XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование топливного элемента, как нетрадиционного источника энергии

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Пеньшин Н.Н. 1

---

1МАОУ "СОШ №10"

Пеньшина Г.Н. 1

---

1МАОУ "СОШ №10"

Работа в формате PDF

759.6 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Наша цивилизация динамична. Любое развитие требует, прежде всего, энергетических затрат, и при существующих формах национальных экономик многих государств можно ожидать возникновения серьёзных энергетических проблем. Даже если энергетического кризиса удастся избежать, мир, рано или поздно столкнётся с тем, что основные виды традиционного топлива будут исчерпаны. Запасы нефти, газа, угля не бесконечны. Главной задачей энергетиков является удовлетворение потребностей в энергии с наименьшими народнохозяйственными затратами, а так же развитие многих новых нетрадиционных источников энергии. Иногда, более выгодным будет черпать энергию от какого-то местного нетрадиционного источника, имеющего худшие экономические показатели, чем перебрасывать энергию в том или ином виде на большие расстояния.[5]

На сегодняшний день существуют три пути решения глобальных энергетических проблем: рациональное расходование добытой энергии, более эффективное использование существующих источников энергии, и, наконец, освоение экологически чистых, нетрадиционных источников энергии. Одним из таких видов энергии является водородная.

Водород выбран как наиболее распространенный элемент на поверхности земли и в космосе, теплота сгорания водорода наиболее высока (120,9 МДж/кг), а продуктом сгорания в кислороде является вода, которая вновь вводится в оборот водородной энергетики. Преимущества водорода по сравнению с другими видами топлива представлены в таблице.

Таблица 1.

Энергоемкость различных видов топлива

Анализ приведенных данных свидетельствует о значительном преимуществе водорода, по сравнению с традиционными энергоносителями, по тепловой способности в пересчете на единицу массы. В то же время он почти в три раза уступает природному газу и бензину по объемным показателям. Это обстоятельство служит основанием для ряда современных разработок в области транспортировки и хранения водорода, основными источниками которого являются все виды углеводородов, а также уголь, вода и биомасса.

Топливный элемент - это химический источник тока или электрохимический генератор, это устройство для преобразования химической энергии в электрическую. В современной жизни химическиеисточники тока используются повсеместно и представляют собой аккумуляторы мобильных телефонов, ноутбуков и т.п. В своей работе топливные элементы используют водородное топливо и кислород.

Вследствие быстрого распространения систем беспроводной связи во всем мире, а также роста социально-экономических выгод технологии мобильных телефонов, необходимость надежного и экономичного резервного электропитания приобрела определяющее значение. Топливный элемент представляет собой устройство, которое позволяет эффективно вырабатывать электрический ток и тепло из топлива с высоким содержанием водорода посредством бесшумной и беспламенной электрохимической реакции. В отличие от других типов устройств, генерирующих электроэнергию, таких как двигатели внутреннего сгорания, турбины, сжигающие газ, мазут, уголь в топливных элементах топливо не сжигается. Следовательно, нет необходимости в шумных роторах высокого давления, высокого уровня шума при выхлопе, отсутствует вибрация. Химическая энергия топлива напрямую преобразуется в электричество, тепло и воду.

Все это и обусловило выбор темы исследования: «Исследование топливного элемента».

Объект исследования: топливный элемент.

Предмет исследования: использование топливного элемента в качестве нетрадиционного источника энергии.

Цель работы: исследование особенностей работы водород-кислородного (воздушного) топливного элемента, как нетрадиционного источника энергии.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

1. Познакомиться с принципом работы топливных элементов.

2. Выделить преимущества топливных элементов.

3. Исследовать особенности работы водород-кислородного (воздушного) топливного элемента.

Методы исследования: теоретический анализ и синтез различных сведений о топливных элементах; обобщение и систематизация полученной информации по проблеме; эксперимент и статистическая обработка данных эксперимента; индуктивные и дедуктивные методы.

1. Теоретические сведения об особенностях работы топливных элементов

1. История развития топливных элементов

В 1950-60-х годах одна из самых ответственных задач для топливных элементов родилась из потребности Национального управления по аэронавтике и исследованиям космического пространства США (NASA) в источниках энергии для длительных космических миссий. Щелочной топливный элемент/ячейка NASA использует в качестве топлива водород и кислород, соединяя эти два химических элемента в электрохимической реакции. На выходе получаются три полезных в космическом полете побочных продукта реакции – электричество для питания космического аппарата, вода для питья и систем охлаждения и тепло для согревания астронавтов.

Открытие топливных элементов относится к началу XIX века. Первое свидетельство об эффекте топливных элементов было получено в 1838 году.

Таблица 1.

Этапы развития топливных элементов

В конце 1930х начинается работа над топливными элементами со щелочным электролитом и к 1939 году построен элемент, использующую никелированные электроды под высоким давлением. В ходе Второй Мировой войны разрабатываются топливные элементы/ячейки для подлодок британского флота и в 1958 году представлена топливная сборка, состоящая из щелочных топливных элементов/ячеек диаметром чуть более 25 см.

Интерес возрос в 1950-1960е годы, а также в 1980е, когда промышленный мир пережил нехватку топлива. В этот же период мировые страны также озаботились проблемой загрязнения воздуха и рассматривали способы экологически чистого получения электроэнергии. В настоящее время технология производства топливных элементов/ячеек переживает этап бурного развития.

1. Принцип работы топливных элементов

Топливные элементы/ячейки вырабатывают электроэнергию и тепло вследствие происходящей электрохимической реакции, используя электролит, катод и анод.

Рисунок 1. Принцип работы топливного элемента

Анод и катод разделяются электролитом, проводящим протоны. После того, как водород поступит на анод, а кислород - на катод, начинается химическая реакция, в результате которой генерируются электрический ток, тепло и вода.

На катализаторе анода молекулярный водород диссоциирует и теряет электроны. Ионы водорода (протоны) проводятся через электролит к катоду, в то время как электроны пропускаются электролитом и проходят по внешней электрической цепи, создавая постоянный ток, который может быть использован для питания оборудования. На катализаторе катода молекула кислорода соединяется с электроном (который подводится из внешних коммуникаций) и пришедшим протоном, и образует воду, которая является единственным продуктом реакции (в виде пара и/или жидкости).

Реакция на аноде: 2H₂ => 4H+ + 4e^- , реакция на катоде: O₂ + 4H+ + 4e^- => 2H₂O, общая реакция элемента: 2H₂ + O₂ => 2H₂O.

В топливном элементе часть энергии химической реакции будет выделяться в виде тепла. Поток электронов во внешней цепи есть постоянный ток, который совершает работу. Размыкание внешней цепи останавливает химическую реакцию. Работа тока, производимая топливным элементом, зависит от типа элемента, геометрических размеров, температуры, давления газа. Отдельный топливный элемент обеспечивают напряжение около 1,16 В. В нашем элементе оно равно 0,9 В

1.3 Преимущества топливных элементов

Топливный элемент подобен батарее в том, что он вырабатывает постоянный ток путем химической реакции. Топливный элемент включает анод, катод и электролит. Однако, в отличие от батарей, топливные элементы/ячейки не могут накапливать электрическую энергию, не разряжаются и не требуют электричества для повторной зарядки. Топливные элементы/ячейки могут постоянно вырабатывать электроэнергию, пока они имеют запас топлива и воздуха. В отличие от других генераторов электроэнергии, таких как двигатели внутреннего сгорания или турбины, работающие на газе, угле, мазуте и пр., топливные элементы/ячейки не сжигают топливо. Это означает отсутствие шумных роторов высокого давления, громкого шума при выхлопе, вибрации. Топливные элементы/ячейки вырабатывают электричество путем бесшумной электрохимической реакции. Другой особенностью топливных элементов/ячеек является то, что они преобразуют химическую энергию топлива напрямую в электричество, тепло и воду.

Топливные элементы высокоэффективны и не производят большого количества парниковых газов, таких как углекислый газ, метан и оксид азота. Единственным продуктом выброса при работе - являются вода в виде пара и небольшое количество углекислого газа, который вообще не выделяется, если в качестве топлива используется чистый водород. Топливные элементы/ячейки собираются в сборки, а затем в отдельные функциональные модули.

2. Экспериментальное исследование особенностей работы водород-кислородного (воздушного) топливного элемента

Для исследования был взят «Большой экспериментальный набор по водородной энергии»

Рис. 2. Большой экспериментальный набор по водородной энергии

2.1 Исследование электролизаводы

При электролизе происходит переход электрической энергии внешнего источника тока в химическую энергию окислительно-восстановительных процессов. Этот процесс может произойти только в среде электролита: солевых растворах, кислотах, щелочах или в расплавах солей. Проводимость чистой воды очень мала и поэтому её электролиз невозможен при использовании обычных лабораторных приборов. В работе используется электролизер, где в качестве электролита используется специальная ионопроводящая полимерная мембрана. Получаемый на катоде водород используется далее для питания топливного элемента. Реакции на электродах будут проходить с участием мелкодисперсных частиц благородных металлов (катализаторов), облегчающих прохождение реакций.

Цель работы: разобраться в сути процесса электролиза воды.

Необходимое оборудование: солнечный модуль, электролизер, топливный элемент, измерительный модуль-нагрузка, 4 кабеля, 2 длинных газоподводящих шланга, 2 коротких газоподводящих шланга, 2 зажима на шланги, лампа 100 – 150 Вт, дистиллированная вода.

С помощью проведенного опыта на электролизере можно продемонстрировать разложение воды на 2 части водорода и 1 часть кислорода:

2H₂O → 2H₂ + O₂

В топливном элементе протекает обратная электролизу реакция, т.е. накопленные в результате электролиза газы снова превращаются в воду: 2H₂ + O₂ → 2H₂O

Тем самым подтверждается, что реакция обратима. При первой реакции (электролизе) электрическая энергия должна расходоваться, при второй реакции (в топливном элементе) электрическая энергия высвобождается. В общей сложности такой цикл связан с потерями. Преобразование энергии из одной формы в другую никогда не происходит со 100%-ным коэффициентом полезного действия. Но, тем не менее, топливный элемент в два раза эффективней двигателя внутреннего сгорания в автомобилях.

Рис. 3. Схема экспериментальной установки

Рис. 4. Экспериментальная установки

Таблица 2.

Результаты измерений

Вывод: определили действительные объемы газов. Соотношение выделенных при электролизе газов 2:1, соотношение потребленных топливным элементом газов 2:1. Для определения собранного газа взяли зажженную деревянную палочку и ввели ее в стакан. Услышали хлопок, что подтвердило наличие водорода в стакане. При внесении деревянной палочки в другой стакан, она вспыхнула ярким пламенем. Так как газ поддерживает горение, следовательно, в данной емкости находится именно кислород.

2.2 Определение коэффициента полезного действия системы электролизер – топливный элемент

Цель работы: показать, что водород для топливных элементов может получаться с использованием солнечной энергии, рассчитать коэффициент полезного действия системы электролизер - топливный элемент, определить зависимость мощности от освещенности.

Необходимое оборудование: солнечный модуль, электролизер, топливный элемент, измерительный модуль-нагрузка, 4 кабеля, 2 длинных газоподводящих шланга, 2 коротких газоподводящих шланга, лампа 100 – 150 Вт, дистиллированная вода, амперметр, вольтметр, кабель.

Во время электролиза напряжение линейно уменьшалось от 3,25 В до 2,75 В. Uср=3В. Ток зарядки оставался постоянным I=0,248A. Заполнение газами баков длилось 132 сек.

Рис 5. Графики тока и напряжения от времени при электролизе.

Затраченная на зарядку энергия .

Для расчета работы тока, которую можно получить, израсходовав весь водород, собрали схему:

Рисунок 6. Работа элемента в качестве источника электроэнергии (Схема экспериментальной установки)

Рисунок 7. Работа элемента в качестве источника электроэнергии

(Экспериментальная установка)

Нагрузили топливный элемент на реостат. При силе тока 70 мА и напряжении 0,6 В потребовалось 1580 секунд, пока весь водород с кислородом вновь не превратились в воду.

Полезная энергия

КПД водородной ячейки: . Для сравнения КПД обычного бензинового двигателя внутреннего сгорания составляет 25-53%.

В существующих топливных элементах от 60 до 70% энергии топлива непосредственно превращается в электрическую, а энергетические установки на топливных элементах, использующие водород из углеводородного топлива, проектируются на КПД 40-45%. Основной промышленный способ получения водорода — реакция с водой метана, который входит в состав природного газа. Она проводится при высокой температуре (легко убедиться, что при пропускании метана даже через кипящую воду никакой реакции не происходит): СН₄ + 2Н₂0 = CO₂ + 4Н_2. Газ смешивают с водяным паром и осуществляют превращение, называемое конверсией метана с водяным паром. Процесс протекает при температуре 800⁰С. Процесс довольно энергозатратный. В случае электролиза воды от солнечных батарей процесс получается экологически чистый и затраты на получение водорода минимальные. Получив электроэнергию, мы получаем снова воду, которую можно вновь разделить на кислород и водород.

Энергия, вырабатываемая солнечной батареей, зависит от её освещенности. Мы исследовали, как зависит напряжение на реостате и сила тока через него в зависимости от освещенности. Для достижения этой цели была собрана установка, где А1 и V1 цифровые амперметр и вольтметр, подключенные к регистратору данных цифровой лаборатории «Наулаб». К ней же к третьему входу I/O-3 подключили датчик освещённости, расположив его рядышком с солнечной батареей. В качестве регулятора мощности использовали лабораторный выпрямитель.

Рисунок 8. Схема экспериментальной установки по определению зависимости мощности от освещенности

Рисунок 9. Экспериментальная установка по определению зависимости мощности от освещенности

Результаты полученных данных, обработанные в электронных таблицах представлены ниже.

Рисунок 10. Результаты определения зависимости мощности от освещенности

Как видно из графика, при увеличении освещенности напряжение достигает значения насыщения U=0,7 В и мощность, отдаваемая элементом во внешнюю цепь достигает также наибольшего значения. Из графика можно сделать также вывод, что и при уменьшении освещенности более чем до половины от максимального значения мощность уменьшается не очень значительно. Следовательно солнечная батарея будет вырабатывать электрическую энергию и осуществлять электролиз воды и в ненастный день.

Заключение

Топливные элементы обладают рядом ценных качеств, среди которых:

Высокий КПД. У топливных элементов нет жёсткого ограничения на КПД, как у тепловых машин (КПД цикла Карно является максимально возможным КПД среди всех тепловых машин с такими же минимальной и максимальной температурами). Высокий КПД достигается благодаря прямому превращению энергии топлива в электроэнергию. Если в дизель-генераторных установках топливо сначала сжигается, полученный пар или газ вращает турбину или вал двигателя внутреннего сгорания, которые в свою очередь вращают электрический генератор. Результатом становится КПД максимум в 42 %, чаще же составляет порядка 35-38 %. Более того, из-за множества звеньев, а также из-за термодинамических ограничений по максимальному КПД тепловых машин, существующий КПД вряд ли удастся поднять выше. У существующих топливных элементов КПД составляет 60-80 %. КПД почти не зависит от коэффициента загрузки.

Экологичность. В воздух выделяется лишь водяной пар, что является безвредным для окружающей среды. Но это лишь в локальном масштабе. Нужно учитывать экологичность в тех местах, где производятся данные топливные ячейки, так как производство их само по себе уже составляет некую угрозу (ведь производство не может быть безвредным).

Компактные размеры. Топливные элементы легче и занимают меньший размер, чем традиционные источники питания. Топливные элементы производят меньше шума, меньше нагреваются, более эффективны с точки зрения потребления топлива. Это становится особенно актуальным в военных приложениях. Например, солдат армии США носит 22 различных типа аккумуляторных батарей. Средняя мощность батареи 20 Ватт. Применение топливных элементов позволит сократить затраты на логистику, снизить вес, продлить время действия приборов и оборудования.

Мы познакомились с таким химическим источником электроэнергии, как топливный элемент (электрохимическое устройство, подобное гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне — в отличие от ограниченного количества энергии, запасенного в гальваническом элементе или аккумуляторе). Этот тип химических источников энергии очень перспективен, т.к. ТЭ способны длительно непрерывно работать. Применение ТЭ целесообразно там, где требуются малые мощности (около 100Вт) при длительной работе невозможно обеспечение электроэнергией от обычных энергосетей.

Список использованных источников

1. 1. Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Курс лекций.- М.: Просвещение, 2020.

   2. Возобновляемая энергетика: вчера, сегодня, завтра/ П. П. Безруких // Электрические станции: Ежемесячный произв.-техн. журнал. - М.: Энергопрогресс, 2012. - N2.- С.35-47.

   3. Галямов М. О., Хохлов А. Р. Топливные элементы с полимерной мембраной. – М.: Физический факультет МГУ, 2019. – 72 с

   4. Григораш О.В. Автономные системы электроснабжения на возобновляемых источниках энергии/О.В. Григораш, П.Г. Корзенков // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) - Краснодар: КубГАУ, 2019. - №09 (093). С. 364 - 376.

   5. Давтян O.K.Проблема непосредственного превращения химической энергии топлива в электрическую. М.: Дрофа, 2021. 150 с.

   6. Ильин А.К., Пермяков В.В., Нетрадиционные источники энергии для автономных потребителей. – Владивосток: Изд-во ВГУЭС, 2019. – 36 с.

   7. Коровин Н.В. Электрохимическая энергетика. М.: Энергоатомиздат, 1991. 264с.

   8. Курс общей химии / Под ред. Н.В. Коровина. М.: Высш. шк., 1990. 446 с.

   9. Лаврус В.С. Источники энергии. Глава 4. – К.: Наука и техника, 2020.

   10. Овчинников К.А. Топливный элемент: настоящее и будущее, https://stroikaveka.org/vypusk3/toplivnyj-element-nastoyashhee-i-budushhee.html

   11. Худяков С.А., ПоспеловB.C. // Наука и жизнь. 2019. № 9. С. 60-65

   12. http://www.bibliotekar.ru/alterEnergy/36.htm

   13. http://www.bibliotekar.ru/evrika/6-5.htm

   14. http://www.bibliotekar.ru/evrika/6-9.htm