Паливна комірка

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Метанолова паливна комірка.

Паливна комірка (англ. fuel cell), також па́ливний елеме́нт — електрохімічний генератор, який забезпечує пряме перетворення хімічної енергії на електричну. На відміну від традиційних електричних акумуляторів, де відбуваються аналогічні перетворення, паливні комірки мають дві важливі особливості:

  1. вони функціонують доти, доки паливо (відновник) та окиснювач надходять із зовнішнього джерела;
  2. хімічний склад електроліту в процесі роботи не змінюється, тобто паливну комірку не треба перезаряджати.

Назва «паливний елемент» аж до 1969 року вважалась умовною.[1]

Можливі різні варіанти комбінацій палива та окиснювача. Так, воднева паливна комірка використовує водень в якості палива та кисень (зазвичай з повітря) як окиснювач. Також паливом можуть слугувати вуглеводні та спирти, а окиснювачами повітря, хлор, оксид хлору.[2]

Історія[ред.ред. код]

Уперше про можливість створення паливних комірок по відомив у 1839 р. англійський аматор у галузі фізико хімії, товариш Майкла Фарадея Вільям Гроув[3]. Спостерігаючи процес електролізу води в розчинах сірчаної кислоти, він виявив, що після відключення зовнішнього струму в електролітичній комірці генерується постійний струм. Однак ці висновки В. Гроува тоді не знайшли обґрунтування у подальших дослідженнях. Свій електрохімічний пристрій він, за пропозицією М. Фарадея, назвав «газовою батареєю». Назву «паливний елемент» цей пристрій одержав лише через 50 років, завдяки Людвігу Монде.

Не вдалося реалізувати й ідею знаного фізико хіміка Вільгельма Оствальда (1894 р.) щодо генерації електричної енергії у паливній комірці з вугілля, а також винайдений російським ученим Павлом Яблочковим (1887 р.) воднево-киснева паливна комірка, результати інших досліджень і численних винаходів.

Інтерес до паливних комірок знову відродився на початку 50-х років ХХ століття після публікації 1947 р. монографії російського вченого, співробітника Московського нафтового інституту ім. І.М. Губкіна О. К. Давтяна[4].

Бум навколо водневої енергетики виник за часів активного освоєння космічного простору. У 60 ті роки були створені паливні комірки потужністю до 1 кВт для американських програм «Джеміні» та «Аполлон», у 80 ті — 10 кіловатні для «Шаттла» та радянського «Бурану». У ті самі роки побудовано електростанції потужністю 100 кВт на фосфорно-кислотних паливних комірок. В Японії та США є дослідні 10 мегаватні електростанції. Від 90-х років і донині триває розробка паливних комірок потужністю від 1 кВт до 10 МВт для стаціонарної автономної енергетики. Крім того, тепер розробляються портативні джерела електроенергії (потужність менше 100 Вт) для комп'ютерів, стільникових телефонів, фотоапаратів тощо. Як паливо у них використовується спирт — метанол, з якого одержують водень.

Принцип дії[ред.ред. код]

Принцип дії паливних комірок заснований на хімічній реакції окислювача і палива, в результаті якої безпосереднім шляхом отримують електроенергію.[5] Подібну реакцію можна спостерігати при згорянні палива у спеціальних печах, проте в паливних елементах окислювально-відновна реакція не супроводжується виділенням диму та полум'я. Реагенти, в якості яких часто використовують водень і кисень, із заданою швидкістю подають від спеціальних насосів до електродів, занурених в електроліт з розчину їдкогокалію.[6] Електроди, які зазвичай виготовляють з нікелю, в реакції не беруть участь, і тому вони не вимагають постійних замін.[7] На негативному електроді, до якого подають відновлюваний водень, утворюються електрони. Навколо позитивного електрода, до якого підводять окислюваний кисень, виникають іони.[8]

Використання і випробування[ред.ред. код]

В паливних комірках йде процес, зворотний електролізу. При цьому хімічним шляхом з'єднується водень і кисень з виділенням енергії і утворенням води. У процесі беруть участь: електроліт (фосфорна кислота, ККД до 85%), тверді оксиди (ККД 60%), лужні елементи, метанол (ККД 40%) і каталізатор. Електроліт оточений двома електродами, на катод надходить кисень, а на анод-водень. Проходить випробування паливних комірок на твердому оксиді на автомобілях потужністю 100 кВт в Європі і 25 кВт в Японії.

Паливні комірки на фосфорній кислоті широко використовуються в лікарнях, готелях, школах, на терміналах в аеропортах.[9]

Цей напрямок розробляє досить багато фірм. Проте, такі автомобілі дуже дорогі: вартість експериментального легкового автомобіля становить від $200тис. до $1 мільйона.[10]

Японська фірма Genepax розробила автомобіль з двигуном на водневому паливі, в бак якого заливається вода. 1 л води вистачає щоб проїхати 80 км.[10] Силова установка такого з паливних елементів мембранного типу, а вартість такого автомобіля поки $1 мільйон.[10]

Під егідою НАТО готується науковий проект «Zero Emission SOFCs Operating on Methane Hydrates for Energy Security» з використанням паливних елементів, розроблених в Україні для отримання електроенергії з газогідратів Чорного моря.[11] В ньому будуть брати участь наукові колективи зі США, Росії, України, Азербайджану, Білорусі.

Примітки[ред.ред. код]

  1. Рогинский В. Современные источники электропитания. — Л.:«Энергия», 1969. С.:104
  2. S. G. Meibuhr, Electrochim. Acta, 11, 1301 (1966)
  3. W.R. Grove. Philos. Mag.— 1839. — 14. — Р. 127—129
  4. Проблема непосредственного превращения химической энергии топлива в энергетическую. — М.: Изд-во АН СССР, 1947. — 237 с.
  5. Рогинский В. Ю. Электропитание радиоустройств. - Л.: Энергия, 1970.-320 с, ил. (с. 263)
  6. Грумбина А. Б. Электрические машины и источники питания электронных устройств: Учебник для техникумов. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 368 с, ил. (с. 294)
  7. Грумбина А. Б. Электрические машины и источники питания электронных устройств: Учебник для техникумов. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 368 с, ил (с. 295)
  8. Москатов Е. А. Источники питания. — Киев.: "МК-Пресс", СПб.: "КОРОНА-ВЕК", 2011.—208 с, ил. ISBN 978-5-7931-0846-1 ("КОРОНА-ВЕК") ISBN 978-966-8806-71-1 ("МК-Пресс")
  9. Проблемы и перспективы развития сотрудничества между странами Юго-Восточной Европы в рамках Черноморского экономического сотрудничества и ГУАМ.- Сборник научных трудов. — Ливадия-Донецк: ДонНУ, 2007. — 766 с. ISSN:1990-9187
  10. а б в Мітков Б. В., Мітков В. Б., Шульга О. В. Альтернативні палива для транспортних засобів. Таврійський державний агротехнологічний університет. Наукове видання
  11. Андрушків Б., Вовк І., Погайдак О. Удосконалення економічного інструментарію пошуку нових ресурсів в умовах пострадянського суспільства // Галицький економічний вісник. Науковий журнал. — 2012. № 3 (36)

Джерела[ред.ред. код]

Див. також[ред.ред. код]


Перетворення енергії:   р
Перетворення енергії: Збереження енергії | Відновлювальна енергетика | Зелена енергія | Розподілена енергетика | Розподілене тепло | Генерування електроенергії | Освітленість
Сонячна енергетика: Тепловий насос | Сонячна батарея | Сонячна панель | Централізована геліоенергетика | Сонячний дім
Геотермальна енергетика: Геотермальна помпа
Вітроенергетика: Вітрогенератор
Гідроенергетика: Енергія хвиль | Енергія припливів
Біологічне: Біомаса | біоетанол | E85 | Біогаз | Біодизель | Біопаливо | олія як паливо
Хімічна енергія: Паливний елемент | Воднева устава
Палива: Нафтовидобуток | Торф
Різне: Збереження теплової енергії | Теплоконденсатор
Енергія: Wh = ватт-година, GWh = 3,6 TJ, toe = 11,63 MWh Потужність: MW = 1000 kW, GW = 1000 MW, TW = 1000 GW