ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
ТИПОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
7.5.1. Пример конструкции топливного элемента
Создать небольшой топливный элемент для демонстрацио. целей достаточно просто (рис. 7.4)
По ободу двух крышек, сделанных из органического стекла, выпол шесть отверстий, предназначенных для винтов, скрепляющих корпус. Ди? устройства составляет 8 см.
Топливо и окислитель поступают из двух миниатюрных баллонов, в одн которых находится водород, а в другом - кислород. Избыточный газ отво в специальную емкость с водой.
Как можно видеть, ячейка выполнена геометрически симметричной — ду катодной и анодной частями устройства разница в конструкции отсутс Сетчатые электроды выполнены из платины. Для повышения каталитич активности перед эксплуатацией топливного элемента на сетчатые злекі наносится платиновая чернь.
Напряжение разомкнутой цепи равно примерно 1 В, а при подключении грузки элемент может выдавать во внешнюю сеть ток 200 мА при напрял 0,7 В, т. е. его мощность составляет 140 мВт.
В качестве электролита используется диск из фильтровальной бумаги, питанной раствором КОН.
|
Крышка Неопреновая из органического прокладка |
|
Электроды |
|
Рис. 7.4. Демонстрационная модель топливного элемента в разобранном виде |
|
Фильтровальная бумага, Сетчатые электроды Неопреновая пропитанная раствором КОН с нанесенной прокладка платиновой чернью |
|
Выходной патрубок |
|
Крышка из органического стекла Входной патрубок |
|
7.5.2. Топливные элементы с фосфорнокислым электролитом 7.5.2.1. Батарея топливных элементов Engelhard Топливные элементы работают при низких напряжениях и высоких плотностях тока, поэтому соединение элементов должно быть последовательным. Наиболее простым вариантом такого соединения является биполярная схема: каждый элек - фод является одной своей боковой поверхностью анодом для одного элемента и противоположной боковой поверхностью катодом для другого. |
Рассмотренная конструкция устройства довольна примитивна и относится к тем временам, когда создание ионообменных мембран представляло серьезную трудность. В настоящее время для демонстрационных целей рядом производителей выпускаются более совершенные модели топливных элементов. Необходимую информацию можно найти в поисковой системе Google по гоисковому запросу «Fuel cell demonstration kit». Некоторые из предлагаемых течонстрационных наборов хорошо спроектированы, и их легко использовать. Для этого требуется дистиллированная вода, но это не создает особых трудностей при эксплуатации. Особенно поучительны наборы, включающие в себя помимо собственно топливного элемента также и фотоэлектрический преобразователь, электролизер и простую систему хранения водорода. С помощью этих устройств легко продемонстрировать, что можно получать водород без выделения С02. Проблема заключается только в том, что пока отсутствуют экономические выгодные способы получения водорода без эмиссии С02 в - ромышленных масштабах.
Топливный элемент фирмы Engelhard, в котором в качестве электрол используется фосфорная кислота (устаревшая модель), относится в б: лярному типу элементов, охлаждаемых воздухом (рис. 7.5). Алюминие электрод покрыт тонким слоем золота для зашиты от коррозии, на угольг электрод также сделана накладка из золота для уменьшения контактного противления.
Толщина пластины составляет 3 мм, на обеих ее боковых поверхностях полнены канавки или каналы. Каналы, по которым движется окислитель, положены перпендикулярно каналам, проточенным с другой стороны пласті по которым движется водород. Пластина имеет прямоугольную форму, прі воздух движется по каналам, расположенным вдоль короткой грани пласті что сделано для уменьшения гидравлического сопротивления. Каналы на ги тинах служат не только для подвода газов, они также увеличивают площад - тивной поверхности электродов.
Лист из многослойной бумаги пропитан раствором электролита и п креплен к электродам через уплотнительные резиновые прокладки. Как но, этот тип конструкции топливного элемента не имеет принципиал отличий от конструкции демонстрационной модели, описанной в пред щем параграфе.
|
Рис. 7.5. Один из элементов топливного элемента Engelhard с фосфорнокислым элект |
|
Прокладка, проставка |
|
многослойная бумага |
литом
Рассматриваемый топливный элемент работает при температуре 125 °С. О лителем является воздух, который поступает в ТЭ при температуре окружаю среды, а выходит из ТЭ горячим и влажным. Таким образом, от устройства водятся избыточная теплота и влага, образующаяся в результате окисления т
ва. Расход воздуха подбирается таким образом, чтобы обеспечить ТЭ доста - ным количеством кислорода, а также поддерживать соответствующий отвод лоты и влаги.
Очевидно, катализаторы в рассматриваемой модели ТЭ не используются. _ эчетании с относительно низким уровнем рабочей температуры это приводит слабой кинетике и, как следствие, низкой эффективности.
В коммерческих моделях ТЭ Engelhard этого типа, соединенных в батарею иностью 750 Вт, используется в качестве топлива водород, полученный раз - ением аммиака. Аммиак — это гидрид азота, он очень удобен для хранения орода. В состав системы входят источник аммиака (баллон под давлением), глнг-установка, газоочиститель, топливные элементы, а также насосы и вспо - тельные механизмы управления.
Топливные элементы работают с КПД примерно 45 %, если определять по ксимальной температуре нагрева аммиака. Однако часть топлива необходимо «гать для подвода теплоты к крекинг-установке, чтобы обеспечить рабочую пературу 850 °С, таким образом, общий КПД системы снижается до значе - , близкого к 30 %. При уменьшении общей мощности системы КПД стано - ся еще ниже.
