Энергоснабжающие системы для БПЛА.
Источники бесперебойного питания.
Прочие устройства и оборудование.

Как собрать топливный элемент на водороде?

Топливную ячейку небольшой мощности можно создать самостоятельно в условиях обычной домашней или школьной лаборатории. В качестве материалов используется старый противогаз, куски оргстекла, водный раствор этилового спирта и щелочь.

Корпус топливного элемента на водороде своими руками создается из оргстекла толщиной не менее пяти миллиметров. Перегородки между отсеками могут быть меньшей толщины - порядка 3 миллиметров. Оргстекло склеивается специальным клеем, изготавливаемым из хлороформа либо дихлорэтана и стружки из оргстекла. Все работы производятся только при работающей вытяжке.

В наружной стенке корпуса просверливается отверстие диаметром 5-6 сантиметров, в которое вставляется резиновая пробка и сливная стеклянная трубка. Активированный уголь из противогаза засыпается во второе и четвертое отделение корпуса топливного элемента - он будет использоваться в качестве электрода.

Циркуляция топлива будет осуществляться в первой камере, в то время как пятая заполняется воздухом, из которого будет поставляться кислород. Электролит, засыпающийся между электродами, пропитывается раствором парафина и бензина во избежание его попадания в воздушную камеру. На слой угля кладутся медные пластины с припаянными к ним проводами, через которые будет отводиться ток.

Собранный топливный элемент на водороде заряжается водкой, разбавленной водой в соотношении 1:1. В полученную смесь аккуратно добавляется едкий калий: в 200 граммах воды растворяется 70 граммов калия.

Перед испытанием топливного элемента на водороде в первую камеру заливается топливо, в третью - электролит. Показания вольтметра, подключенного к электродам, должны варьироваться от 0,7 до 0,9 вольт. Для обеспечения непрерывной работы элемента отработанное топливо должно отводиться, а через резиновую трубку - заливаться новое. Сжиманием трубки регулируется скорость подачи топлива. Подобные топливные элементы на водороде, собранные в домашних условиях, обладают небольшой мощностью.

Как работает ячейка топливного элемента?

Когда водород попадает в катализатор и расщепляется на протоны и электроны, протоны направляются прямиком к стороне катода, а электроны следуют через внешнюю электрическую цепь.

По пути электроны выполняют полезную работу:

зажигают электрическую лампу,
вращают вал электродвигателя,
заряжают аккумуляторную батарею и т.д.

Только проследовав такой путь, электроны объединяются с протонами и кислородом на другой стороне ячейки с последующим производством воды.

Полноценная система из нескольких топливных ячеек: 1 – газовый ресивер; 2 – радиатор охлаждения с вентилятором; 3 – компрессор; 4 – опорный фундамент; 5 – топливный элемент в сборе из нескольких ячеек; 6 – модуль промежуточного хранилища

Все эти реакции происходят в так называемом стеке одной ячейке. На практике обычно используется целая системы вокруг основного компонента, которая представляет собой стек из нескольких ячеек.

Стек встраивается в модуль, состоящий из частей:

управление топливом, водой и воздухом,
холодильное оборудование,
программное обеспечение для управления хладагентом.

Этот модуль затем интегрируется в полную систему, которую допустимо использовать для разных применений.

По причине высокого энергетического содержания водорода и высокой эффективности топливных элементов (55%), технологию допустимо использовать в разных областях.

Например, в качестве резервного питания для производства электроэнергии, когда нарушается работа основной электрической сети.

Как заправлять автомобиль топливным элементом

Заправка водородом является очень дорогим процессом. Водородных заправок мало. Но в связи с появлением новых автомобилей количество заправок постепенно растёт.

Топливный элемент является важной составляющей водородной энергетики. В данной статье будут рассмотрены основные принципы данной технологии, варианты ее реализации и флагманы индустрии

Топливный элемент представляет собой электрохимический источник электрического тока, осуществляющий превращение химической энергии в электрическую с высоким коэффициентом полезного действия, минуя малоэффективную и идущую с большими потерями стадию горения топлива, и обладающие практически нулевыми выбросами вредных веществ в окружающую среду [1,2,3,4].

Топливный элемент: принцип работы

ТЭ состоит из анода, катода и электролита, что позволяет положительно заряженным ионам водорода (протонам) перемещаться между двумя сторонами топливного элемента. Топливо и окислитель непрерывно подводятся к электродам — аноду и катоду, а инертные компоненты и остатки окислителя, а также продукты окисления непрерывно отводятся от них. При работе ТЭ электролит и электроды не расходуются и не претерпевают каких-либо изменений, а химическая энергия топлива непосредственно превращается в электроэнергию. В ТЭ, используются чистый водород и кислород, поэтому на аноде происходит разложение водорода и его ионизация. Из молекулы водорода образуются два иона водорода и два электрона. На катоде водород соединяется с кислородом, и возникает вода. Фактически в этом и состоит главное экологическое преимущество: в атмосферу выбрасывается водяной пар вместо огромного количества углекислого газа, образующегося при работе традиционных тепловых электростанций.

Как и любой другой источник электроэнергии, ТЭ, характеризуется напряжением, мощностью и сроком службы. Из-за омического сопротивления электродов и электролита и поляризации электродов напряжение ТЭ оказывается ниже рассчитанной ЭДС. Поляризация электродов связанна с замедленностью протекания процессов на межфазной границе и возрастает с увеличением плотности тока, согласно уравнению:

где j– плотность тока (А/см 2 ), I – сила тока (А), S – площадь поверхности электрода (см 2 ). Существуют различные типы ТЭ, в зависимости от области их применения и материалов из которых они изготовлены. Ниже рассмотрим их подробнее.

Существуют различные типы ТЭ, в зависимости от области их применения и материалов из которых они изготовлены. Ниже рассмотрим их подробнее.

I. ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ: КАКОГО ТИПА ОН МОЖЕТ БЫТЬ?

На схеме представлена классификация типов ТЭ в зависимости от электролита:

Основные типы топливных элементов: ТОТЭ – твердооксидный ТЭ; КРТЭ – расплавкарбонатный ТЭ; ТПТЭ – ТЭ с протонпроводящей полимерной мембраной; ФКТЭ – фосфорнокислый ТЭ; ЩТЭ – щелочной ТЭ

Важной характеристикой разных типов ТЭ является рабочая температура. Часто именно температура определяет область применения ТЭ. Например, высокая температура критична для ноутбуков и портативных устройств, поэтому для этого разрабатываются ТЭ с протонообменной мембраной, которые работаю при низких температурах. Однако на сегодняшний день твердополимерные ТЭ стоят дорого. Высокая цена ТПТЭ связана с дороговизной материалов, а также из-за высокой стоимости топлива – водорода.

Рассмотрим более подробно различные типы ТЭ и принципы их действия.

Щелочной топливный элемент (ЩТЭ)

Проводником для ионов ЩТЭ является раствор гидроксида калия (KOH), который имеет высокую электропроводимость. В таких ТЭ используется недорогостоящий катализатор, и они имеют высокую эффективность. В зависимости от содержания щелочи такой ТЭ может функционировать в диапазоне температур от 65°С. Катализатором могут служить благородные металлы, никель и сложные оксиды.

Щелочной топливный элемент. Схема работы

Фосфорнокислые топливные элементы (ФКТЭ)

В ТЭ на основе ФКТЭ в роли электролита выступает раствор фосфорной кислоты (H₃PO₄). Электродом является бумага, которая покрыта углеродом, по которой рассеян платиновый катализатор. ТЭ работает при температуре 150- 200°С.

Топливный элемент на основе ортофосфорной кислоты. Схема работы

Недостатком являются высокие температуры работы ТЭ и КПД всего 55 %, однако если использовать пар образующийся во время работы, то можно достигать КПД до 80%.

Расплавкарбонатные топливные элементы (РКТЭ)

В ТЭ на основе РКТЭ электролитом является расплав смеси карбонатов щелочных металлов в керамической матрице. ТЭ этого типа работают при температурах 600-700°С. Высокая температура позволяет использовать топливо в РКТЭ напрямую без какой-либо дополнительной его подготовки, а никель в качестве катализатора. Достоинством является: отсутствие платины (катализатором может использоваться никель), КПД примерно 65%, в роли топлива выступает водород, природный газ, иногда дизельное топливо.

Топливный элемент с расплавленным карбонатным электролитом. Схема работы

Недостатком является: небольшой срок службы, который ведет за собой высокие расходы, и высокую стоимость. Для запуска КРТЭ требуется значительно времени из-за этого не получается оперативно регулировать выходную мощность, поэтому в основном они применяются для крупных стационарных источников тепловой и электрической энергии.

Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ)

В ТЭ на основе ТОТЭ электролитом является плотная керамическая мембрана, сделанная из оксида циркония и оксида кальция, но иногда используются и другие оксиды. Внешне эти элементы выглядят как трубки или плоские платы, что позволяет при их изготовлении использовать технологии, широко применяемые в электронной промышленности. ТЭ этого типа работают в диапазоне высоких температур от 600 до 1000°C. Из-за высоких температур в ТОТЭ используется неочищенное топливо, и так же, как и в РКТЭ применяется для производства тепловой и электрической энергии.

Твердооскильный топливный элемент. Схема работы

Среди разнообразных типов ТЭ наиболее перспективными на наш взгляд для энергообеспечения разнообразных малогабаритных устройств являются ТЭ с протонообменной полимерной мембраной.

Топливный элемент с протонообменной мембраной (ТПТЭ)

ТПТЭ использует твердотельный полимерный электролит, названный протонообменной мембраной (PEM). Иногда в литературе говорят, твердотельный ТЭ. Через протонообменную мембрану могут перемещаться протоны, но через нее не проходят электроны, в результате чего между катодом и анодом возникает разность потенциалов. На анод ТПТЭ поступает топливо – водород (восстановитель). На катод поступает кислород или воздух (окислитель).

При работе ТПТЭ происходят следующие реакции:
на аноде: 2H₂→4H + + 4e –
на катоде: O₂ + 4H + + 4e →2H₂O
Суммарная реакция: 2H₂ + O₂→2H₂O

Рассмотрим принцип действия этого ТЭ. Полимерная мембрана, используемая в качестве электролита, помещена между анодом и катодом. Электроды обеспечивают контакт газа и электролита; перенос заряда происходит на границе трех фаз: электрода, газа и электролита. Электрон переходит с водорода на частицу углерода, а молекула водорода распадается на протоны согласно реакции:

Далее электроны движутся с одной частицы углерода на другую, на токосборник и во внешнюю цепь, а далее на катод, где происходит реакция образования воды за счет реакции:

Протоны движутся через электролит на катодную сторону. Устройство ТПТЭ показано на рисунке ниже.

Поперечное сечение небольшого фрагмента ТПТЭ. Покрытая катализатором мембрана зажата между двумя газодиффузионными слоями (Toray TGP-H-060), которые в свою очередь удерживаются двумя плоскими пластинами, содержащими каналы потока. Ширина островков составляет примерно 1.5 мм.

Фторуглеродная основа полимера Согласно этой структуре можно сказать, что электролит является двухфазным. Основа полимера (гидрофобная фаза) состоит из фторуглеродных и эфирных цепей, расположенных в пространстве таким образом, что функциональные сульфогруппы группируются внутри сферических полостей диаметром порядка 4 нм. Система связанных узкими каналами полостей (1 нм), содержащих гидратированные катионы, представляет собой вторую, гидрофильную фазу мембраны.

Недостатком является то, что мембрана работает в узком интервале температур от 60 до 90°С, при температуре выше 140°С начинается ее деструкция. Также к недостаткам можно отнести высокую рыночную стоимость материала в силу ее монопольного производства фирмой DuPont.

МАТЕРИАЛЫ И ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ГДС ТПТЭ

Одним из компонентов твердополимерных топливных элементов (ТПТЭ) являются биполярные пластины с каналами на каждой из сторон, предназначенными для распределения реагентов по поверхности электрода. На рис.10 показан поперечный разрез малого участка такого ТПТЭ [6]. В центре ТПТЭ находится мембрана, покрытая с каждой стороны слоем катализатора, имеются два диффузионных слоя (ГДС) толщиной примерно 200 мкм, изготовленных из углеродного материала и охватывающих мембрану сверху и снизу. Эти слои прилегают к двум секциям биполярных пластин, анода и катода. Каналы охлаждения соседствуют с воздушными каналами в катодной пластине. Область между каналами подачи реагентов состоит из островков, или, как их еще называют, ребер. Следовательно, около половины поверхности электрода приведено в контакт с островками, и около половины – с каналами. Роль диффузионного слоя заключается в том, чтобы с наименьшими потерями напряжения перенести потоки реагентов из области каналов и островков в область, насыщенную катализатором. Хотя основной ток идет через ту часть ГДС, которая соприкасается с островками, эффективная ГДС должна обеспечить однородное распределение тока в каталитическом слое.

Газодиффузионный слой (ГДС) (Gas Diffusion Layer (GDL)) необходим для осуществления токосъема, подвода исходных реагентов и отвода продуктов реакции. ГДС обычно изготавливают из углеродной бумаги или углеродной ткани, которые представляют собой пористые структуры. Благодаря наличию пор газообразные реагенты беспрепятственно проникают к каталитическому слою. Также поры служат для отвода продуктов реакции (воды) из катодной области. Поскольку углерод является электронным проводником, ГДС служит одновременно и токовыми коллекторами.

Рассмотрим подробнее, ГДС имеет несколько характерных функций:
· Обеспечение проницаемости реагентов – газы должны поступать из каналов в каталитические слои, включая прохождение газов внутри диффузионного слоя в области возле островков;
· Обеспечение проницаемости продуктов реакции: должно осуществляться удаление образовавшейся воды из каталитического слоя в каналы, включая внутрислоевую проницаемость для отвода воды из областей возле островков;
· Обеспечение электронной проводимости: прохождение электронов от биполярных пластин в каталитические слои, включая внутрислоевую проводимость в области возле каналов;
· Обеспечение теплопроводности: эффективный отвод тепла от МЭБ к биполярным пластинам, в которых есть каналы для охлаждения
· Обеспечение механической прочности: механическая фиксация МЭБ при возникновении перепада давлений между газовыми каналами анода и катода, обеспечение при этом хорошего контакта (теплового и электрического) с каталитическим слоем, препятствование сжатию каналов, приводящему к блокировке потоков и большим перепадам давления в каналах.

Вышеописанные функции определяют требования к физическим свойствам ГДС. Внутрислоевые проводимость и проницаемость более важны по сравнению с междуслоевыми из-за аспектного соотношения ширин каналов и островков и толщины слоя. Более подробно это будет рассмотрено ниже, при описании требований к проводимости ГДС. Кроме оптимизации объемных свойств слоя, которые могут сильно зависеть от сжатия, следует уделить внимание повышению значений теплои электропроводности через поверхности раздела ГДС/биполярная пластина и ГДС/каталитический слой. Эти значения также сильно зависят от сжатия. Таким образом, ГДС, материалы смежных компонентов МЭБ и давление сжатия не должны рассматриваться независимо друг от друга.

Физика распределения потоков и задачи управления этим распределением также влияют на требования к ГДС. В случае развитых ГДС конвективная проницаемость слоя должна быть достаточно высокой, чтобы прохождение газов не вызывало значительных перепадов давлений. Даже в случае более традиционных исполнений в виде змеевика, конвективный перенос через ГДС за счет перепада давления в прилегающих каналах должен быть оптимизирован. Также существуют такие конструкции ТПТЭ, в которых каналы не используются для распределения потока, например в случае использования сетчатых структур. В таких конструкциях требования к ГДС претерпевают значительные изменения по сравнению с традиционными. В этой работе рассматриваются ГДС, используемых в ТПТЭ традиционного типа, где система каналов используется для распределения потоков.

Физика распределения потоков и задачи управления этим распределением также влияют на требования к ГДС.

В случае развитых ГДС [7] конвективная проницаемость слоя должна быть достаточно высокой, чтобы прохождение газов не вызывало значительных перепадов давлений. Даже в случае более традиционных исполнений в виде змеевика [8], конвективный перенос через ГДС за счет перепада давления в прилегающих каналах должен быть оптимизирован. Также следует заметить, что существуют такие конструкции ТПТЭ, в которых каналы не используются для распределения потока, например в случае использования сетчатых структур [9,10]. В таких конструкциях требования к ГДС претерпевают значительные изменения по сравнению с традиционными. В этой главе мы ограничимся рассмотрением ГДС, используемых в ТПТЭ традиционного типа, где система каналов используется для распределения потоков.

Наибольшие перспективы сулит применение в качестве ГДС в ТПТЭ продуктов из углеродного волокна, таких как неплетенные ткани из-за их высокой пористости (>=70%) и хорошей электропроводности. Они и раньше применялись в коммерчески доступных продуктах, а теперь исследуются как потенциальный материал для ГДС в ТПТЭ. Графитовая бумага на основе графитизированных углеродных волокон использовалась для изготовления газодиффузионных электродов в ТПТЭ, углеродное волокно – в элементах, функционирование которых связано с повышенным трением (автомобильных трансмиссиях и тормозах), а также при нанесении покрытий [6]. Типичные значения, характеризующие основные свойства этих материалов, представлены в таблице 1 и 2, а фотографии со сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) – на рис.11. Эти фотографии показывают, что углеволоконная бумага удерживается как единое целое вследствие обработки связующим агентом (карбонизированная термостойкая смола), в то время как ткань не требует связующего агента в силу своей специфической (переплетенной) структуры. Ниже будут описаны сырье и материалы для производства этих и некоторых других потенциальных ГДС на базе углеродного волокна.

Подписывайтесь на нашу рассылку, чтобы ничего не пропустить:

Над статьей работали:
Авторы: Василенко А.А. (НИУ МЭИ)
Редактор: Тарасенко А.Б. (ОИВТ РАН)
Эксперт: Киселева С.В. (ОИВТ РАН)
Публикация: Овчинников К.А.

Источники изображений

Изображения сделаны командой журнала ”Стройка Века”, использование в любых целях разрешено при наличии активной ссылки на публикацию.

Читайте также: