IV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ВОДОРОДНО – КИСЛОРОДНЫЕ ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СО ЩЕЛОЧНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Растущие потребности потребления энергии требуют поиска её перспективных источников. В решении этой проблемы немаловажную роль могут сыграть источники тока, называемые топливными элементами.
Цель данного проекта – ознакомившись с принципами работы топливных элементов, изготовить действующую модель данного вида источника электрической энергии. Задача работы: изучив теоретический материал по основам функционирования топливных элементов и ознакомившись с существующими типами этих источников тока, изготовить действующую авторскую модель элемента. Был выбран именно этот источник тока, так как в нём энергия топлива непосредственно преобразуется в электрическую без применения различных промежуточных устройств.
Гипотеза – возможность самостоятельной разработки и создания авторской модели топливного элемента. Объект исследования: источники тока – топливные элементы. Предмет исследования – технические и электрические характеристики этих источников тока. Методы исследования – изучение необходимого теоретического материала, выполнение экспериментов по созданию собственной работоспособной топливной ячейки для водородно – кислородного топливного элемента со щелочным электролитом и проведение испытаний работы полученного источника тока. Практическая значимостьи актуальность проекта не подлежат сомнению.Топливные элементы очень интересны и перспективны ввиду того, что они преобразуют химическую энергию топлива напрямую в электричество, тепло и воду. Таким образом, они высокоэффективны, бесшумны, не загрязняют атмосферу и, следовательно, имеют преимущества с точки зрения экологии.
Новизна проекта: создание собственной работоспособной топливной ячейки для водородно - кислородного топливного элемента со щелочным электролитом (как протонно-обменную мембрану автор использовал микроканальную пластину, как бесплатиновый катализатор – игольчатые монокристаллы оксида молибдена, легированные золотом).
2. Теоретическая часть.
2.1. Топливные элементы
Топливный элемент – устройство, которое эффективно вырабатывает постоянный ток и тепло из богатого водородом топлива путем электрохимической реакции.
Топливный элемент (ТЭ) подобен батарее в том, что он вырабатывает постоянный ток путем химической реакции. Как и батарея он имеет анод, катод и электролит. Однако, в отличие от батарей, топливные элементы не могут накапливать электрическую энергию, не разряжаются и не требуют электричества для повторной зарядки. ТЭ могут постоянно вырабатывать электроэнергию, пока имеют запас топлива и воздуха.
Несмотря на то, что первые топливные элементы появились более 100 лет назад, до сих пор не удалось создать «идеальный» топливный элемент. Существующие в настоящее время топливные элементы строятся по различным схемам, работают при температурах от комнатных до нескольких сотен градусов, используют жидкое или газообразное топливо. Все их объединяет то, что и топливо, и окислитель подводится из внешних резервуаров. Таким образом, количество электрической энергии, которую может произвести топливный элемент, ограничено только емкостью этих внешних хранилищ. Емкость их может быть практически бесконечной.
Преимущества. В отличие от традиционных гальванических элементов или аккумуляторов, в которых топливо и окислитель хранятся внутри корпуса и не могут быть заменены или добавлены по мере израсходования, некоторые типы топливных элементов можно использовать сразу после подачи топлива и окислителя (другие типы требуют предварительной процедуры запуска). Топливные элементы, использующие жидкое топливо, имеют значительно более высокий КПД по сравнению с традиционными двигателями на таком же топливе и соединенными с электрическим генератором. Топливный элемент преобразует реакцию окисления топлива непосредственно в электрическую энергию без промежуточных устройств.
Недостатки. К ним относят дороговизну платиновых катализаторов, являющихся обязательной составной частью многих типов топливных элементов. Возможность необратимого «отравления» такого катализатора в случае применения топлива с загрязнениями. И как следствие или полная неработоспособность топливного элемента, или потеря мощности с одновременным ухудшением коэффициента полезного действия. Также существует проблема безопасного хранения больших объемов водорода в случае водородно-кислородных ТЭ. Следующий недостаток – неспособность ТЭ обеспечивать кратковременные пиковые мощности. (Приходится дополнительно устанавливать аккумуляторы традиционных конструкций).
В настоящее время ведётся поиск эффективных бесплатиновых катализаторов и протонно-обменных мембран, а также оптимизация конструкции электродов и совершенствование способов хранения топлива в случае использования ТЭ для транспортных средств.
2. 2. Типы топливных элементов
Рассмотрим некоторые виды ТЭ. В отличие от других генераторов электроэнергии, таких как двигатели внутреннего сгорания или турбины, работающие на газе, угле, мазуте и др., топливные элементы не сжигают топливо. Это означает отсутствие шумных роторов высокого давления, громкого шума при выхлопе, вибраций. ТЭ вырабатывают электричество напрямую путем бесшумной электрохимической реакции. 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. ТЭ собираются в сборки, а затем в отдельные функциональные модули. Существует несколько различных типов топливных элементов, каждый из которых использует различные химические процессы. Топливные элементы обычно классифицируются по их рабочей температуре и типу электролита, который они используют. Некоторые типы ТЭ годятся для использования в стационарных электростанциях, другие для небольших портативных устройств или для питания автомобилей и т. д. [1, 2].
ТЭ делятся на высокотемпературные и низкотемпературные.
Низкотемпературные топливные элементы требуют в качестве топлива относительно чистый водород. Это часто означает, что требуется обработка топлива для преобразования первичного топлива (такого как природный газ) в чистый водород. Этот процесс потребляет дополнительную энергию и требует специального оборудования.
Высокотемпературные топливные элементы не нуждаются в данной дополнительной процедуре, так как они могут осуществлять "внутреннее преобразование" топлива при повышенных температурах, что означает отсутствие необходимости вкладывания денег в водородную инфраструктуру.
2.2.1. Топливный элемент с полимерной мембраной обмена
Топливный элемент с полимерной мембраной обмена (PEMFC) является одной из перспективных технологий топливных элементов. Он состоит:
1. Анод – негативная клемма ТЭ. Он проводит электроны, которые высвобождаются из молекул водорода, после чего электроны используются во внешней цепи. В нем выгравированы каналы, по которым газообразный водород распределяется равномерно по поверхности катализатора.
2. Катод — позитивная клемма ТЭ, также имеет каналы для распределения уже кислорода по поверхности катализатора. Он также проводит электроны обратно из внешней цепи катализатора, где они могут соединиться с ионами водорода и кислорода с образованием воды.
3. Электролит – протонно-обменная мембрана. Это специально обработанный материал, который проводит только положительно заряженные ионы и блокирует электроны. У PEMFC, мембрана должна быть увлажненной, чтобы нормально функционировать и оставаться стабильной.
4. Катализатор — это специальный материал, который способствует реакции кислорода и водорода. Обычно он изготавливается из наночастиц платины нанесенных на копировальную бумагу или ткань. Катализатор имеет такую структуру поверхности, чтобы максимальная площадь поверхности платины могла быть подвержена воздействию водорода или кислорода.
Реакция в одиночном топливном элементе производит только приблизительно 0,7 В. Чтобы повысить напряжение, много отдельных топливных элементов должны быть объединены[3].
2.2.2. Водородно-кислородный топливный элемент
Это - химический источник тока, в котором осуществляется непрерывная подача активных веществ извне в зону электрохимической реакции. Рис. 1.Он работает при обычных или слегка повышенных температурах с применением водных электролитов. Элементы этого типа характеризуются наличием изготовленных из соответствующих электропроводящих материалов (уголь, никель и др.) пористых электродов, которые частично пропитаны электролитом, но сохраняют газопроницаемость. На внутренней поверхности пор, куда поступают активные газы (водород и кислород) происходят электродные процессы, заключающиеся в переходе адсорбированных газов в ионное состояние и являющиеся источником электродвижущей силы элемента.
Основное преимущество предлагаемого водородно-кислородного ТЭ заключается в том, что созданная вначале (при изготовлении элемента) степень пропитки электродов остается почти постоянной, так как дальнейшая самопроизвольная пропитка электродов из загущенного электролита не происходит. Или это имеет место лишь в незначительной степени, что обусловливает высокую стабильность работы электродов [4]. Изделие работает без повышенного давления газа.
Недостатком электродов, работающих без повышенного давления газа, является значительно меньшая плотность тока, которую способны выдерживать такие электроды.
Рассмотрим подробнее водородно-кислородный топливный элемент с водным электролитом и пористыми электродами из никеля, угля или иного электропроводного материала, работающий без применения избыточного давления подаваемого газа (в частности, воздуха). ТЭ отличается тем, что, в целях предотвращения постепенного промокания электродов, а также увеличения стабильности и величины разрядного тока, применен электролит в загущенном состоянии. Электродные пластины обеих полярностей (или одной из них - преимущественно положительные) составлены из большого числа узких тонких пластинок, расположенных параллельно одна другой и перпендикулярно к плоскости электродной пластины. Они разделены на части тонкими пористыми прокладками, пропитанными электролитом, а на остальной части газом (водородом для отрицательного электрода и кислородом или воздухом для положительного электрода).
Кислородно-водородный элемент со щелочным электролитом — один из наиболее перспективных современных топливных элементов. Его преимущества заключаются в относительной простоте конструкции, высокой степени надежности, возможности использовать газы без специальной очистки и при низком парциальном давлении, включая использование атмосферного кислорода. Кроме того, этот элемент сохраняет достоинства лучших топливных элементов других систем: непрерывность работы в течение относительно длительного времени, отсутствие вредных выделений, высокий коэффициент использования активных веществ, стабильность напряжения.
2.2.3. Щелочные топливные элементы (ЩТЭ)
Щелочные топливные элементы (ЩТЭ) – одна из наиболее изученных технологий, используемая с середины 1960-х гг. агентством НАСА в программах "Аполлон" и "Спейс Шаттл". На борту этих космических кораблей топливные элементы производят электрическую энергию и питьевую воду. Щелочные топливные элементы – одни из самых эффективных элементов, используемых для генерации электричества, эффективность выработки электроэнергии доходит до 70%.
В щелочных топливных элементах используется электролит, то есть водный раствор гидроксида калия, содержащийся в пористой стабилизированной матрице. Концентрация гидроксида калия может меняться в зависимости от рабочей температуры топливного элемента, диапазон которой варьируется от 65°С до 220°С. Носителем заряда в ЩТЭ является гидроксильный ион (ОН-), движущийся от катода к аноду, где он вступает в реакцию с водородом, производя воду и электроны. Вода, полученная на аноде, движется обратно к катоду, снова генерируя там гидроксильные ионы. В результате этого ряда реакций, проходящих в топливном элементе, производится электричество и, как побочный продукт, тепло:
Реакция на аноде: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-Реакция на катоде: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-Общая реакция системы: 2H2 + O2 => 2H2O.
Достоинством ЩТЭ является то, что они дешевле в производстве, так как цена на их катализаторы ниже. Кроме того, ЩТЭ работают при относительно низкой температуре и являются одними из самых эффективных ТЭ.
Одна из характерных особенностей ЩТЭ – высокая чувствительность к CO2, который может содержаться в топливе или воздухе. CO2 вступает в реакцию с электролитом, быстро отравляет его, и сильно снижает эффективность ТЭ. Поэтому использование ЩТЭ ограничено закрытыми пространствами, такими как космические и подводные аппараты, они должны работать на чистом водороде и кислороде. Более того, такие молекулы, как CO, H2O и CH4, которые безопасны для других топливных элементов, а для некоторых из них даже являются топливом, вредны для ЩТЭ [4].
3. Экспериментальная часть
Для проведения экспериментов было решено изготовить действующую модель водородно-кислородной топливной ячейки со щелочным электролитом (раствор КОН). Так как для работы такой ячейки необходимы газообразные водород и кислород, так же пришлось изготовить устройство для их непрерывного получения – электролизер. В силу того, что ячейка при своей работе нагревается, электролизер был дополнен охладителем газов на базе термоэлектрического холодильника на элементе Пельтье. Электролизер, также нагревается до температуры 35 – 40 °С.
3.1. Изготовление топливной ячейки
Топливная ячейка представляет собой трехслойную сендвичевую конструкцию. Со сторонами 8 Х 8 см и толщиной 7 мм. Основа конструкции пластины из прозрачного поликарбоната. На рисунке 2 показан вид на боковую пластину. Видны штуцера для подвода газа, электрический контакт и винты, стягивающие конструкцию в единое целое. На рисунке 3 показан вид на топливную ячейку с торцевой поверхности.
В центральной части сделано круглое окно, куда вклеена протонно-обменная мембрана. В качестве мембраны использована микроканальная пластина. В каналах мембраны за счет капиллярных сил хорошо удерживается электролит – 5% раствор KOH. Большое количество отверстий микронных размеров обеспечивает беспрепятственный транспорт протонов через пластину, которая является диэлектрическим изолятором. Она химически инертна по отношению к едкому калию КОН. Внешний вид центральной секции с микроканальной пластиной представлен на рисунке 4.
На боковых частях топливной ячейки наклеена алюминиевая фольга, являющаяся электрическим контактом для электродов. Электроды представляют собой диски из углевойлока. Углевойлок удовлетворяет основным требованиям для успешного функционирования топливной ячейки, а именно – высокая электропроводность, пористость структуры для прохода газа и развитость поверхности для эффективной работы катализатора, а также химическая инертность по отношению к электролиту КОН. Боковых частей две. Внешний вид пластины представлен на рисунке 5.
По периметру топливная ячейка собирается в единый пакет с помощью 9 винтов. В боковых частях закреплены штуцеры для подвода и удаления газа.
3.2. Изготовление электролизера для непрерывного получения водорода и кислорода
Главная часть электролизера представляет собой U- образную стеклянную трубку, заполненную 10% раствором KOH. Водород и кислород получаются при разложении дистиллированной воды под действием электрического тока. Электроды пропущены через верхние резиновые пробки, вставленные в открытые колена трубки. Внешний вид полностью собранного электролизера, с подключенной к нему топливной ячейкой – рис. 6. Получающиеся в процессе работы газы отводятся через систему шлангов, подсоединенных к верхним частям стеклянной трубки. В силу того, что дистиллированная вода обладает значительным сопротивлением, и скорость ее разложения будет незначительной, в воду добавлена щелочь – едкий калий КОН. Сопротивление резко снижается, возрастает сила тока и, как следствие, скорость разложения воды на водород и кислород. Для химической стойкости электроды, погруженные в раствор, выполнены из никеля.
В процессе работы уровень электролита понижается за счет разложения воды и его приходится доводить до уровня, добавляя новые порции воды. При этом щелочь не расходуется. Для пополнения уровня воды без разгерметизации электролизера, в одну из верхних резиновых пробок подсоединен шприц с водой. За один час работы электролизера при напряжении 14 В и силе тока 2 А образуется около 120 см3 Н2 и 60 см3 О2. Скорости получения газов достаточно для проведения эксперимента. Также, учитывая взрывоопасность смеси Н2 и О2, скорость их получения недостаточна для образования гремучего газа в помещении. Водород и кислород поступают каждый по своей магистрали, объединяясь только внутри топливной ячейки. Поток газов можно направлять сразу в топливную ячейку или запасать в шприцах, объемом по 60 см3, подключенных к магистралям. При этом поток газов к ячейке перекрывается роликовыми зажимами.
Все основные элементы электролизера закреплены на универсальном штативе с помощью муфт и зажимов. Источником питания служит регулируемый лабораторный блок питания. Получающийся в процессе разложения водород и кислород проходят через охладитель на элементе Пельтье. Охладитель представляет собой собственно элемент Пельтье, на холодном спае которого с использованием теплопроводящей пасты КПТ-8 установлена алюминиевая пластина с закрепленными на ней медными трубками для протока газов. Скорость протока газа небольшая. Поэтому газ успевает охладиться до температуры +10 °С на выходе, при температуре +20 °С на входе. Горячий спай охлаждается медным пластинчатым радиатором с принудительным обдувом воздухом. Радиатор также закреплен на горячем спае элемента Пельтье с использованием теплопроводящей пасты КПТ-8. Рис.7.
Таким образом, газы предварительно охлаждаются, что повышает их плотность и позволяет пользоваться ячейкой без принятия мер по ее принудительному охлаждению. В процессе получения электричества ячейка подвержена саморазогреву в результате взаимодействия водорода с кислородом. При работе ячейки вырабатывается электричество и образуется вода. Этот процесс, по сути, является горением водорода в атмосфере кислорода. Поэтому нагрев ячейки – нормальное явление. Потребляемая сила тока в 5 А складывается из тока, потребляемого электролизером, элементом Пельтье и вентилятором, охлаждающим горячий спай элемента Пельтье.
3.3. Измерение ЭДС авторской модели топливной ячейки
Для подтверждения работоспособности топливной ячейки при использовании в ней в качестве катализатора игольчатых монокристаллов оксида молибдена, активированных золотом, был проведён опыт с ячейкой без катализаторов. Цель: измерение ЭДС ячейки. После подключения собранной ячейки к электролизеру она была выдержана в потоке газов в течении 15 минут, для гарантированного удаления из пористых электродов атмосферных газов. Перед опытом ячейку разобрали. Протонно-обменную мембрану смочили раствором электролита – 5% раствором КОН. Максимальное значение ЭДС которое удалось получить: 15,5 мВ. Т.е. без катализаторов Н2 и О2 взаимодействуют, но незначительно.
В следующем эксперименте на торцевые части углеродных пористых электродов был нанесен слой катализатора, представляющего собой игольчатые монокристаллы оксида молибдена, легированные золотом. Ячейку для этого разбирали. Катализатор наносился на оба электрода. Измельченный катализатор (рис.8) насыпали на поверхность электрода и равномерно распределили. Он был на той части электрода, которая обращена к алюминиевому покрытию. Ячейку собрали и подключили к электролизеру. Её выдержали в потоке газов в течение 15 минут. Максимальное значение ЭДС в случае применения катализаторов: 600 мВ. Т.е. катализатор значительно увеличил количество водорода и кислорода, реагирующих друг с другом. (Лучшие из известных конструкций аналогичных топливных ячеек со щелочным электролитом и катализаторами на основе платины, имеют ЭДС немного больше 1В.)
4. Заключение
Результаты проекта:1.Изучены теоретические основы функционирования водородно-кислородных ТЭ со щелочным электролитом. 2.Изготовлена действующая разборная модель топливной ячейки с протонно-обменной мембраной из микроканальной пластины и углеродными пористыми электродами. 3. Изготовлен электролизер для получения водорода и кислорода. 4. Проведен эксперимент по эффективному применению в качестве бесплатинового катализатора игольчатых монокристаллов МоО3, легированного золотом.
5. Литература1. «Юсти Э., Винзель А. Топливные элементы. – М.: Мир, 1964. - 305 c.
2 http vezdehod-strannik.ru
3. http://att-vesti.neva.ru/J33-2.HTM
4. В.Н. Варыпаев, М.А. Дасоян. Химические источники тока: - М.:Мир,1990. - 240 c.
5. https://postnauka.ru/faq/59642#!
6. Приложения
Рис. 1 – Процессы, происходящие при работе ТЭ
Рис. 2 - Топливная ячейка. Рис. 3 - Вид с торцевой поверхности
Рис. 4 - Центральная секция с мембраной Рис. 5 - Боковая крышка.
Электрод.
Рис. 6 – Авторская установка с топливной ячейкой
Рис. 7 - Термоэлектрический охладитель на элементе Пельтье
Рис. 8 а – Катализатор (оксид молибдена МоО3) увеличение в 400 раз; б – изображение на атомно-силовом микроскопе (Центр коллективного пользования Северо – Осетинский государственный университет)