Меню

Метаноловый топливный элемент своими руками

Прямой метанольный топливный элемент (ПМТЗ)

В отличие от водородных топливных элементов работа прямых топливных элементов на метаноле не зависит от подачи водорода, который получается в ходе таких процессов, как электролиз воды, конверсия природного газа или углеводородов. Как мы уже говорили, для того, чтобы обеспечить хранение и распределение водородного топлива нужно создать совершенно новую инфраструктуру или полностью перестроить существующие системы, что стало основным препятствием для коммерческого производства. В то же время метанол представляет собой прозрачное жидкое топливо (Г*. = 64,7 °С, d = 0,791 г/мл), которое не надо специально охлаждать и можно использовать при комнатной температуре, и если существующие сейчас установки хранения и заправки топлива слегка модифицировать, то их можно перепрофилировать на метанол.

В расчете на единицу объема метанол отличается более высокой теоретической удельной энергией, чем другие системы, такие как обычные батареи и топливный элемент Н2-ПМ (рис. 11.6). Это свойство очень важно для использования метанола в компактных портативных устройствах, поскольку технология, применяемая при изготовлении батарей, по всей вероятности, не может удовлетворять требованиям, предъявляемым к питанию легких по весу ноутбуков и мобильных телефонов, которые должны работать длительное время [141, 142].

В прошлом элементы на протонобменных мембранах, заправленные метанолом, использовали отдельный конвертер. В нем жидкий метанол превращали в водород, а затем чистый Н2 подавался в батарею топливного элемента. Однако работы, начатые в 1990 г. исследователями в Лаборатории реактивного движения и группой авторов этой книги в Университете Южной Калифор-

Рис. 11.6. Теоретические значения энергоемкости батарей, водородных топливных элементов с протонообменными мембранами (Н2-ПМ) и прямых метанольных топливных элементов (ПМТЭ)

Рис. 11.7. Прямой метанольный топливный элемент (ПМТЭ)

нии [143, 144], привели к разработке простого прямого мена- тольного топливного элемента (ПМТЭ). Этот элемент состоит из двух электродов, разделенных протонообменной мембраной (ПМ) и связанных с внешней электрической цепью, что позволяет непосредственно преобразовать свободную энергию химической реакции метанола с воздухом в электрическую энергию (рис. 11.7).

В соответствии с суммарной реакцией (3) теоретическое напряжение разомкнутой цепи при комнатной температуре должно составлять 1,21 В при теоретическом КПД, близком к 97%. Хотя принцип действия ПМТЭ прост, производительность этих элементов пока еще далека от их теоретического потенциала Нерн- ста даже при условиях разомкнутой цепи из-за низкой скорости окислительно-восстановительных реакций и из-за попадания топлива на катод. Имеющиеся и будущие успехи в разработке катализаторов и мембран могут решить эти проблемы, сказывающиеся на их производительности и стоимости.

Компания Toshiba разработала перспективный опытный образец батареи с ПМТЭ для ноутбуков. Средняя выходная мощность батареи составляет 12 Вт; батарея может непрерывно работать 5 ч на картридже, содержащим 50 мл метанола. Топливный элемент собирает воду на выходе и соединяет ее с метанолом, что позволяет уменьшить размер картриджа. Датчики выведены непосредственно на персональный компьютер, и они подсказывают пользователям, когда нужно заменить картридж. Аналогичные батареи разработала японская компания NEC Electronics и ожидается, что в течение следующих нескольких лет будет выпущена батарея, которая сможет работать 40 ч.

В настоящее время в продаже имеются как стационарные, так и портативные батареи с ПМТЭ. Например, в магазине топливных элементов можно приобрести топливный элемент SFC А25 Smart [152], способный непрерывно вырабатывать 25 Вт энергии в течение четырех дней, используя всего 2 кг топлива. В продаже есть и более крупная модель, рассчитанная на 50 Вт.

Компания DaimlerChrysler, которая работала над созданием ПМТЭ для автомобильного транспорта, выпустила одноместный спортивный микролитражный автомобиль, работающий на ПМТЭ мощностью 3 кВт (рис. 11.8) [153]. Недавно аналогичный автомобиль, оснащенный ПМТЭ мощностью 1,3 кВт, известный под маркой «JuMOVe», был разработан в исследовательском центре Julich (Германия) [154]. В 2003 г. японская компания Yamacha представила свой опытный образец FC06 первого двухколесно-

Рис. 11.8. Карт компании DaimlerChrysler, работающий на ПМТЭ. [Фотография предоставлена компанией DaimlerChrysler]

го мотоцикла на ПМТЭ мощностью 500 Вт. Мотоцикл оснащен розеткой переменного тока на 300 Вт и поэтому его можно использовать в качестве источника электроэнергии для работы на открытом воздухе или в случае возникновения чрезвычайных ситуаций [155]. В Японии усовершенствованный вариант этого мотоцикла ( FC-me) можно арендовать и использовать для езды (рис. 11.9). В США компания Vectris планирует в 2006 г. выпустить в продажу скутер с гибридным двигателем, содержащий прямой метанольный топливный элемент мощностью 800 Вт, в комплекте с перезаряжающейся батареей [156, 157]. Топливный элемент непрерывно перезаряжает батарею, которая приводит в действие электрический двигатель. В скутере есть устройство, благодаря которому энергия, обычно теряющаяся при торможении, подзаряжает батареи. Скутер может развивать скорость, превышающую 100 км/ч, а его длина пробега при эксплуатационной

Рис. 11.9. Мотоцикл компании Yamaha, работающий на ПМТЭ. [Фотография предоставлена компанией Yamaha] скорости близка к 250 км, т. е. по своим параметрам он мало чем отличается от обычных скутеров.

Предстоит еще многое сделать для того, чтобы внедрить в практику более крупные ПМТЭ, которые, в частности, могли бы служить источником питания для легковых автомобилей, однако и сегодняшние успехи можно считать значительными. Использование ПМТЭ в транспортной системе сулит многочисленные преимущества по сравнению с другими нововведениями. Отказ от использования парофазного конвертера метанола может значительно снизить массу транспортного средства, его стоимость и упростить его эксплуатацию, что в свою очередь улучшит эффективность использования топлива. По простоте эксплуатации эти системы близки к прямым топливным водородным элементам, и в то же время свободны от таких трудных проблем, как хранение водорода на борту или необходимость иметь конвертеры для получения водорода. При работе ПМТЭ выделяют только воду и СО? и не выбрасывают других загрязнителей (NOx, микрочастицы, S02 и т. д.). Настанет время, когда метанол будут получать, перерабатывая атмосферный углекислый газ, и благодаря этому выбросы С02 не будет представлять большой опасности, а зависимость от ископаемого топлива исчезнет.

Читайте также:  Ловец денег талисман своими руками

Использование метанола в качестве моторного топлива несет целый ряд важных преимуществ. В отличие от водорода для метанола не нужно применять какие-либо энергоемкие методы, связанные с работой под давлением или сжижением. Поскольку метанол представляет собой жидкость, он легок в обращении, его удобно хранить, распределять и перевозить на борту транспортных средств. Метанол уже используется сегодня в транспортных средствах с ДВС. После заправки в бортовые конвертеры метанол уже сейчас может служить идеальным энергоносителем для автомашин, работающих на топливных элементах, а в будущем его можно будет непосредственно использовать в транспортных средствах с ПМТЭ. Заправка одним и тем же топливом существующих ДВС и новых транспортных средств, оборудованных ПМТЭ, позволит осуществить плавный переход от существующих технологий к новым. По мере того, как использование МТБЭ в качестве добавки к бензину будет сокращаться, появится значительный избыток производственного метанола и он сразу же найдет применение как моторное топливо.

Возможно, что уже в следующем десятилетии мы станем свидетелями инновационных разработок, таких как новые протонопроводящие материалы, безмембранные топливные элементы, а также появления более дешевых и более эффективных катализаторов. Тогда, может быть, и технологам удастся создать новые образцы ПМТЭ, у которых не будет привычной ячеистой структуры. В общей структуре метанольной энергетики ПМТЭ смогут сыграть решающую роль при производстве электроэнергии из метанола.

Источник

Топливный элемент своими руками дома

Водородный топливный элемент компании Nissan

С каждым годом совершенствуется мобильная электроника, становясь все распространение и доступнее: КПК, ноутбуки, мобильные и цифровые аппараты, фоторамки и пр. Все они все время пополняются новыми функциями, большими мониторами, беспроводной связью, более сильными процессорами, при этом, уменьшаясь в размерах. Технологии питания, в отличие от полупроводниковой техники, семимильными шагами не идут.

Имеющихся батарей и аккумуляторов для питания достижений индустрии становится недостаточно, поэтому вопрос альтернативных источников стоит очень остро. Топливные элементы на сегодняшний день являются наиболее перспективным направлением. Принцип их работы открыт был еще в 1839 году Уильямом Гроуом, который электричество генерировал изменив электролиз воды.

Что такое топливные элементы?

Видео: Документальный фильм, топливные элементы для транспорта: прошлое, настоящее, будущее

Топливные элементы интересны производителям автомобилей, интересуются ими и создатели космических кораблей. В 1965 году они даже были испытаны Америкой на запущенном в космос корабле «Джемини-5», а позже и на «Аполлонах». Миллионы долларов вкладываются в исследования топливных элементов и сегодня, когда существуют проблемы, связанные с загрязнением окружающей среды, усиливающимися выбросомами парниковых газов, образующихся при сгорании органического топлива, запасы которого тоже не бесконечны.

Топливный элемент, часто называемый электрохимическим генератором, работает нижеописанным образом.

Схема работы Топливного элемента на водороде

Являясь, как аккумуляторы и батарейки гальваническим элементом, но с тем отличием, что хранятся в нем активные вещества отдельно. На электроды они поступают по мере использования. На отрицательном электроде сгорает природное топливо или любое вещество из него полученное, которое может быть газообразным (водород, например, и окись углерода) или жидким, как спирты. На электроде положительном, как правило, реагирует кислород.

Но простой на вид принцип действия, в реальность воплотить не просто.

Топливный элемент своими руками

Видео: Топливный водородный элементсвоими руками

К сожалению у нас нет фотографий, как должен выглядить этот топливный элекмнт, надеямся на вашу фантазию.

Маломощный топливный элемент своими руками можно изготовить даже в условиях школьной лаборатории. Необходимо запастись старым противогазом, несколькими кусками оргстекла, щелочью и водным раствором этилового спирта (проще, водкой), которое будет служить для топливного элемента «горючим».

Стационарная энергоустановка на базе химического топливного элемента

Прежде всего, необходим корпус для топливного элемента, изготовить который лучше из оргстекла, толщиной не менее пяти миллиметров. Внутренние перегородки (внутри пять отсеков) можно сделать немного тоньше – 3 см. Для склеивания оргстекла используют клей такого состава: в ста граммах хлороформа или дихлорэтана растворяют шесть грамм стружки из оргстекла (проводят работу под вытяжкой).

В наружной стенке теперь необходимо просверлить отверстие, в которое вставить нужно через резиновую пробку сливную стеклянную трубочку диаметром 5-6 сантиметров.

Все знают, что в таблице Менделеева в левом нижнем углу стоят наиболее активные металлы, а металлоиды высокой активности находятся в таблице в верхнем правом углу, т.е. способность отдавать электроны, усиливается сверху вниз и справа налево. Элементы, способные при определенных условиях проявлять себя как металлы или металлоиды, находятся в центре таблицы.

Теперь во второе и четвертое отделение насыпаем из противогаза активированный уголь (между первой перегородкой и второй, а также третьей и четвертой), который выполнять будет роль электродов. Чтобы через отверстия уголь не высыпался его можно поместить в капроновую ткань (подойдут женские капроновые чулки). В

Топливо циркулировать будет в первой камере, в пятой должен быть поставщик кислорода – воздух. Между электродами будет находиться электролит, а для того, чтобы он не смог просочиться в воздушную камеру, нужно перед засыпкой в четвертую камеру угля для воздушного электролита, пропитать его раствором парафина в бензине (соотношение 2 грамма парафина на пол стакана бензина). На слой угля положить нужно (слегка вдавив) медные пластинки, к которым припаяны провода. Через них ток отводиться будет от электродов.

Осталось только зарядить элемент. Для этого и нужна водка, которую разбавить с водой нужно в 1:1. Затем осторожно добавить триста-триста пятьдесят граммов едкого калия. Для электролита в 200 граммах воды растворяют 70 граммов едкого калия.

Топливный элемент готов к испытанию. Теперь нужно одновременно налить в первую камеру – топливо, а в третью – электролит. Присоединенный к электродам вольтметр должен показать от 07 вольт до 0,9. Чтобы обеспечить непрерывную работу элементу, нужно отводить отработавшее топливо (сливать в стакан) и подливать новое (через резиновую трубку). Скорость подачи регулируется сжиманием трубки. Так выглядит в лабораторных условиях работа топливного элемента, мощность которого, понятна мала.

Читайте также:  Модернизация твердотопливного котла своими руками

Видео: Топливный элемент или вечная батарейка дома

Чтобы мощность была большей, ученые давно занимаются этой проблемой. На активной стали разработки находятся метанольный и этанольный топливные элементы. Но, к сожалению, пока на практику их выхода нет.

Почему топливный элемент выбран в качестве альтернативного источника питания

Работающая модель игрушки-электромобиля на водородном топливном элементе

Альтернативным источником питания выбран топливный элемент, поскольку конечным продуктом сгорания водорода в нем является вода. Проблема касается только в нахождении недорогого и эффективного способа получения водорода. Колоссальные средства, вложенные в развитие генераторов водорода и топливных элементов, не могут не принести свои плоды, поэтому технологический прорыв и реальное их использование в повседневной жизни, только вопрос времени.

Уже сегодня монстры автомобилестроения: «Дженерал Моторс», «Хонда», «Драймлер Коайслер», « Баллард», демонстрируют автобусы и авто, которые работают на топливных элементах, мощность которых достигает 50кВт. Но, проблемы, связанные с их безопасностью, надежностью, стоимостью — еще не решены. Как говорилось уже, в отличие от традиционных источников питания – аккумуляторов и батарей, в этом случае окислитель и горючее подаются извне, а топливный элемент лишь является посредником в происходящей реакции по сжиганию топлива и превращению в электричество выделяющейся энергии.

Протекает «сжигание» только в том случае, если элемент ток отдает в нагрузку, подобно дизельному электрогенератору, но без генератора и дизеля, а также без шума, дыма и перегрева. При этом, КПД намного выше, поскольку отсутствуют промежуточные механизмы.

Видео: Автомобиль на водородном топливном элементе

Большие надежды возлагаются на применение нанотехнологий и наноматериалов, которые помогут миниатюризировать топливные элементы, при этом увеличить их мощность. Появились сообщения, что созданы сверх-эффективные катализаторы, а также конструкции топливных элементов, не имеющих мембран. В них вместе с окислителем подается в элемент топливо (метан, например). Интересны решения, где в качестве окислителя используется кислород, растворенного в воде воздуха, а в качестве топлива – органические примеси, скапливающиеся в загрязненных водах. Это, так называемые, биотопливные элементы.

Топливные элементы, по прогнозам специалистов, на массовый рынок могут выйти уже в ближайшие годы

Источник

Генератор на топливных элементах

Топливные элементы — это перспективный, долговечный, надежный и экологический чистый источник получения электрической энергии. Топливный элемент (или как его еще называют электрохимический генератор) — устройство, которое преобразует химическую энергию топлива в электрическую энергию в процессе электрохимической реакции. В идеале, для работы топливного элемента в качестве подаваемого топлива необходим водород. Однако производство и хранение такого топлива достаточно затратны. Поэтому «портативные» генераторы на топливных элементах работают и от водородосодержащего топлива. В качестве такого топлива могу быть использованы привычные нам углеводороды:метан, бутан, пропан, метанол, бензин.

При использовании водорода в качестве топлива, продуктами химической реакции, помимо желаемой электроэнергии выступают тепло и вода. В этом случае такой генератор абсолютно безвреден для окружающей среды. При использовании в качества топлива углеводородов (например пропан), в окружающую среду будут выделяться так же оксиды углерода и азота. Однако, их значение существенно ниже, чем при обычном сжигании.

Устройство и принцип действия

Генератор на топливных элементах состоит из:

Топливный процессор преобразует углеводородное топливо в водород, необходимый для электрохимической реакции (реформинг). Основной элемент устройства — реформер. Поступающий в реформер, к примеру, природный газ взаимодействует с водяным паром при очень высоких температурах (около 900 °C) и высоком давлением в присутствии катализатора (никеля). Пар, необходимый для преобразования, образуется из конденсата в следствии работы топливного элемента. При этом используется тепло, так же выделяемое в следствии его работы.

Секция выработки энергии — основная часть генератора. Она состоит из множества топливных ячеек, в состав электродов которых входит платиновый катализатор. С помощью этих ячеек вырабатывается постоянный электрический ток.

Преобразователь напряжения. Вырабатываемый топливными ячейками постоянный ток неустойчив, имеет низкое напряжение и высокую силу тока. Для преобразования его в переменный ток, отвечающий стандартам, а так же для защиты электрической цепи от различных сбоев и используется преобразователь напряжения.

В таком генераторе примерно 40% энергии углеводородного топлива может быть преобразовано в электрическую энергию. Так же еще 40% энергии топлива преобразуются в тепловую энергию. Его можно использовать для обогрева помещения, а та же воды в водопроводе. Поэтому суммарный КПД такого генератора может достигать 80%.

Достоинством генератора на топливных элементах является:

Недостатки и особенности:

Модными и современными технологиями заинтересовались так же производители аксессуаров для караванинга и выпустили несколько своих разработок.

Truma VeGa

Немецкая компания Truma, специализирующая в области газовых и электрических устройств для караванинга, совместно с институтом микро техники IMM разработали генератор электроэнергии на топливных элементах Truma VeGa. Идея заключалась в том, что бы сделать доступный генератор на новой, набирающей популярность технологии топливных элементов для массового потребителя. Система получила серебряную награду F-CELL в 2007 году и премию на выставке Bavarian Energy в 2008 году. Широкой публике технологичный продукт был представлен на выставке Caravan Salon в 2012 году в Дюссельдорфе. В том же году стартовало ее серийное производство и продажи.

Для выработки водорода с последующим преобразование его в электроэнергию, Vega использует сжиженный углеводородный газ (пропан/бутан). Максимальная производительность устройства 250 Вт/час или 6 Квт/сутки. Тем самым, VeGa дает возможность пользоваться одновременно множеством потребителей энергии в доме на колесах. Из стандартного, заправленного пропаном, 11 кг. баллона, VeGa способна выжать до 28 Квт электроэнергии. Таким образом, в зависимости от потребления электроэнергии, можно проживать автономно до нескольких недель.

Читайте также:  Монтаж гидроаккумулятора своими руками видео

Система работает полностью автоматически. Как только напряжение на аккумуляторе «проседает» ниже нормального, Vega включается и заряжает аккумулятор током до 20 А. Правильный ток зарядки может быть адаптирован по различные виды аккумуляторов (кислотные, щелочные, гелиевые). После достижения оптимального напряжения на клеммах аккумулятора, VaGa возвращается в режим ожидания. Так же генератор на топливных элементах VeGa можно запустить принудительно. Цветной сенсорный дисплей отображает все необходимые параметры работы: зарядный ток, напряжения аккумулятора, интервалы работы.

Преимуществом данной системы перед другими альтернативными источниками энергии (солнечные панели и ветрогенераторы) является доступность и относительная дешевизна используемого сырья (газ пропан/бутан), стабильность работы в любое время суток в широком диапазоне температур.

А теперь о грустном. Рыночная стоимость Truma Vega по каталогу Movera составляла 7000 евро. Слишком высокая цена за новые технологии даже для европейского караванера. Продажи шли очень вяло. Truma VeGa исчезла со страниц каталогов в 2015 году. Сегодня компания Truma об этой системе старается не вспоминать.

EFOY

Компания EFOY больше преуспела в разработке и реализации генераторов на топливных элементах. Главное отличие от Truma Vega в том, что в качества сырья (топлива) генераторы EFOY используют метанол (метиловый спирт СН₃ОН). Метанол продает сам завод изготовитель в канистрах 5 и 10 л. (цена по каталогу Movera 30 и 45 евро соответственно). 5 литров метанола достаточно для выработки 5.5 кВт электроэнергии.

Для автодомов и караванов EFOY выпускает 3 вида генераторов:

Та же как и VeGa, EFOY имеет автоматическую функцию поддержания заряда на аккумуляторе и включается только при необходимости.

Так же компания EFOY выпускает генераторы серии Pro для промышленных масштабов.

Недостатки. по прежнему не решена ценовая проблема топливных элементов. В качестве катализатора в ячейках топливных элементов используют дорогой материал — платину, что конечно же сказывается на цене.

Стоит отметить, что топливными элементами, работающими на метаноле, занимается, помимо EFOY, еще большое количество компаний. Компания Toshiba внедряет компактные метаноловые топливные элементы для питания плееров, телефонов и ноутбуков. Топливные элементы, работающие на этиловом спирте на сегодняшний день являются наиболее вероятной заменой привычных нам аккумуляторов.

Источник

DENSO › Блог › Из чего это сделано: водородные топливные ячейки

Вода из выхлопной трубы?

Итак, есть еще один вариант того, что можно сжигать в ДВС вместо бензина или дизельного топлива, — это водород. Известно, что продуктом окисления водорода является вода. Сжигаем водород в кислороде, получаем энергию для работы поршней, а на выходе — водяной пар. Ну не прекрасно ли? И все же есть свои нюансы: водород при сгорании выделяет больше тепла, чем нефтепродукты, тем самым чересчур раскаляя двигатель. Кроме того, сгорая с воздухом, а не с чистым кислородом, он создает ряд вредных примесей. Все это не позволяет просто так сжигать водород в ДВС.

Однако есть и другое решение, предусматривающее использование водорода в качестве топлива. Еще 200 лет назад был изобретен генератор, в котором водород, соединяясь с кислородом, производит воду, а «побочным» продуктом реакции становится электричество. В двух словах принцип работы таков: объемная ячейка разделяется на две половины пластиной из особого материала, способного пропускать протоны и не пропускать электроны. В каждой из половин ячейки устанавливаются два электрода, связанные между собой в электрическую цепь. В одну половину ячейки подается водород, в другую — кислород. Катализатор, нанесенный на разделяющую мембрану, активирует реакцию водорода с кислородом; при этом атомы водорода расщепляются на протоны и электроны. Протоны проходят сквозь мембрану и, соединяясь с кислородом, дают воду. А электроны уходят в подсоединенную электрическую цепь, давая ток.

Такие водородно-кислородные топливные элементы уже применялись в космосе: они питали энергией советский многоразовый корабль «Буран».

Из космоса в автомобиль

Топливный элемент такого типа удалось приспособить и для автомобиля, причем один из первых вариантов предложили отечественные конструкторы. Компактный водородный генератор состоит из множества ячеек, принцип работы которых описан выше. Напряжение каждой ячейки низкое — от 0.6 до 1.0 В, но, если соединить ячейки последовательно, можно получить необходимое высокое напряжение.

Дальше всех в этом направлении продвинулись японские инженеры. Совместными усилиями специалистов Toyota и DENSO удалось создать эффективный водородно-воздушный генератор, который стал основой для серийной Toyota Mirai.

Блок управления мощностью (PCU) Toyota Mirai производства DENSO решает, когда и как использовать производимую водородным генератором электроэнергию: часть ее система перенаправляет для хранения в литий-ионную батарею. Эта же батарея дополнительно заряжается и при рекуперации энергии торможения. При необходимости выдачи пиковой мощности (во время старта и разгона) используется как энергия водородного генератора, так и запасы батареи.

Запас хода Toyota Mirai второго поколения составляет внушительные 800 км (по циклу NEDC); при этом время полной заправки длится от 3 до 5 минут, что несравнимо быстрее, чем у электромобиля. Второе поколение Mirai с усовершенствованными топливными ячейками дебютировало на Токийском автосалоне два месяца назад, а уже в 2020 году этот автомобиль поступит в серийное производство.

Когда-нибудь — возможно, и не в столь отдаленном, как нам кажется, будущем — в каталоге DENSO для рынка послепродажного обслуживания автомобилей появятся, например, компоненты управления водородной силовой установкой. А пока в нем представлены более традиционные запчасти, обладающие, тем не менее, оригинальным качеством, надежностью и отличными рабочими характеристиками. Подобрать подходящие запчасти можно в нашем электронном каталоге.

Источник

Adblock
detector