Каков принцип работы топливных элементов и водородных транспортных средств?

Так называемый водородный источник энергии не означает, что на Земле имеется большое количество водорода, который можно «использовать» в качестве источника энергии. Вместо этого вода может разлагаться под действием света с образованием водорода вместо нефти и электричества.

Водород как источник энергии имеет много преимуществ. Водород можно получить путем фотолиза, а запасы воды велики и относительно малы. После сжигания образуется водородное топливо, которое является безвредным и очень чистым источником энергии. Водород меньше, чем потери мощности при хранении и транспортировке, а теплота сгорания водорода высока. Тепло, выделяемое при сжигании 1 кг водорода, эквивалентно теплоте сгорания 3 кг бензина или 4,5 кг кокса. Однако в приложениях хранение и транспортировка водорода и использование солнечной энергии для разложения воды с получением водорода были узким местом, ограничивающим развитие водородной энергетики.

Поговорим о топливных элементах. Это устройство преобразования энергии, которое напрямую преобразует химическую энергию топлива в электрическую. Снаружи есть положительные и отрицательные электроды и электролиты, как у батареи, но по сути это не «хранилище электричества», а небольшая «электростанция». Есть много типов топливных элементов. После многих лет исследований наиболее многообещающим для автомобилей стал топливный элемент с протонообменной мембраной. Его принцип работы: отправляя водород к отрицательному электроду, под действием катализатора (платины) два электрона в атоме водорода разделяются. Эти два электрона генерируют ток через внешнюю цепь под действием положительного электрода. Ионы водорода (протоны), которые теряют электроны, могут проходить через протонообменную мембрану (твердый электролит), рекомбинируя с атомами кислорода и электронами в воду на положительном электроде. Поскольку кислород может быть получен из воздуха, до тех пор, пока водород непрерывно подается на отрицательный электрод, а вода (пар) отводится вовремя, топливный элемент может непрерывно подавать электрическую энергию.

В настоящее время водородная энергия используется в основном в водородных топливных элементах. Отличительной особенностью электромобиля является то, что он не имеет громоздкой аккумуляторной батареи и того, что пробег не позволяет проехать автомобилю. Таким образом, можно сказать, что водородные топливные элементы являются отличной движущей силой. Автомобиль, работающий на такой энергии, называется автомобилем с водородным двигателем, не загрязняющим окружающую среду.

Топливный элемент - это устройство для выработки энергии, которое напрямую преобразует химическую энергию топлива и электролита в электрическую энергию. Это также четвертое устройство для выработки электроэнергии после тепловой, гидроэнергетики и атомной энергетики. Это высокотехнологичное направление развития, которое сегодня высоко ценится в развитых странах.

Водородно-кислородный топливный элемент использует водород в качестве топлива в качестве восстановителя и кислород в качестве окислителя.

Водородно-кислородный топливный элемент

Батарея, которая преобразует химическую энергию в электрическую в результате реакции сгорания топлива, работает так же, как первичная батарея.

Когда работает кислородно-водородный топливный элемент, водород подается на водородный электрод, а кислород подается на кислородный электрод. Водород и кислород образуют воду через электролит под действием катализатора на электроде. В это время на водородном электроде есть избыточные электроны, которые заряжены отрицательно, а кислородный электрод заряжен положительно из-за недостатка электронов. Этот процесс, аналогичный горению, может продолжаться непрерывно после включения контура.

Во время работы на отрицательный электрод подается топливо (водород), а на положительный электрод - окислитель (кислород). Под действием катализатора на отрицательный электрод водород разлагается на положительные ионы H + и электроны e-. Ионы водорода попадают в электролит, а электроны движутся по внешней цепи к положительному электроду. Электрическая нагрузка подключена к внешней цепи. На положительном электроде кислород и ионы водорода в электролите поглощают электроны, достигающие положительного электрода, с образованием воды. Это обратная электролитической реакции воды.

Для кислородно-водородного топливного элемента не требуется устройство, в котором хранится весь восстановитель и окислитель в батарее.

Реагенты кислородно-водородного топливного элемента находятся вне батареи. Это всего лишь контейнер для реакции.

И водород, и кислород могут подаваться извне батареи.

Топливный элемент - это химическая батарея, которая использует энергию, выделяемую в результате химической реакции вещества, для прямого преобразования ее в электрическую энергию. С этой точки зрения он похож на другие химические батареи, такие как сухие цинково-марганцевые батареи, свинцовые батареи и т.п. Однако для этого требуется постоянная подача реактивных материалов - топлива и окислителя - что отличается от других обычных химических батарей. Поскольку он преобразует энергию, выделяемую в результате химической реакции, в электрическую энергию, он называется топливным элементом.

В частности, топливный элемент - это «генератор», использующий обратную реакцию электролиза воды. Он состоит из положительного электрода, отрицательного электрода и электролитической пластины, зажатой между положительным и отрицательным электродами. Первоначально пластины электролита формировались путем проникновения электролита в пористые пластины, а в 2013 году они были разработаны для непосредственного использования твердых электролитов.

Во время работы топливо (водород) подается на отрицательный электрод, а окислитель (воздух, который действует как кислород) - на положительный электрод. В отрицательном электроде водород разлагается на положительные ионы H + и электроны e-. Когда ионы водорода попадают в электролит, электроны движутся по внешней цепи к положительному электроду. Электрическая нагрузка подключена к внешней цепи. На положительном электроде кислород в воздухе и ионы водорода в электролите поглощают электроны, достигающие положительного электрода, с образованием воды. Это обратная электролитической реакции воды. В этом процессе воду можно использовать повторно, а принцип выработки энергии аналогичен принципу работы солнечных элементов, которые можно использовать в ночное время.

Электродный материал топливного элемента, как правило, представляет собой инертный электрод и обладает сильной каталитической активностью, такой как платиновый электрод, электрод из активированного угля и т.п.

Благодаря этому принципу топливный элемент может непрерывно передавать электричество наружу во время работы, поэтому его также можно назвать «генератором».

В общем, написание уравнения химической реакции топливного элемента требует особого внимания к кислотности и щелочности электролита. Электродная реакция, происходящая на положительном и отрицательном электродах, не изолирована и часто тесно связана с раствором электролита. Например, водородно-кислородные топливные элементы доступны как в кислотной, так и в основной форме:

Если раствор электролита - щелочь или раствор соли

В топливных элементах используется водород в качестве топлива и кислород в качестве окислителя. Водород и кислород поступают в батарею извне по трубопроводу для электрохимической реакции и вывода электроэнергии. Теоретическая удельная энергия кислородно-водородного топливного элемента составляет 3600 ватт-часов / кг. Рабочее напряжение отдельной ячейки обычно составляет от 0,8 до 0,97 вольт. Чтобы обеспечить рабочее напряжение, необходимое для нагрузки, десятки отдельных ячеек часто соединяются последовательно, образуя аккумуляторную батарею.

Чтобы поддерживать нормальную работу батареи, необходимо непрерывно подавать водород и кислород, а продукт реакции (вода) и отходящее тепло должны вовремя устраняться. Аккумуляторная батарея состоит из следующих частей: 1 Подсистема подачи водорода и кислорода: водород и кислород, переносимые космическим кораблем, хранятся в сверхкритической жидкости, что может уменьшить объем бака и решить проблему разделения газа и жидкости в условиях невесомости. , но требует, чтобы резервуар был изолирован. Хорошие характеристики, устойчивость к низким температурам, сопротивление высокому давлению (6 МПа для кислородного баллона и от 3 до 3,5 МПа для водородного баллона). 2 Подсистема дренажа: существует два основных режима: динамический дренаж и статический дренаж. Первый направляет водород с водяным паром в охлаждающее устройство для конденсации водяного пара в воду для разделения; последний основан на пористом волокнистом тканом материале (таком как фитиль) для адсорбции конденсированной воды, что также называется фитильным дренажем. Вода, выходящая из аккумуляторной батареи, очищается для использования космонавтами или в качестве охлаждающей жидкости. Трехрядная система теплоотвода: аккумуляторная батарея циркулирует через охлаждающую жидкость (например, водный раствор гликоля), чтобы слить сточные воды в радиатор, чтобы поддерживать диапазон температур, в котором аккумуляторная батарея работает нормально. 4 Подсистема автоматического управления: включая рабочее давление аккумуляторной батареи, температуру, дренаж и выхлоп, напряжение, безопасность и контроль и регулирование циркуляции охлаждающей жидкости. Измеренные параметры передаются на дисплей кабины космонавта или отправляются обратно на землю устройством телеметрии. Когда аккумуляторная батарея выходит из строя, она автоматически переключается на резервную аккумуляторную батарею.

Страница содержит содержимое машинного перевода.