Презентация Топливный элемент онлайн

Содержание слайда: Топливный элемент

Содержание слайда: Топливный элемент (ТЭ) Химический источник тока, в котором электрическая энергия образуется в результате химической реакции между восстановителем и окислителем, непрерывно и раздельно поступающими к электродам ТЭ извне. Продукты реакции непрерывно выводятся из топливного элемента Анодная реакция: H2 – 2е–  2H+ (1) Катодная реакция: ½ O2 + 2H+ + 2е–  Н2О (2) Токообразующая реакция: H2 + ½ O2  H2O (3)

Содержание слайда: Топливный элемент: сравнение с гальваническим элементом и аккумулятором

Содержание слайда: Энергоэффективность топливного элемента Максимальный коэффициент полезного действия к.п.д. (макс.) = Wмакс / Q Электрическая работа топливного элемента Wмакс = Q + TS Q – теплота сгорания топлива Т – абсолютная температура S – изменение энтропии при окислении топлива (определяется балансом превращения газов, участвующих в токообразующей реакции) к.п.д. (макс.) = 1 + TS / Q В зависимости от знака при S электрохимическим путем можно получить как больше, так и меньше энергии, чем это соответствует тепловому эффекту сгорания топлива

Содержание слайда: Конструкция топливного элемента

Содержание слайда: Открытие топливного элемента

Содержание слайда: Предсказание фантаста (1874 год) «… воду когда-нибудь будут употреблять как топливо, … водород и кислород, которые входят в ее состав, … явятся неисчерпаемым источником света и тепла, значительно более интенсивным, чем уголь… Вода - уголь будущего." (роман «Таинственный остров», глава «Топливо будущего»)

Содержание слайда: Fuel Cell (FC) – элемент будущего

Содержание слайда: Сокрушительные удары для топливных элементов 1872 год – Ф. фон Хефнер-Альтенек сконструировал первый эффективно действующий генератор постоянного тока (электрогенератор) немецкими изобретателями Готлибом Даймлером в 1883 году и Карлом Бенцем в 1884 году построены первые бензиновые двигатели 1901 год – Ф. Порше создал одну из первых бензиново-электрических автомашин («Миксте»)

Содержание слайда: Новая эра в развитии топливных элементов 1941 год - Государственная премия СССР «За выдающиеся изобретения» (инженер П.Спиридонов, руководитель научной группы новых источников тока) за доказательство существования реальной возможности практического использования топливных элементов 1947 год – монография О.Давтяна (СССР) «Проблема непосредственного превращения химической энергии топлива в электрическую»

Содержание слайда: Водород – идеальное топливо для топливного элемента химически активный легко подводится в топливный элемент продукт реакции – вода – легко отводится из ТЭ неисчерпаемый источник – вода сейчас водород получают за счет более дешевой переработки природного газа, основным компонентом которого является метан СН4 + Н2О(пар) = 3Н2 + СО

Содержание слайда: Требования к электродам ТЭ обеспечение условий для большой скорости токообразующей химической реакции в ТЭ пористые каталитически активные универсальный материал - платина Pt высокоактивна долговечна устойчива к коррозии и компонентам электролита.

Содержание слайда: Первый автомобиль на топливных элементах (1959 г.) Английский инженер Фрэнсис Томас Бэкон сконструировал и построил батарею из 40 топливных элементов общей мощностью в 6 киловатт (к.п.д. = 80%). Батарея Бэкона могла приводить в действие электрокар, циркульную пилу и сварочный аппарат В США представителям печати и общественности был продемонстрирован электротрактор на топливных элементах, спроектированный по патенту Бэкона и построенный фирмой «Аллис-Чалмерс».

Содержание слайда: Минусы водородных автомобилей на топливных элементах соотношение массы автомобиля к его мощности слишком велико; топливная батарея эффективно работает только на чистом водороде; платиновые электроды отравляются под воздействием примесей, неизбежно присутствующих в дешевых топливах-источниках водорода высокая стоимость и дефицит платины

Содержание слайда: Низкотемпературные щелочные ТЭ Электролит - жидкий раствор щелочи Материал электродов – никель (устойчив в щелочных растворах) Катализатор – платина Применение –космические и военные программы ("Аполлон", "Шаттл", "Буран") Коммерческое применение ограничено из-за использования платины и чистых водорода и кислорода.

Содержание слайда: Низкотемпературные кислотные ТЭ Электролит - жидкий раствор кислоты Окислителем может служить кислород воздуха, так как компоненты воздуха химически не взаимодействуют с кислотным электролитом Материал электродов – графит (устойчив в кислотных растворах) Катализатор – платина и ее сплавы Применение – в стационарных электрогенераторных устройствах в зданиях, гостиницах, больницах, аэропортах и электростанциях Коммерческое применение ограничено из-за использования платины и чистого водорода

Содержание слайда: Мембранный электролит Полимерная мембрана Nafion, применяемая в твердополимерных топливных элементах, в США и Канаде производится фирмой «Дюпон» в России аналогичные мембраны МФ-4СК выпускает фирма «Пластполимер»

Содержание слайда: ТЭ с твердополимерным электролитом Электролит – твердая полимерная ионообменная мембрана упрощается герметизация элемента уменьшается коррозия возрастает срок службы Материал электродов – графит Катализатор – платина и ее сплавы Восстановителем (топливом) может служить метанол, который предварительно конвертируется в водород по реакции CH3OH + H2O  CO2 + 3H2 либо напрямую электроокисляется на аноде: CH3OH + H2O – 6e–  CO2 + 6H+ Применение – на транспорте и стационарных установках небольшого размера Коммерческое применение ограничено из-за использования платины и высокой стоимости ионообменных мембран

Содержание слайда: Недостатки платиновых катализаторов высокая стоимость дефицит природных запасов платины платиновые электроды резко снижают свою активность ("отравляются") под воздействием примесей – каталитических ядов (например, монооксида углерода и соединений серы)

Содержание слайда: Биотопливный элемент Принцип – использование природных катализаторов Ферменты-гидрогеназы, ответственные за окисление и образование водорода, являются уникальными эффективными неплатиновыми катализаторами для этих процессов Недостатки: малый срок службы и небольшая мощность

Содержание слайда: Высокотемпературные ТЭ: ускорение реакций на электродах при значительном повышении температуры Тип 1 электролит - из расплава карбонатов лития и натрия, находящийся в порах керамической матрицы материал катода - оксиды никеля и лития, анода – никель, легированный хромом

Содержание слайда:

Содержание слайда: Щелочные топливные элементы

Содержание слайда: Водородные ТЭ с Н+ проводящей мембраной

Содержание слайда: Метанольные ТЭ с Н+ проводящей мембраной

Содержание слайда: ТЭ на фосфорной кислоте

Содержание слайда: ТЭ на расплавах карбонатов

Содержание слайда: ТЭ на твердых оксидах

Содержание слайда: Преимущества топливных элементов высокий коэффициент полезного действия экологическая чистота бесшумность широкий диапазон мощностей и применяемого топлива возможность параллельной генерации тепла при необходимости можно использовать воду, которая является продуктом химической реакции

Содержание слайда: Проблемы коммерциализации ТЭ высокая стоимость по сравнению с традиционными установками недостаточный срок службы