Вы, наверное, слышали о топливных элементах. . В 2003 году президент Буш объявил о программе под названием Инициатива по водородному топливу (HFI). во время своего Послания о положении в стране. Эта инициатива, поддержанная Законом об энергетической политике 2005 г. (EPACT 2005) и Инициативой по передовой энергетике 2006 г., направлена на разработку водородных, топливных элементов и инфраструктурных технологий, чтобы к 2020 году сделать автомобили на топливных элементах практичными и экономически эффективными. Соединенные Штаты уже выделили более одного миллиарда долларов на исследования и разработки топливных элементов.
Так что же такое топливный элемент? Почему правительства, частные предприятия и академические учреждения сотрудничают в их разработке и производстве? Топливные элементы вырабатывают электроэнергию тихо и эффективно, не загрязняя окружающую среду. В отличие от источников энергии, использующих ископаемое топливо, побочными продуктами работы топливного элемента являются тепло и вода. Но как это сделать?
В этой статье мы кратко рассмотрим каждую из существующих или новых технологий топливных элементов. Мы подробно расскажем, как топливные элементы с мембраной из полимерного электролита (ПЕМФЦ ) поработайте и изучите, как топливные элементы сравниваются с другими формами производства энергии. Мы также рассмотрим некоторые препятствия, с которыми сталкиваются исследователи, пытаясь сделать топливные элементы практичными и доступными для нашего использования, и обсудим потенциальные области применения топливных элементов.
Если вы хотите быть техническим, топливный элемент — это устройство электрохимического преобразования энергии. . Топливный элемент преобразует химические вещества водород и кислород в воду и в процессе вырабатывает электричество.
Другое электрохимическое устройство, с которым мы все знакомы, — это батарея. Внутри батареи хранятся все химические вещества, и она также преобразует эти химические вещества в электричество. Это означает, что батарея в конечном итоге «разряжается», и вы либо выбрасываете ее, либо перезаряжаете.
В топливном элементе химические вещества постоянно поступают в элемент, поэтому он никогда не выходит из строя — пока в элемент поступает поток химических веществ, электричество выходит из элемента. В большинстве используемых сегодня топливных элементов в качестве химических веществ используется водород и кислород.
В следующем разделе мы рассмотрим различные типы топливных элементов.
Содержание
Топливный элемент будет конкурировать со многими другими устройствами преобразования энергии, включая газовую турбину на электростанции вашего города, бензиновый двигатель в вашем автомобиле и аккумулятор в вашем ноутбуке. Двигатели внутреннего сгорания, такие как турбина и бензиновый двигатель, сжигают топливо и используют давление, создаваемое расширением газов, для выполнения механической работы. Батареи преобразуют химическую энергию обратно в электрическую, когда это необходимо. Топливные элементы должны более эффективно выполнять обе задачи.
Топливный элемент обеспечивает напряжение постоянного тока (постоянного тока), которое можно использовать для питания двигателей, освещения или любого количества электроприборов.
Существует несколько различных типов топливных элементов, каждый из которых использует свой химический состав. Топливные элементы обычно классифицируют по рабочей температуре и типу электролита. они используют. Некоторые типы топливных элементов хорошо подходят для использования на стационарных электростанциях. Другие могут быть полезны для небольших портативных приложений или для питания автомобилей. Основные типы топливных элементов включают:
Министерство энергетики (DOE) сосредоточило внимание на PEMFC как на наиболее вероятном кандидате для транспортных приложений. PEMFC имеет высокую удельную мощность и относительно низкую рабочую температуру (от 60 до 80 градусов по Цельсию или от 140 до 176 градусов по Фаренгейту). Низкая рабочая температура означает, что топливному элементу не нужно много времени, чтобы прогреться и начать вырабатывать электричество. Мы более подробно рассмотрим PEMFC в следующем разделе.
Эти топливные элементы лучше всего подходят для крупных стационарных генераторов электроэнергии, которые могли бы обеспечивать электроэнергией фабрики или города. Этот тип топливных элементов работает при очень высоких температурах (от 700 до 1000 градусов по Цельсию). Эта высокая температура делает надежность проблемой, потому что части топливного элемента могут выйти из строя после многократного включения и выключения. Однако твердооксидные топливные элементы очень стабильны при непрерывном использовании. Фактически ТОТЭ продемонстрировал самый длительный срок службы среди всех топливных элементов при определенных условиях эксплуатации. Высокая температура также имеет преимущество:пар, производимый топливным элементом, можно направить в турбины для выработки большего количества электроэнергии. Этот процесс называется когенерация тепла и электроэнергии (ТЭЦ). и повышает общую эффективность системы.
Это одна из старейших конструкций топливных элементов; космическая программа Соединенных Штатов использовала их с 1960-х годов. AFC очень чувствителен к загрязнению, поэтому для него требуются чистый водород и кислород. Кроме того, он очень дорог, поэтому вряд ли этот тип топливных элементов будет коммерциализирован.
Как и ТОТЭ, эти топливные элементы также лучше всего подходят для крупных стационарных генераторов электроэнергии. Они работают при температуре 600 градусов по Цельсию, поэтому они могут генерировать пар, который можно использовать для получения большей мощности. У них более низкая рабочая температура, чем у твердооксидных топливных элементов, а значит, им не нужны такие экзотические материалы. Это делает дизайн немного менее дорогим.
Фосфорнокислотный топливный элемент имеет потенциал для использования в небольших стационарных энергетических системах. Он работает при более высокой температуре, чем топливные элементы с полимерно-обменной мембраной, поэтому имеет более длительное время прогрева. Это делает его непригодным для использования в автомобилях.
Топливные элементы на метаноле сравнимы с PEMFC по рабочей температуре, но не так эффективны. Кроме того, DMFC требует относительно большого количества платины для работы в качестве катализатора, что делает эти топливные элементы дорогими.
В следующем разделе мы более подробно рассмотрим тип топливного элемента, который Министерство энергетики планирует использовать для питания транспортных средств будущего — PEMFC. .
Изобретение топливного элементаСэр Уильям Гроув изобрел первый топливный элемент в 1839 году. Гроув знал, что воду можно расщепить на водород и кислород, пропуская через нее электрический ток (процесс, называемый электролизом). ). Он предположил, что, обратив процедуру вспять, можно производить электричество и воду. Он создал примитивный топливный элемент и назвал его газовольтовой батареей. . Поэкспериментировав со своим новым изобретением, Гроув подтвердил свою гипотезу. Пятьдесят лет спустя ученые Людвиг Монд и Чарльз Лангер ввели термин топливный элемент. при попытке построить практическую модель для производства электроэнергии.
Топливный элемент с полимерообменной мембраной (PEMFC) является одной из самых перспективных технологий топливных элементов. Этот тип топливных элементов, вероятно, в конечном итоге будет питать автомобили, автобусы и, возможно, даже ваш дом. PEMFC использует одну из самых простых реакций любого топливного элемента. Во-первых, давайте посмотрим, что находится в топливном элементе PEM:
На Рис. 1 вы можете видеть, что есть четыре основных элемента PEMFC:
Изображение газообразного водорода под давлением (H2 ), попадая в топливный элемент со стороны анода. Этот газ проталкивается через катализатор под давлением. Когда H2 молекула платины вступает в контакт с платиной на катализаторе, она распадается на два H + ионы и два электрона (e - ). Электроны проходят через анод, где они проходят через внешнюю цепь (выполняя полезную работу, такую как вращение двигателя) и возвращаются к катодной стороне топливного элемента.
Между тем, на катодной стороне топливного элемента газообразный кислород (O2 ) проталкивается через катализатор, где образует два атома кислорода. Каждый из этих атомов имеет сильный отрицательный заряд. Этот отрицательный заряд притягивает два H + ионов через мембрану, где они объединяются с атомом кислорода и двумя электронами из внешней цепи, образуя молекулу воды (H2 О).
Эта реакция в одном топливном элементе дает только около 0,7 вольта. Чтобы довести это напряжение до приемлемого уровня, необходимо объединить множество отдельных топливных элементов в стек топливных элементов. . Биполярные пластины используются для соединения одного топливного элемента с другим и подвергаются как окислению и сокращение Условия и возможности. Большой проблемой биполярных пластин является стабильность. Металлические биполярные пластины могут подвергаться коррозии, а побочные продукты коррозии (ионы железа и хрома) могут снижать эффективность мембран и электродов топливных элементов. В низкотемпературных топливных элементах используются легкие металлы , графит и углеродные/термореактивные композиты (термопласт — это вид пластика, который остается жестким даже при воздействии высоких температур) в качестве материала для биполярных пластин.
В следующем разделе мы увидим, насколько эффективными могут быть автомобили на топливных элементах.
Химия топливного элементаАнодная сторона :2H₂ → 4H⁺ + 4e⁻
Сторона катода :O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O
Чистая реакция :2H₂ + O₂ → 2H₂O
Подробнее>
Снижение загрязнения окружающей среды является одной из основных целей топливных элементов. Сравнивая автомобиль на топливных элементах с автомобилем с бензиновым двигателем и автомобилем с аккумуляторным питанием, вы можете увидеть, как топливные элементы могут повысить эффективность современных автомобилей.
Поскольку все три типа автомобилей имеют много одинаковых компонентов (шины, трансмиссии и т. д.), мы проигнорируем эту часть автомобиля и сравним эффективность до точки, где генерируется механическая энергия. Начнем с автомобиля на топливных элементах. (Все эти показатели эффективности являются приблизительными, но они должны быть достаточно близкими, чтобы можно было провести приблизительное сравнение.)
Если топливный элемент работает на чистом водороде, его эффективность может достигать 80 процентов. То есть он преобразует 80 процентов энергии, содержащейся в водороде, в электрическую энергию. Однако нам еще нужно преобразовать электрическую энергию в механическую работу. Это достигается за счет электродвигателя и инвертора. Разумное число для эффективности двигателя/инвертора составляет около 80 процентов. Таким образом, у нас есть 80-процентная эффективность производства электроэнергии и 80-процентная эффективность преобразования ее в механическую энергию. Это дает общую эффективность около 64%. . Сообщается, что концептуальный автомобиль Honda FCX имеет 60-процентную энергоэффективность.
Если источником топлива не является чистый водород, то транспортному средству также потребуется реформатор. Реформер превращает углеводородное или спиртовое топливо в водород. Они выделяют тепло и производят другие газы, помимо водорода. Они используют различные устройства, чтобы попытаться очистить водород, но даже в этом случае водород, который выходит из них, не является чистым, и это снижает эффективность топливного элемента. Поскольку риформеры влияют на эффективность топливных элементов, исследования Министерства энергетики решили сосредоточиться на транспортных средствах на чисто водородных топливных элементах, несмотря на проблемы, связанные с производством и хранением водорода.
Далее мы узнаем об эффективности автомобилей с бензиновым двигателем и аккумулятором.
ВодородВодород – самый распространенный элемент во Вселенной. Однако водород в природе не существует на Земле в его элементарной форме. Инженеры и ученые должны производить чистый водород из водородных соединений, включая ископаемое топливо или воду. Чтобы извлечь водород из этих соединений, вы должны приложить энергию. Требуемая энергия может поступать в виде тепла, электричества или даже света.
Эффективность автомобиля с бензиновым двигателем удивительно низка. Все тепло, которое выходит в виде выхлопных газов или поступает в радиатор, является потраченной впустую энергией. Двигатель также потребляет много энергии, вращая различные насосы, вентиляторы и генераторы, поддерживающие его работу. Таким образом, общий КПД автомобильного газового двигателя составляет около 20 процентов. . То есть только около 20 процентов тепловой энергии, содержащейся в бензине, преобразуется в механическую работу.
Электромобиль на аккумуляторе имеет довольно высокий КПД. Эффективность батареи составляет около 90 процентов (большинство батарей выделяют некоторое количество тепла или требуют нагрева), а эффективность электродвигателя/инвертора составляет около 80 процентов. Это дает общую эффективность около 72 процентов. .
Но это еще не все. Электричество, используемое для питания автомобиля, должно было где-то генерироваться. Если оно было произведено на электростанции, которая использовала процесс сжигания (а не атомную, гидроэлектрическую, солнечную или ветровую), то только около 40 процентов топлива, необходимого электростанции, было преобразовано в электричество. Процесс зарядки автомобиля требует преобразования мощности переменного тока (AC) в мощность постоянного тока (DC). Этот процесс имеет эффективность около 90 процентов.
Итак, если мы посмотрим на весь цикл, КПД электромобиля составляет 72 процента для автомобиля, 40 процентов для силовой установки и 90 процентов для зарядки автомобиля. Это дает общую эффективность 26 процентов. . Общий КПД значительно варьируется в зависимости от того, какая силовая установка используется. Если электроэнергия для автомобиля вырабатывается, например, гидроэлектростанцией, то она в основном бесплатна (мы не сжигали топливо для ее выработки), а КПД электромобиля составляет около 65 процентов .
Ученые исследуют и совершенствуют конструкции, чтобы продолжать повышать эффективность топливных элементов. Один из подходов заключается в объединении транспортных средств на топливных элементах и батареях. Ford Motors и Airstream разрабатывают концептуальный автомобиль с гибридной трансмиссией на топливных элементах под названием HySeries Drive. . Ford claims the vehicle has a fuel economy comparable to 41 miles per gallon. The vehicle uses a lithium battery to power the car, while the fuel cell recharges the battery.
Fuel-cell vehicles are potentially as efficient as a battery-powered car that relies on a non-fuel-burning power plant. But reaching that potential in a practical and affordable way might be difficult. In the next section, we will examine some of the challenges of making a fuel-cell energy system a reality.
Golden CatalystsNanoscale science may provide fuel cell developers with some much sought after answers. For example, gold is usually an unreactive metal. However, when reduced to nanometer size, gold particles can be as effective a catalyst as platinum.
Fuel cells might be the answer to our power problems, but first scientists will have to sort out a few major issues:
Chief among the problems associated with fuel cells is how expensive they are. Many of the component pieces of a fuel cell are costly. For PEMFC systems, proton exchange membranes, precious metal catalysts (usually platinum), gas diffusion layers, and bipolar plates make up 70 percent of a system's cost [Source:Basic Research Needs for a Hydrogen Economy]. In order to be competitively priced (compared to gasoline-powered vehicles), fuel cell systems must cost $35 per kilowatt. Currently, the projected high-volume production price is $73 per kilowatt [Source:Garland]. In particular, researchers must either decrease the amount of platinum needed to act as a catalyst or find an alternative.
Researchers must develop PEMFC membranes that are durable and can operate at temperatures greater than 100 degrees Celsius and still function at sub-zero ambient temperatures. A 100 degrees Celsius temperature target is required in order for a fuel cell to have a higher tolerance to impurities in fuel. Because you start and stop a car relatively frequently, it is important for the membrane to remain stable under cycling conditions. Currently membranes tend to degrade while fuel cells cycle on and off, particularly as operating temperatures rise.
Because PEMFC membranes must by hydrated in order to transfer hydrogen protons, researches must find a way to develop fuel cell systems that can continue to operate in sub-zero temperatures, low humidity environments and high operating temperatures. At around 80 degrees Celsius, hydration is lost without a high-pressure hydration system.
The SOFC has a related problem with durability. Solid oxide systems have issues with material corrosion. Seal integrity is also a major concern. The cost goal for SOFC?s is less restrictive than for PEMFC systems at $400 per kilowatt, but there are no obvious means of achieving that goal due to high material costs. SOFC durability suffers after the cell repeatedly heats up to operating temperature and then cools down to room temperature.
The Department of Energy?s Technical Plan for Fuel Cells states that the air compressor technologies currently available are not suitable for vehicle use, which makes designing a hydrogen fuel delivery system problematic.
In order for PEMFC vehicles to become a viable alternative for consumers, there must be a hydrogen generation and delivery infrastructure. This infrastructure might include pipelines, truck transport, fueling stations and hydrogen generation plants. The DOE hopes that development of a marketable vehicle model will drive the development of an infrastructure to support it.
Three hundred miles is a conventional driving range (the distance you can drive in a car with a full tank of gas). In order to create a comparable result with a fuel cell vehicle, researchers must overcome hydrogen storage considerations, vehicle weight and volume, cost, and safety.
While PEMFC systems have become lighter and smaller as improvements are made, they still are too large and heavy for use in standard vehicles.
There are also safety concerns related to fuel cell use. Legislators will have to create new processes for first responders to follow when they must handle an incident involving a fuel cell vehicle or generator. Engineers will have to design safe, reliable hydrogen delivery systems.
Researchers face considerable challenges. In the next section, we will explore why the United States and other nations are investing in research to overcome these obstacles.
Aromatic-based MembranesAn alternative to current perfluorosulfonic acid membranes are aromatic-based membranes. Aromatic in this case does not refer to the pleasing scent of the membrane -- it actually refers to aromatic rings like benzene, pyridine or indole. These membranes are more stable at higher temperatures, but still require hydration. What?s more, aromatic-based membranes swell when they lose hydration, which can affect the fuel cell's efficiency.
Why is the U.S. government working with universities, public organizations and private companies to overcome all the challenges of making fuel cells a practical source for energy? More than a billion dollars has been spent on research and development on fuel cells. A hydrogen infrastructure will cost considerably more to construct and maintain (some estimates top 500 billion dollars). Why does the president think fuel cells are worth the investment?
The main reasons have everything to do with oil. America must import 55 percent of its oil. By 2025 this is expected to grow to 68 percent. Two thirds of the oil Americans use every day is for transportation. Even if every vehicle on the street were a hybrid car, by 2025 we would still need to use the same amount of oil then as we do right now [Source:Fuel Cells 2000]. In fact, America consumes one quarter of all the oil produced in the world, though only 4.6 percent of the world population lives here [Source:National Security Consequences of U.S. Oil Dependency].
Experts expect oil prices to continue to rise over the next few decades as more low-cost sources are depleted. Oil companies will have to look in increasingly challenging environments for oil deposits, which will drive oil prices higher.
Concerns extend far beyond economic security. The Council on Foreign Relations released a report in 2006 titled "National Security Consequences of U.S. Oil Dependency." A task force detailed numerous concerns about how America's growing reliance on oil compromises the safety of the nation. Much of the report focused on the political relationships between nations that demand oil and the nations that supply it. Many of these oil rich nations are in areas filled with political instability or hostility. Other nations violate human rights or even support policies like genocide. It is in the best interests of the United States and the world to look into alternatives to oil in order to avoid funding such policies.
Using oil and other fossil fuels for energy produces pollution. Pollution issues have been in the news a lot recently -- from the film "An Inconvenient Truth" to the announcement that climate change and global warming would factor into future adjustments of the Doomsday Clock. It is in the best interest for everyone find an alternative to burning fossil fuels for energy.
Fuel cell technologies are an attractive alternative to oil dependency. Fuel cells give off no pollution, and in fact produce pure water as a byproduct. Though engineers are concentrating on producing hydrogen from sources such as natural gas for the short-term, the Hydrogen Initiative has plans to look into renewable, environmentally-friendly ways of producing hydrogen in the future. Because you can produce hydrogen from water, the United States could increasingly rely on domestic sources for energy production.
Other countries are also exploring fuel-cell applications. Oil dependency and global warming are international problems. Several countries are partnering to advance research and development efforts in fuel cell technologies. One partnership is The International Partnership for the Hydrogen Economy.
Clearly scientists and manufacturers have a lot of work to do before fuel cells become a practical alternative to current energy production methods. Still, with worldwide support and cooperation, the goal to have a viable fuel cell-based energy system may be a reality in a couple of decades.
A Fuel Cell That Runs on WasteEnvironmental engineers at Pennsylvania State University developed a fuel cell that runs on wastewater. The cell uses microbes to break down organic matter. The matter in turn releases hydrogen and electrons. The fuel cell can break down approximately 80 percent of the organic matter in wastewater, and like PEMFCs the output is heat and pure water. The energy generated by the fuel cell could help power a water treatment plant pump system.
International Partnership for the Hydrogen Economy
AutoFuel EconomyHow Alternative Fuel Pricing WorksAutoAlternative FuelsAlternative FuelAutoAlternative Fuels10 Alternative Fuel Ideas That Never Made It Out of the LabAutoHybrid TechnologyWhat are the most difficult standards to meet for an alternative fuel car?AutoHybrid TechnologyHow Alternative Fuel Filling Stations WorkAutoHybrid TechnologyWhat is the world's cheapest alternative fuel car?AutoBiofuelsIs algae biofuel a viable alternative to oil?AutoBiofuelsAre oil companies promoting alternative energy?AutoHybrid TechnologyTop 10 Alternative Fuels on the Road Right NowAutoBiofuelsIs biofuel a reasonable (and safe) jet fuel alternative?AutoAlternative FuelsAlternative Fuel Vehicle PicturesAutoAlternative FuelsNatural Gas Vehicles:A Clean AlternativeAutoAlternative FuelsHow Fuel Cells WorkAutoAlternative FuelsHow Biodiesel WorksAutoAlternative FuelsIs ethanol really more eco-friendly than gas?AutoAlternative FuelsHow Much Corn for EthanolAutoAlternative FuelsCould salt water fuel cars?AutoAlternative FuelsHow Natural-gas Vehicles WorkAutoAlternative FuelsE85 Ethanol Flex Fuel OverviewAutoAlternative FuelsCan ethanol damage your engine?AutoAlternative FuelsWhat is top fuel and how is it different from gasoline?AutoAlternative FuelsCan a car run on nuclear power? ScienceEnergy ProductionWhat's the cheapest new energy alternative?ScienceGreen ScienceWhat is the cheapest new alternative energy?ScienceGreen Science10 Wacky Forms of Alternative EnergyScienceGreen ScienceWill alternative fuels deplete global corn supplies?
Как работают системы управления подачей топлива
Как добиться максимальной экономии топлива
Как работают автомобили на топливных элементах?
Как работают карбюраторы с регулируемым жиклером
Как работают карбюраторы?