Топливная ячейка
Топливный элемент — это электрохимический элемент , который преобразует химическую энергию топлива (часто водорода ) и окислителя (часто кислорода [1] ) в электричество посредством пары окислительно -восстановительных реакций. [2] Топливные элементы отличаются от большинства аккумуляторов тем, что для поддержания химической реакции требуется непрерывный источник топлива и кислорода (обычно из воздуха), тогда как в аккумуляторе химическая энергия обычно исходит от металлов и их ионов или оксидов [3] , которые обычно уже присутствуют в батарее, за исключением проточных батарей. Топливные элементы могут непрерывно производить электричество, пока подаются топливо и кислород.
Первые топливные элементы были изобретены сэром Уильямом Гроувом в 1838 году. Первое коммерческое использование топливных элементов произошло более века спустя после изобретения водородно-кислородного топливного элемента Фрэнсисом Томасом Бэконом в 1932 году. Щелочной топливный элемент , также известный как как топливный элемент Бэкона по имени его изобретателя, использовался в космических программах НАСА с середины 1960-х годов для выработки энергии для спутников и космических капсул . С тех пор топливные элементы использовались во многих других областях. Топливные элементы используются для основного и резервного питания коммерческих, промышленных и жилых зданий, а также в удаленных или труднодоступных районах. Они также используются для питания транспортных средств на топливных элементах ., включая вилочные погрузчики, автомобили, автобусы, лодки, мотоциклы и подводные лодки.
Существует много типов топливных элементов, но все они состоят из анода , катода и электролита , который позволяет ионам, часто положительно заряженным водородным ионам (протонам), перемещаться между двумя сторонами топливного элемента. На аноде катализатор вызывает реакции окисления топлива, в результате которых образуются ионы (часто положительно заряженные ионы водорода) и электроны. Ионы перемещаются от анода к катоду через электролит. В то же время электроны текут от анода к катоду через внешнюю цепь, создавая постоянный токэлектричество. На катоде другой катализатор вызывает реакцию ионов, электронов и кислорода с образованием воды и, возможно, других продуктов. Топливные элементы классифицируются по типу электролита, который они используют, и по разнице во времени запуска от 1 секунды для топливных элементов с протонообменной мембраной (топливные элементы PEM или PEMFC) до 10 минут для твердооксидных топливных элементов (SOFC). Связанной технологией являются проточные батареи , в которых топливо можно регенерировать путем перезарядки. Отдельные топливные элементы производят относительно небольшой электрический потенциал, около 0,7 вольт, поэтому элементы «укладываются друг на друга» или размещаются последовательно для создания достаточного напряжения для удовлетворения требований приложения. [4]В дополнение к электричеству топливные элементы производят воду, тепло и, в зависимости от источника топлива, очень небольшое количество диоксида азота и других выбросов. Энергетическая эффективность топливного элемента обычно составляет от 40 до 60%; однако, если отработанное тепло улавливается в схеме когенерации , можно получить эффективность до 85%. [5]
Первые упоминания о водородных топливных элементах появились в 1838 году. В письме, датированном октябрем 1838 года, но опубликованном в декабрьском выпуске Лондонского и Эдинбургского философского журнала и Журнала науки , валлийский физик и адвокат сэр Уильям Гроув написал о разработке своего первого сырые топливные элементы. Он использовал комбинацию листового железа, медных и фарфоровых пластин, а также раствор сульфата меди и разбавленной кислоты. [6] [7] В письме к тому же изданию, написанном в декабре 1838 г., но опубликованном в июне 1839 г., немецкий физик Кристиан Фридрих Шёнбейн рассказал о первом изобретенном им грубом топливном элементе. В его письме обсуждался ток, генерируемый растворенными в воде водородом и кислородом.[8] Позже Гроув набросал свой дизайн в 1842 году в том же журнале. В топливном элементе, который он сделал, использовались материалы, аналогичные сегодняшним топливным элементам на фосфорной кислоте . [9] [10]
В 1932 году Фрэнсис Томас Бэкон изобрел топливный элемент, работающий на основе водорода и кислорода. Это использовалось НАСА для питания освещения, кондиционирования воздуха и связи.
