Как сделать топливный элемент своими руками. Биотопливные элементы своими руками
Я вставляю штуцер заправочного шланга в горловину топливного бака и поворачиваю его на полоборота, чтобы загерметизировать соединение. Щелчок тумблера - и мигание светодиода на заправочной колонке с огромной надписью h3 показывает, что заправка началась. Минута - и бак полон, можно ехать!
Элегантные обводы корпуса, сверхнизкая подвеска, низкопрофильные слики выдают настоящую гоночную породу. Сквозь прозрачную крышку видно хитросплетение трубопроводов и кабелей. Где-то я уже видел подобное решение… Ах да, на Audi R8 сквозь заднее стекло тоже виден двигатель. Но на Audi он традиционный бензиновый, а эта машина работает на водороде. Как и BMW Hydrogen 7, но только, в отличие от последней, здесь внутри нет ДВС. Единственные движущиеся части - рулевой механизм и ротор электромотора. А энергию для него дает топливный элемент. Выпущен этот автомобиль сингапурской компанией Horizon Fuel Cell Technologies, специализирующейся на разработке и производстве топливных элементов. В 2009 году британская компания Riversimple уже представила городской водородомобиль, приводимый в движение топливными элементами Horizon Fuel Cell Technologies. Он разработан в сотрудничестве с Университетами Оксфорда и Крэнфилда. А вот Horizon H-racer 2.0 - сольная разработка.
Топливный элемент представляет собой два пористых электрода, покрытых слоем катализатора и разделенных протонообменной мембраной. Водород на катализаторе анода превращается в протоны и электроны, которые через анод и внешнюю электрическую цепь приходят на катод, где водород и кислород рекомбинируют с образованием воды.
«Поехали!» - по‑гагарински подталкивает меня локтем главный редактор. Но не так быстро: сначала нужно «прогреть» топливный элемент на неполной нагрузке. Переключаю тумблер в режим «warm up» («прогрев») и жду положенное время. Потом на всякий случай дозаправляю бак до полного. Вот теперь поехали: машинка, плавно жужжа двигателем, трогается вперед. Динамика впечатляет, хотя, впрочем, чего еще ждать от электромобиля - момент постоянный на любых оборотах. Хотя и ненадолго - полного бака водорода хватает всего на несколько минут (компания Horizon обещает в ближайшем будущем выпустить новый вариант, в котором водород не запасается в виде газа под давлением, а удерживается пористым материалом в адсорбере). Да и управляется, прямо скажем, не очень - на дистанционном управлении всего две кнопки. Но в любом случае жаль, что это только радиоуправляемая игрушка, которая обошлась нам в $150. Мы бы не отказались покататься на настоящей машине с топливными элементами в качестве энергетической установки.
Бак, эластичная резиновая емкость внутри жесткого кожуха, при заправке растягивается и работает в качестве топливного насоса, «выдавливая» водород в топливный элемент. Чтобы не «перезаправить» бак, один из штуцеров подключен пластиковой трубкой к аварийному клапану сброса давления.
Заправочная колонка
Сделай сам
Машина Horizon H-racer 2.0 поставляется в виде набора для крупноузловой сборки (типа «сделай сам»), купить её можно, например, на «Амазоне». Однако собрать ее несложно - достаточно поставить на место топливную ячейку и закрепить ее винтами, подсоединить шланги к баку для водорода, топливному элементу, заправочной горловине и аварийному клапану, и остается только поставить верхнюю часть корпуса на место, не забыв передний и задний бамперы. В комплекте идет заправочная станция, которая получает водород методом электролиза воды. Питается она от двух батареек АА, а если захочется, чтобы энергия была совсем «чистой», - от солнечных батарей (они тоже входят в комплект).
www.popmech.ru
Как сделать топливный элемент своими руками?
Безусловно, самое простое решение проблемы обеспечения постоянной работы безтопливных систем заключается в приобретении готового вторичного источника энергии на гидравлической или любой другой основе, однако в этом случае избежать дополнительных расходов уж точно не удастся, да и в этом процессе довольно сложно рассмотреть какую-либо идею для полета творческой мысли. Кроме того, выполнить топливный элемент своими руками вовсе не так сложно, как можно подумать на первый взгляд, и при желании с поставленной задачей сможет справиться даже самый малоопытный мастер. К тому же, более чем приятным бонусом станут малые расходы для создания данного элемента, ведь несмотря на всю его пользу и важность, можно будет абсолютно спокойно обойтись уже имеющимися в наличии подручными средствами.
При этом единственный нюанс, который необходимо учитывать перед выполнением поставленной задачи, заключается в том, что своими руками можно изготовить исключительно маломощное приспособление, а воплощение в реальность более усовершенствованных и сложных установок следует все-таки предоставить квалифицированным специалистам. Что касается порядка работы и очередности действий, то в первую очередь следует выполнить корпус, для чего лучше всего использовать толстостенное оргстекло (не менее 5 сантиметров). Для склеивания стенок корпуса и монтажа внутренних перегородок, для которых лучше всего использовать более тонкое оргстекло (хватит и 3 миллиметров) в идеале использовать двухкомпозитный клей, хотя при большом желании качественную спайку можно выполнить самостоятельно, используя следующие пропорции: на 100 грамм хлороформа - 6 граммов стружки из того же оргстекла.
При этом процесс необходимо проводить исключительно под вытяжкой. Для того, чтобы оборудовать корпус так называемой сливной системой, в его передней стенке необходимо осторожно просверлить сквозное отверстие, диаметр которого будет в точности совпадать с габаритами резиновой пробки, служащей, своего рода, прокладкой между корпусом и стеклянной трубочкой слива. Что касается размеров самой трубочки, то в идеале предусматривать ее ширину равной пяти-шести миллиметрам, хотя все зависит от типа проектируемой конструкции. С большей вероятностью можно утверждать, что определенное удивление у потенциальных читателей данной статьи вызовет старый противогаз, приведенный в перечне необходимых элементов для выполнения топливного элемента. Между тем, вся польза данного приспособления кроется в активированном угле, расположенном в отсеках его респиратора, который в дальнейшем можно использовать, как электроды.
Так как речь идет о порошкообразной консистенции, то для усовершенствования конструкции понадобятся чулки из капрона, из которых можно будет легко изготовить мешочек и сложить туда уголь, иначе он будет попросту высыпаться из отверстия. Что касается распределительной функции, то сосредоточение топлива происходит в первой камере, в то время, как кислород, необходимый для нормального функционирования топливного элемента, напротив, будет циркулировать в последнем, пятом отсеке. Сам электролит, расположенный между электродами следует пропитать специальным раствором (бензин с парафином в соотношении 125 на 2 миллилитра), причем делать это нужно еще до закладки воздушного электролита в четвертый отсек. Для обеспечения должной проводимости, поверх угля укладывают медные пластинки с заблаговременно припаянными проводами, через которые электроэнергия будет передаваться от электродов.
Данный этап конструирования можно смело считать завершающим, после проведения которого проводят зарядку готового устройства, для чего понадобится электролит. Для того, чтобы его приготовить, необходимо смешать в равных частях этиловый спирт с дистиллированной водой и приступать к постепенному введению едкого калия из расчета 70 грамм на стакан жидкости. Проведение первого испытания изготовленного устройства заключается в одновременном заполнении первого (топливная жидкость) и третьего (изготовленный из этилового спирта и едкого калия электролит) контейнеров корпуса из оргстекла.
uznay-kak.ru
Водородные топливные элементы | ЛАВЕНТ
Давно хотел рассказать про ещё одно направление компании Альфаинтек. Это разработка, продажа и обслуживание водородных топливных элементов. Сразу хочу объяснить ситуацию с данными топливными элементами в России.
Из-за достаточно высокой стоимости и полного отсутствия водородных станций для зарядки данных топливных элементов, продажа их в России не предполагается. Тем не менее в Европе, особенно в Финляндии, данные топливные элементы с каждым годом набирают популярность. В чём же секрет? Давайте посмотрим. 
Данное устройство экологически чистое, легкое в эксплуатации и эффективное. Оно приходит на помощь человеку там, где ему необходима электрическая энергия. Вы можете взять его с собой в дорогу, в поход, использовать на даче, в квартире как автономный источник электроэнергии.
Электричество в топливном элементе вырабатывается в результате химической реакции водорода, поступающего из баллона, с гидридом металла и кислородом из воздуха. Баллон не взрывоопасен и может храниться у Вас в шкафу годы, ожидая своего часа. Вот это, пожалуй, одно из главных достоинств данной технологии хранения водорода. Именно хранение водорода является одной из главных проблем в развитии водородного топлива. Уникальные новые легкие топливные элементы, которые преобразуют водород в обычное электричество, безопасно, тихо и без выброса вредных веществ.
Данный вид электричества можно использовать в тех местах, где нет центрального электричества, или как аварийный источник питания.
В отличие от обычных аккумуляторов, которые нужно заряжать и при этом отключать от потребителя электроэнергии в процессе зарядки, топливный элемент работает как «умное» устройство. Данная технология обеспечивает бесперебойное питание в течение всего срока использования благодаря уникальной функции сохранения питания при смене ёмкости с топливом, что позволяет пользователю никогда не выключать потребитель. В закрытом футляре топливные элементы могут храниться на протяжении нескольких лет без потери объема водорода и уменьшения своей мощности.
Топливный элемент предназначен для ученых и исследователей, служб охраны правопорядка, спасателей, владельцев судов и пристаней для яхт, и для всех тех, кому нужен надежный источник питания на случай экстренных ситуаций. 
Вы можете получить напряжение 12 вольт или 220 вольт и тогда у вас будет достаточно энергии, чтобы использовать телевизор, стереосистему, холодильник, кофеварку, чайник, пылесос, дрель, микроплиту и другие электробытовые приборы.
Топливные элементы Hydrocell могут продаваться как единичное устройство, так и батареями из 2–4 элементов. Два или четыре элемента могут быть объединены либо для увеличения мощности, либо для увеличения силы тока. 
ВРЕМЯ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОБЫТОВЫХ ПРИБОРОВ С ТОПЛИВНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
| Электробытовые приборы | Время работы за день (мин.) | Потреб. мощность за день(Вт*ч) | Время работы с топливными элементами |
|||
| Электрический чайник | ||||||
| Кофеварка | ||||||
| Микроплита | ||||||
| Телевизор | ||||||
| 1 лампочка 60W | ||||||
| 1 лампочка 75W | ||||||
| 3 лампочки 60W | ||||||
| Компьютер ноутбук | ||||||
| Холодильник | ||||||
| Энергосберегающая лампа | ||||||
* - непрерывная работа
Топливные элементы полностью заряжаются на специальных водородных станциях. Но что, если вы отправляетесь далеко от них и нет возможности подзарядиться? Специально для таких случаев специалисты компании Alfaintek разработали баллоны для хранения водорода, с которыми топливные элементы проработают значительно дольше.
Выпускаются два типа баллонов: НС-МН200 и НС-МН1200.НС-МН200 в сборе имеет размер чуть больше банки для кока-колы, он вмещает в себя 230 литров водорода, что соответствует 40Ач (12V), и весит всего 2,5 кг.Баллон с гидридом металла НС-МН1200 вмещает в себя 1200 литров водорода, что соответствует 220Ач (12V). Вес баллона 11 кг.
Техника применения гидридов металлов является безопасным и легким способом хранения, перевозки и использования водород. При хранении в виде гидрида металла водород находится в форме химического соединения, а не в газообразной форме. Данный метод дает возможность получить достаточно большую плотность энергии. Преимуществом применения гидрида металла является то, что давление внутри баллона составляет всего 2-4 бара.Баллон не взрывоопасен и может храниться годы без снижения объема вещества. Поскольку водород хранится в виде гидрида металла, чистота водорода, полученного из баллона, очень высока - 99,999%. Баллоны для хранения водорода в виде гидрида металла можно использовать не только с топливными элементами HC 100,200,400, но и в других случаях, когда нужен чистый водород. Баллоны можно легко подсоединить к топливному элементу или к другому устройству при помощи быстро соединяющегося разъема и гибкого шланга.
Очень жаль, что данные топливные элементы не продаются в России. А ведь среди нашего населения так много людей, которые нуждаются в таковых. Чтож поживём, увидим, глядишь и у нас появятся. А пока будем покупать навязанные государством энергосберегающие лампочки.
P.S. Похоже тема окончательно ушла в небытиё. Через столько лет после написания этой статьи не вышло ничего. Может я, конечно, не везде ищу, но то, что попадается на глаза совсем не радует. Технология и задумка хорошая, но вот развития пока не нашла.
lavent.ru
Топливный элемент – будущее, которое начинается сегодня!
Начало ХХІ века рассматривает экологию как одну из самых главных мировых задач. И первое, чему следует уделить внимание в сложившихся условиях, это поиск и применение альтернативных источников энергии. Именно они способны препятствовать загрязнению окружающей нас среды, а также полностью отказаться от непрерывно дорожающего топлива на основе углеводорода.
Уже сегодня нашли применение такие источники энергии, как солнечные элементы и ветряные установки. Но, к сожалению, их недостаток связан с зависимостью от погоды, а также от сезона и времени суток. По этой причине от их использования в космонавтике, авиа- и автомобилестроении постепенно отказываются, а для стационарного применения их комплектуют с вторичными источниками питания – аккумуляторами.
Однако лучшим решением является топливный элемент, так как он не требует постоянной энергетической подзарядки. Это устройство, которое способно к переработке и преобразованию различного вида топлива (бензина, спирта, водорода и др.) непосредственно в электрическую энергию.
Топливный элемент работает по следующему принципу: извне подается топливо, которое окисляется кислородом, а выделяемая при этом энергия превращается в электричество. Такой принцип действия обеспечивает практически вечную эксплуатацию.
Начиная с конца ХІХ века ученые изучали непосредственно топливный элемент, и постоянно разрабатывали новые его модификации. Так, на сегодня, в зависимости от условий эксплуатации, существуют алкалиновые или щелочные (AFC), прямые борогидратные (DBFC), электро-гальванические (EGFC), прямые метанольные (DMFC), цинково-воздушные (ZAFC), микробные (MFC), также известны модели на муравьиной кислоте (DFAFC) и на металлических гидридах (MHFC).
Одним из самых перспективных считается водородный топливный элемент. Использование водорода в силовых установках сопровождается значительным выделением энергии, а выхлопы такого устройства – это чистый водяной пар или питьевая вода, которые не несут никакой угрозы окружающей среде.
Успешное испытание топливных элементов данного типа на космических кораблях в последнее время вызвало немалый интерес у производителей электроники и различной техники. Так, компания PolyFuel представила миниатюрный топливный элемент на водородном топливе для ноутбуков. Но слишком высокая стоимость такого устройства и сложности в беспрепятственной его заправке ограничивает промышленный выпуск и широкое распространение. Также компания Honda уже свыше 10 лет выпускает автомобильные топливные элементы. Однако в продажу такой вид транспорта не поступает, а только в служебное пользование сотрудников компании. Автомобили находятся под наблюдением инженеров.
Многие задаются вопросом о том, а возможно ли собрать топливный элемент своими руками. Ведь существенным преимуществом самодельного устройства будет незначительное вложение средств, в отличие от промышленной модели. Для миниатюрной модели понадобится 30 см покрытой платиной никелевой проволоки, небольшой кусочек пластмассы или древесины, клипса для 9-вольтовой батареи и сама батарея, прозрачная липкая лента, стакан воды и вольтметр. Такое устройство позволит увидеть и понять суть работы, но генерировать для автомобиля электроэнергию, конечно же, не получится.
fb.ru
Водородные топливные элементы: немного истории | Водород
В наше время особенно остро стоит проблема дефицита традиционных энергетических ресурсов и ухудшение состояния экологии планеты в целом из-за их использования. Именно поэтому в последнее время значительные финансовые средства и интеллектуальные ресурсы тратятся на разработку потенциально перспективных заменителей углеводородного топлива. Таким заменителем в самое ближайшее время может стать водород, поскольку его использование в силовых установках сопровождается выделением большого количества энергии, а выхлопы представляют собой водяной пар, то есть не представляют опасности для окружающей среды.
Несмотря на некоторые существующие до сих пор технические сложности по внедрению топливных элементов на основе водорода, многие производители автомобилей оценили перспективность технологии и уже активно разрабатывают прототипы серийных автомобилей, способных использовать водород в качестве основного топлива. Еще в две тысячи одиннадцатом концерн Daimler AG представил концептуальные модели Mersedes-Benz с водородными силовыми установками. Кроме того, корейская компания Hyndayi официально заявила, что не намерена больше развивать электрические автомобили, а все усилия сконцентрирует на разработке доступного водородного автомобиля.
Несмотря на то, что сама идея использовать водород в качестве топлива для многих не является дикой, большинство не представляет, как устроены топливные элементы, использующие водород и что в них такого примечательного.
Чтобы понять важность технологии, редлагаем обратиться к истории водородных топливных элементов.
Первым человеком, который описал потенциал использования водорода в топливном элементе, был немец по национальности - Christian Friedrich. Еще в далеком 1838 году он опубликовал свою работу в известном научном журнале того времени.
Уже в следующем году судьей из Ульса, сэром William Robert Grove был создан прототип работоспособной водородной батареи. Однако мощность устройства была слишком маленькой даже по меркам того времени, поэтом о его практическом использовании не могло быть и речи.
Что касается термина «топливный элемент» - он своим существованием обязан ученым Ludwig Mond и Charles Langer, которые в 1889 году предприняли попытку создания топливного элемента, работающего на воздухе и коксовом газе. По другим данным впервые термин был использован William White Jaques, который впервые решил использовать фосфорную кислоту в электролите.
В 1920-х годах в Германии был произведен целый ряд исследований, результатом которых стало открытие твердооксидных топливных элементов и путей использования цикла карбоната. Примечательно, что эти технологии эффективно используются и в наше время.
В 1932 году инженером Francis T Bacon была начата работа по исследованию непосредственно топливных элементов на основе водорода. До него ученые использовали наработанную схему – пористые платиновые электроды помещались в серную кислоту. Очевидный минус подобной схемы заключается, прежде всего, в ее неоправданной дороговизне ввиду использования платины. Кроме того, использование едкой серной кислоты создавало угрозу для здоровья, а порой и жизни, исследователей. Бэйкон решил оптимизировать схему и заменил платину никелем, а в качестве электролита использовал щелочной состав.
Благодаря продуктивной работе по усовершенствованию своей технологии, Бэйкон уже в 1959 году представил широкой публике свой оригинальный водородный топливный элемент, который выдавал 5 кВт и мог питать сварочный аппарат. Представленное устройство он назвал «Bacon Cell».
В октябре того же года был создан уникальный трактор, который работал на водороде и выдавал мощность в двадцать лошадиных сил.
В шестидесятых годах двадцатого столетия американской компанией General Electric разработанная Бэконом схема была усовершенствована и применена для космических программ Apollo и NASA Gemini. Специалисты из NASA пришли к выводу, что использование ядерного реактора слишком дорого, технически сложно и небезопасно. Кроме того, пришлось отказаться от использования аккумуляторов вместе с солнечными батареями из-за их больших габаритов. Решением проблемы стали водородные топливные элементы, которые способны снабжать космический аппарат энергией, а его экипаж чистой водой.
Первый автобус, использующий в качестве топлива водород, был построен еще в 1993 году. А прототипы легковых автомобилей работающих на водородных топливных элементах были представлену уже в 1997 году такими мировыми автомобильными брендами как Toyota и Daimler Benz.
Немного странно, что перспективное экологичное топливо, реализованное пятнадцать лет назад в автомобиле до сих пор не получило повсеместного распространения. Причин этому множество, главными из которых, пожалуй, являются политическая и требовательность к созданию соответствующей инфраструктуры. Будем надеяться, что водород еще скажет свое слово и составит ощутимую конкуренцию электрическим автомобилям.{odnaknopka}
energycraft.org
Создано 14.07.2012 20:44 Автор: Алексей НоркинНаше материальное общество без энергии не может не только развиваться, но и вообще существовать. Откуда берется энергия? До недавнего времени люди использовали всего один способ ее получения, мы воевали с природой, сжигая добытые трофеи в топках сначала домашних очагов, затем паровозов и мощных тепловых электростанций.
На потребленных современным обывателем киловатт-часах отсутствуют этикетки, где указывалось бы, сколько лет трудилась природа, чтобы цивилизованный человек мог насладиться благами технологий, и сколько лет ей еще предстоит трудиться, чтобы сгладить вред, нанесенный ей такой цивилизацией. Однако в обществе зреет понимание, что рано или поздно иллюзорная идиллия закончится. Все чаще люди изобретают способы обеспечения энергией своих потребностей с минимальным ущербом для природы.
Водородные топливные элементы – Святой Грааль чистой энергии. Они перерабатывают водород, один из распространенных элементов периодической системы и выделяют лишь воду, самое распространенное на планете вещество. Радужную картину портит отсутствие у людей доступа к водороду, как веществу. Его много, но только в связанном состоянии, и добыть его куда сложнее, чем выкачать из недр нефть или выкопать уголь.
Один из вариантов чистого и безвредного для природы получения водорода – микробные топливные элементы (МТБ), использующие микроорганизмы для разложения воды на кислород и водород. Здесь тоже не все гладко. Микробы прекрасно справляются с задачей получения чистого топлива, но для достижения требуемой на практике эффективности МТБ нужен катализатор, ускоряющий одну из химических реакций процесса.
Этот катализатор – драгоценный металл платина, стоимость которого делает использование МТБ экономически неоправданным и практически невозможным.
Ученые из Университета Висконсин-Милуоки нашли замену дорогому катализатору. Вместо платины они предложили использовать дешевые наностержни из комбинации углерода, азота и железа. Новый катализатор представляет собой графитовые стержни с внедренным в поверхностный слой азотом и с сердечниками из карбида железа. В течение трехмесячного тестирования новинки, катализатор продемонстрировал возможности выше, чем у платины. Работа наностержней оказалась более стабильной и управляемой.
И что самое главное, детище университетских ученых значительно дешевле. Так стоимость платиновых катализаторов составляет примерно 60% стоимости МТБ, в то время как расходы на наностержни укладываются в 5% их нынешней цены.
По словам создателя каталитических наностержней профессора Юхонг Чена (Junhong Chen): «Топливные ячейки способны напрямую преобразовывать топливо в электричество. Вместе с ними электрическая энергия из возобновляемых источников может быть доставлена туда, куда необходимо, что чисто, эффективно и устойчиво».
Сейчас профессор Чен вместе со своей командой исследователей занят изучением точных характеристик катализатора. Их цель придать своему изобретению практическую направленность, сделать его пригодным для массового производства и применения.
По материалам Gizmag
www.facepla.net
Водородные топливные элементы и энергетические системы
Автомобиль работающий на воде скоро может стать настоящей реальностью а водородные топливные элементы будут установлены во многих домах...
Технология водородных топливных элементов не нова. Она началась в 1776 году, когда впервые Генри Кавендиш открыл водород во время растворения металлов в разбавленных кислотах. Первый водородный топливный элемент был изобретен уже в 1839 году Уильямом Гроув. С тех пор, водородные топливные элементы постепенно совершенствовались и в настоящее время они устанавливаются в космических челноках, снабжая их энергией и служа источником воды. Сегодня, технология водородных топливных элементов находится на грани появления их на массовом рынке, в автомобилях, домах и в портативных устройствах.
В водородном топливном элементе химическая энергия (в виде водорода и кислорода) преобразуется непосредственно (без горения) в электрическую энергию. Топливный элемент состоит из катода, электродов и анода. Водород подается в к аноду, где он разделяется на протоны и электроны. У протонов и электронов разные маршруты к катоду. Протоны движутся через электрод к катоду, а электроны чтобы добраться до катода проходят вокруг топливных элементов. Это движение создает в последствии используемую электрическую энергию. На другой стороне, протоны водорода и электроны в сочетании с кислородом, образуют воду.
Электролизеры являются одним из способов извлечения водорода из воды. Процесс в основном противоположен тому, что происходит при работе водородного топливного элемента. Электролизер состоит из анода, электрохимической ячейки и катода. Вода и напряжение подаются на анод, который расщепляет воду на водород и кислород. Водород проходит через электрохимическую ячейку к катоду а кислород подаётся к катоду напрямую. Оттуда, водород и кислород могут быть извлечены и сохранены. Во время, когда электричество не требуется производить, скопившийся газ может быть выведен из хранилища и пропущен обратно через топливный элемент.
В качестве топлива эта система использует водород, наверное именно поэтому имеется много мифов о её безопасности. После взрыва "Гинденбурга" многие далёкие от науки люди и даже некоторые учёные стали считать что использование водорода очень опасно. Однако недавние исследования показали, что причина этой трагедии была связана с типом материала, который использовался в строительстве, а не с водородом, который был закачан внутрь. После проведённых испытаний на безопасность хранения водорода было обнаружено, что хранение водорода в топливных элементах является более безопасным, чем хранение бензина в топливном баке автомобиля.
Сколько же стоят современные водородные топливные элементы? В настоящее время компании предлагают водородные топливные системы производящие энергию по цене около $ 3000 за киловатт. Маркетинговые исследования установили, что когда стоимость упадет до $ 1500 за киловатт, потребители на массовом рынке энергоресурсов готовы будут перейти на этот вид топлива.
Автомобили на водородных топливных элементах по-прежнему более дороги, чем автомобили на двигателях внутреннего сгорания, но производители исследуют способы довести цену до сопоставимого уровня. В некоторых отдаленных районах, где нет линий электропередач, использование водорода в качестве топлива или автономное электроснабжение дома может быть более экономичным уже сейчас, чем например создание инфраструктуры для традиционных энергоносителей.
Почему же водородные топливные элементы до сих пор не получили широкого распространения? На данный момент их высокая стоимость является основной проблемой для распространения водородных топливных элементов. Водородные топливные системы на данный момент просто не имеют массового спроса. Однако наука не стоит на месте и уже в скором будущем автомобиль работающий на воде может стать настоящей реальностью.
www.tesla-tehnika.biz
Подготовьте все необходимое. Чтобы сделать простой топливный элемент, вам понадобится 30 сантиметров платиновой или покрытой платиной проволоки, палочка для мороженого, 9-вольтовая батарейка и держатель для нее, прозрачный скотч, стакан воды, поваренная соль (необязательно), тонкий металлический стержень и вольтметр.
- 9-вольтовую батарейку и батарейный держатель можно приобрести в магазине электроники или бытовой техники.
Отрежьте от платиновой или покрытой платиной проволоки два кусочка длиной 15 сантиметров. Платиновая проволока используется для специальных целей, ее можно приобрести в магазине электроники. Она послужит в качестве катализатора реакции.
Навейте кусочки проволоки на тонкий металлический стержень, чтобы придать им форму пружин. Это будут электроды топливного элемента. Возьмитесь за конец проволоки и туго навейте ее на стержень, чтобы получилась цилиндрическая пружина. Снимите со стержня первую проволоку и навейте второй кусочек проволоки.
- В качестве стержня для навивки проволоки можно использовать гвоздь, проволочную вешалку или щуп тестера.
Разрежьте пополам провода батарейного держателя. Возьмите кусачки, разрежьте пополам оба прикрепленные к держателю провода и снимите с них изоляцию. Эти оголенные провода вы прикрепите к электродам.
- С помощью соответствующей части кусачек очистите концы проволоки от изоляции. Снимите изоляцию с концов тех проводов, которые вы отрезали от батарейного держателя.
- Режьте проволоку под присмотром взрослых.
Прикрепите очищенные от изоляции концы проводов к электродам. Подсоедините провода к электродам, чтобы затем подключить к ним источник питания (держатель с батарейкой) и вольтметр, который позволит определить, какое напряжение создает топливный элемент.
- Закрутите красный провод батарейного держателя и отрезанный красный провод вокруг верхнего конца одной из проволочных катушек так, чтобы ее бо́льшая часть осталась свободной.
- Обмотайте верхний конец второй катушки черным проводом батарейного держателя и отрезанным черным проводом.
Прикрепите электроды к палочке для мороженого или деревянному стержню. Палочка для мороженого должна быть длиннее горлышка стакана с водой, чтобы она могла лечь поверх него. Приклейте электроды так, чтобы они свисали с палочки вниз и опускались в воду.
- Можно использовать прозрачный скотч или изоляционную ленту. Главное, чтобы электроды были надежно прикреплены к палочке.
Налейте в стакан водопроводную или соленую воду. Для протекания реакции вода должна содержать электролиты. Для этого плохо подходит дистиллированная вода, так как в ней нет примесей, которые могут послужить электролитами. Для нормального протекания химической реакции можно растворить в воде соль или пищевую соду.
- Минеральные примеси содержатся и в обычной воде из-под крана, поэтому ее можно использовать в качестве электролита, если у вас нет под рукой соли.
- Добавьте соль или пищевую соду из расчета одна столовая ложка (20 граммов) на стакан воды. Размешайте воду, чтобы соль или сода полностью растворилась.
Положите палочку с электродами на горлышко стакана с водой. При этом электроды в виде проволочных пружинок должны погрузиться под воду большей частью своей длины, за исключением контактов с проводами батарейного держателя. Под водой должна оказаться лишь платиновая проволока.
- Если нужно, закрепите палочку с помощью скотча, чтобы электроды оставались в воде.
Подсоедините идущие от электродов провода к вольтметру или светодиодной лампочке. С помощью вольтметра вы сможете определить напряжение, которое создает активированный топливный элемент. Подключите красный провод к положительному, а черный - к отрицательному контакту вольтметра.
- На данном этапе вольтметр может показать маленькое значение, например 0,01 вольта, хотя напряжение на нем должно быть равным нулю.
- Можно также подключить маленькую лампочку, например лампочку от фонарика или светодиод.
История
Первый элемент был сделан, кажется, из грифеля от русского (это важно) простого карандаша, а корпус был пробкой из-под пива. Все это подогревалось на кухонной плите. Электролитом был порошок "Диггер" для прочистки труб, состоящий из NaOH, если верить этикетке. Поскольку удалось получить какой-то ток, я подумал, что, наверное, такой элемент действительно может работать. Консервные банки начинали течь по швам (припой разъедался щелочью), и я даже не помню, какие результаты получились. Для более серьезного опыта купил жульенницу из нержавейки. Однако, с ней ничего не получилось. Мало того, что напряжение было всего 0,5 вольта, оно было еще и направлено не в ту сторону. Также выяснилось, что угольки от карандашей очень любят рассыпаться на составные части. Видимо, они сделаны не из цельного кристалла графита, а склеены из пыли. Та же судьба постигла стержни от пальчиковых батареек. Также были куплены щетки от каких-то электродвигателей, но у них быстро приходили в негодность места, где подводящий провод входит в щетку. К тому же, одна пара щеток, как оказалось, содержала медь или какой-то другой металл (с щетками это бывает).
Крепко почесав затылок, я решил, что для надежности лучше сделать сосуд из серебра, а уголек - по технологии, описанной Жако, т.е., спеканием. Серебро стоит умеренных денег (цены колеблются, но где-то порядка 10-20 рублей за грамм). Я встречал чай, который стоит гораздо дороже.
Известно, что серебро устойчиво в расплаве NaOH, в то время как железо дает ферраты, например, Na2FeO4. Поскольку вообще железо обладает переменной валентностью, то его ионы могут вызвать в элементе "короткое замыкание", во всяком случае, в теории. Поэтому я решил для начала проверить случай серебра, как более простой. Сначала была куплена мельхиоровая посеребреная ложка, и при испытании со щетками сразу получилось 0,9В открытой цепи с нужной полярностью, а также, довольно большой ток. Впоследствии (не практически, а теоретически) выяснилось, что серебро тоже может растворяться в щелочи в присутствии пероксида натрия Na2O2, который в некоторых количествах образуется при продувании воздуха. Будет ли это происходить в элементе или под защитой углерода серебро находится в безопасности - я не знаю.
Ложка прожила недолго. Серебряный слой вздулся и она прекратила работать. Мельхиор неустойчив в щелочи (как и большинство существующих на свете материалов). После этого я сделал специальный стаканчик из серебряной монеты, на котором и была получена рекордная мощность в 0,176 ватт.
Все это было проделано в обычной городской квартире, на кухне. Я ни разу крупно не обжегся, не устроил пожара и всего один раз пролил расплавленную щелочь на плиту (эмаль немедленно разъело). Инструмент был использован самый простой. Если получится узнать правильный вид железа и правильный состав электролита, то такой элемент сможет сделать на коленке каждый не совсем безрукий мужик.
В 2008 году выявилось несколько "правильных видов железа". Например, пищевая нержавейка, жесть консервных банок, электротехнические стали для магнитопроводов, а также низкоуглеродистые стали - ст1пс, ст2пс. Чем меньше углерода, тем лучше работа. Нержавейка, похоже, работает хуже чистого железа (она, кстати, и дороже намного). "Норвежское листовое" железо, оно же - Шведское - это железо, которое делалось кричным способом в Швеции на древесном угле и содержало не более 0,04% углерода. Сейчас такое низкое содержание углерода можно найти только в электротехнических сталях. Наверное, лучше всего делать стаканчики штамповкой из листовой электротехнической стали
Изготовление серебряного стаканчика
В 2008 году выяснилось, что железный стаканчик тоже работает хорошо, поэтому я убираю всё, что касается серебряного стаканчика. Это было интересно, но теперь уже неактуально.
Можно пытаться использовать графит. Но я не успел. Я выпросил
у тетеньки-водителя накладку для рогов троллейбуса, но это было уже в конце
моей экспериментальной эпопеи. Еще можно попробовать щетки от двигателей, но
они часто бывают с медью, что нарушает чистоту эксперимента. У меня было два
варианта щеток, одни оказались с медью. Карандаши не дают никакого результата,
потому что у них маленькая площадь поверхности и с них неудобно снимать ток.
Стержни от батарей в щелочи разваливаются
(что-то происходит со связующим). Вообще говоря, графит - это наихудшее топливо
для элемента, т.к. он наиболее химически стоек. Поэтому изготавливаем электрод
"по честному". Берем древесный уголь (я покупал в супермаркете березовый
уголь для шашлыков), мелется как можно мельче (я молол сначала в фарфоровой
ступке, потом купил кофемолку). В промышленности электроды делают из нескольких
фракций угля, смешивая их друг с другом. Ничто не мешает сделать так же. Порошок
подвергается обжигу для повышения электропроводности: его нужно на несколько
минут нагреть до как можно более высокой температуры (1000 и больше). Естественно,
без доступа воздуха.
Я для этого сделал горн из двух вложенных друг в друга консервных банок. Между ними для теплоизоляции навалены кусочки сухой глины. Дно обеих банок пробито, чтобы было куда дуть воздуху. Внутренняя банка насыпается углями (которые выполняют роль топлива), среди них помещается металлическая коробочка - "тигель", я ее тоже сворачивал из жести от консервной банки. В коробочку запихивается завернутый в бумажный кулек угольный порошок. Должен быть зазор между свертком с углем и стенками "тигля". Он засыпается песком, чтобы не было доступа воздуха. Угли поджигаются, затем сквозь дырки в дне производится наддув обычным феном. Все это достаточно пожароопасно - летят искры. Нужны защитные очки, а также нужно смотреть, чтобы рядом не было занавесок, бочек с бензином и других пожароопасных предметов. Лучше бы, по хорошему, делать такие дела где-нибудь на зеленой лужайке в период дождей (в перерыве между дождями). Извините, но мне лень рисовать всю эту конструкцию. Думаю, догадаетесь и без меня.
Далее к обожженому порошку на глаз добавляется некоторое количество
сахара (наверное, от трети до половины). Это - связующее. Потом - чуть-чуть
воды (когда у меня были грязные руки и лень было открывать кран, я просто плевал
в него и добавлял пиво вместо воды, не знаю, насколько это имеет значение; вполне
возможно, что органика важна. Все это тщательно перемешивается в ступке. В результате
должна получиться пластичная масса. Из этой массы нужно сформовать электрод.
Чем лучше ты его спрессуешь, тем лучше. Я брал заглушенный кусок трубки и забивал
уголь в трубку меньшей трубкой, с помощью молотка. Чтобы изделие не развалилось
при извлечении из трубки, перед набивкой в трубу вставлял несколько ободков
из бумаги. Заглушка должна быть сьемной, а еще лучше - если труба будет распилена
вдоль и соединена хомутами. Тогда после прессовки можно просто разьединить хомуты
и достать заготовку уголька в целости и сохранности. В случае сьемной заглушки
нужно будет выдавить готовую заготовку из
трубы (при этом она может развалиться). Уголек у меня имел диаметр 1,2-1,5 см
и длину 4-5 см.
Готовая форма сушится. Для этого я включал газовую плиту на очень маленький огонь, ставил на нее пустую консервную банку кверху дном и на дно клал уголек. Сушка должна быть достаточно медленной, чтобы пары воды не разорвали заготовку. После испарения всей воды начнет "кипеть" сахар. Он превратится в карамель и склеит кусочки угля между собой.
После остывания нужно просверлить в угольке продольное (вдоль
его оси симметрии) круглое отверстие, в которое будет вставляться отводящий
электрод. Диаметр отверстия - не помню, кажется, 4 мм. При этой процедуре уже
может все накрыться, потому что конструкция хрупкая. Я сначала сверлил 2 мм
сверлом, потом аккуратно (вручную) расширял 3-мм и 4-мм сверлами, или даже надфилем,
точно не помню. В принципе, можно эту дырку сделать уже на этапе формовки. Но
это -
нюансы.
После того, как все высушено и просверлено, нужно произвести
обжиг. Общий смысл - нужно при достаточно плавном наборе температуры подвергнуть
уголек сильному и равномерному нагреву без доступа воздуха на некоторое время
(около 20 минут). Нагревать нужно постепенно, остужать - тоже. Температура -
чем выше, тем лучше. Желательно, больше 1000. У меня было
оранжевое (ближе к белому) каление железа в импровизированном горне. Промышеленные
электроды обжигают много суток, с очень плавным подводом-отводом теплоты. Ведь
это, по сути - керамика, которая хрупка. Гарантировать, что уголек не треснет,
я не могу. Я все делал на глаз. Некоторые угольки трескались сразу при начале
эксплуатации.
Итак, уголек готов. Он должен иметь как можно меньшее сопротивление. При измерении сопротивления нужно не прикасаться к угольку иглами тестера, а взять два многожильных провода, прислонить их к сторонам уголька (не к концам стержня, а просто по диаметру) и сильно прижать пальцами (только чтобы не треснул), см. рисунок, на рисунке розовая аморфная масса - это пальцы, сжимающие жилы проводов.
Если сопротивление - 0.3-0.4 ома (это было на грани чувствительности моего тестера), то это - хороший уголек. Если больше 2-3 ом, то плохой (удельная мощность будет маленькая). Если уголек не удался, можно повторить обжиг.
После того, как сделали обжиг, делаем отводящий электрод. Это
- полоска серебра или железа - 2008 год
длиной, равной двукратной или чуть меньше длине уголька,
шириной - два диаметра отверстия. Толщина - допустим, 0,5 мм. Из нее нужно свернуть
цилиндр, внешний диаметр которого равен
диаметру отверстия. Но цилиндр не получится, потому что ширина слишком мала,
получится цилиндр с продольной прорезью. Эта прорезь важна, для компенсации
теплового расширения. Если сделать полный цилиндр, то серебро при нагреве разорвет
уголек.
"Цилиндр" вставляем в уголек. Нужно сделать так, чтобы он плотно входил
в дырку. Здесь есть две стороны: чрезмерное усилие разорвет уголек, при слабом
усилии не будет достаточного контакта (он очень важен). См. рисунок.
Эта конструкция родилась не сразу, она представляется мне более совершенной, чем те хомуты, которые нарисованы в патенте у Жако. Во-первых, при таком контакте ток идет не вдоль, а по радиусу цилиндрического уголька, что позволяет существенно снизить электрические потери. Во-вторых, металлы имеют больший коэффициент теплового расширения, чем уголь, поэтому контакт угля с металлическим хомутом ослабевает при нагреве. В моем случае контакт упрочняется или сохраняет свою силу. В-третьих, если отводящий электрод сделан не из серебра, то уголь предохраняет его от окисления. Скорее дайте мне патент!
Теперь можно еще раз померять сопротивление, одним из полюсов будет токоотводящий электрод. Кстати, у моего тестера 0.3 ома - это уже предел чувствительности, поэтому лучше пропустить ток известного напряжения и померять его силу.
Подача воздуха
Берем стальной стерженек от шариковой ручки большой емкости. Желательно - пустой. Удаляем из него блок с шариком - остается просто железная трубочка. Тщательно удаляем остатки пасты (у меня это не очень хорошо получилось и паста потом обуглилась, что мешало жить). Сначала это делается водой, а потом лучше все же несколько раз прокалить стерженек в пламени горелки. Произойдет пиролиз чернил, после этого останется уголь, который можно выковырять.
Далее находим какую-то еще трубку, чтобы соединить этот стерженек (он будет раскален) с ПВХ-шной трубкой, ведущей от аквариумного компрессора, которым кондиционируют рыбок. Все должно быть достаточно герметично. На ПВХ-шную трубку ставим регулируемый зажим, потому что даже самый хилый компрессор дает слишком много воздуха. В идеале нужно сделать серебряную, а не стальную трубку и у меня это даже получилось, но я не смог обезпечить герметичное соединение серебряной трубки с ПВХ-шной. Промежуточные трубки сильно травили воздух (из-за тех же тепловых зазоров), поэтому в итоге я остановился на стальном стерженьке. Конечно, эта проблема разрешима, но нужно просто было потратить на это время и силы и подобрать соответствующую ситуации трубку. Вообще, в этой части я сильно отступил от патента Жако. Сделать такую розочку, как нарисована у него, я не смог (а если честно, то я тогда недостаточно хорошо рассмотрел ее конструкцию).
Здесь следует сделать небольшое отступление и обсудить, насколько неправильно Жако представлял работу своего элемента. Очевидно, что кислород переходит в ионную форму где-то на катоде, по формуле O2+4e-=2O2-, либо какая-то аналогичная реакция, где кислород восстанавливается и соединяется с чем-то. То есть, важно обезпечить тройное соприкосновение воздуха, электролита и катода. Это может происходить при контакте пузырьков воздуха с металлом распылителя и электролитом. То есть, чем больше суммарный периметр всех отверстий распылителя, тем больше должна быть сила тока. Также, если сделать стаканчик с наклонными краями, то поверхность тройного соприкосновения тоже может увеличиться, см. рис.
Другой вариант - это когда на катоде восстанавливается растворенный кислород. В этом случае, площадь тройного соприкосновения не имеет особого значения, а нужно лишь максимизировать площадь поверхности пузырьков, чтобы ускорить растворение кислорода. Правда, в этом случае непонятно, почему растворенный кислород не окисляет уголь непосредственно, без электрохимической реакции (работая "мимо" электрической цепи). Видимо, в этом случае важны каталитические свойства материала стаканчика. Ну ладно, это все лирика. В любом случае, нужно делить струю на мелкие пузырьки. Те попытки сделать это, которые я предпринимал, не были особо успешными.
Для этого нужно было сделать тонкие отверстия, с которыми получилась куча проблем.
Во-первых, тонкие отверстия быстро засоряются, т.к. железо корродирует,
ржавчина и остатки угля (вспомним, что там когда-то была паста от ручки) выпадают
из стерженька и затыкают отверстия.
Во-вторых, отверстия получаются неравной величины и сложно заставить воздух
идти одновременно из всех отверстий.
В-третьих, если два отверстия находятся рядом, то возникает нехорошая тенденция
слияния пузырьков еще до их отрыва.
В-четвертых, компрессор подает воздух неравномерно и это тоже как-то влияет
на размер пузырьков (видимо, выскакивает один пузырек за один толчок). Все это
можно легко наблюдать, налив в прозрачную банку воду и испытав распылитель в
ней. Конечно, у щелочи другая вязкость и коэффициент поверхностного натяжения,
поэтому придется действовать наугад. Я так и не смог победить эти проблемы и
плюс к этому, проблему утечек воздуха из-за тепловых зазоров. Из-за этих утечек
распылитель не мог начать работать, поскольку для этого нужно преодолеть силы
поверхностного натяжения. Как раз тут полностью проявились недостатки хомутов.
Как их не затягивай, при нагреве они все равно ослабевают. В итоге, я перешел
к простейшему распылителю из стерженька от шариковой ручки, который давал только
одну струю пузырьков. Видимо, чтобы сделать это по-нормальному, нужно тщательно
избавиться от утечек, подавать воздух под существенным давлением (больше, чем
создаваемое аквариумным компрессором) и через мелкие отверстия.
Эта часть конструкции у меня проработана откровенно плохо...
Сборка
Все. Собираем все вместе. Нужно так все установить на зажимах,
чтобы
1. Не было короткого замыкания через несущую конструкцию.
2. Уголек не касался трубки, вдувающей воздух, а также стенок
стаканчика. Это будет трудно, поскольку зазоры малы, зажимы хлипки, а при работе
элемента щелочь будет булькать. Также будет действовать архимедова сила, которая
будет все смещать куда не надо, и сила поверхностного натяжения, притягивающая
уголек к другим предметам. Серебро станет мягким от нагрева. Поэтому, в итоге,
я держал уголек пассатижами за конец отводящего электрода. Это было плохо. Для
нормальной работы нужно все же сделать крышку (видимо, только из фарфора - глина
размокает в щелочи и теряет прочность, может быть, можно обожженую глину использовать).
Идея о том, как сделать эту крышку, есть в патенте Жако. Главное, что она должна
довольно хорошо удерживать уголек, т.к. даже при небольшом перекосе он будет
касаться стаканчика у дна. Для этого она должна иметь большую высоту. Подобрать
такую фарфоровую крышку мне не удалось, сделать керамическую из глины - тоже
(все, что я пытался делать из глины - быстро трескалось, видимо, я как-то не
так обжигал). Единственная небольшая хитрость состоит в том, чтобы использовать
металлическую крышку и слой путь даже плохо обожженной глины в качестве теплоизоляции.
Этот путь тоже не так прост.
Короче говоря, конструкция элемента была у меня тоже никуда не годной.
Еще неплохо заготовить инструмент, которым можно будет достать кусок уголька, который может отвалиться от электрода и упасть в щелочь. Может отвалиться кусок уголька и упасть в щелочь, тогда будет короткое замыкание. У меня в качестве такого инструмента была гнутая стальная скрепка, которую я держал пассатижами. Подводим провода - один к ручке, другой - к отводящему электроду. Можно припаять, хотя я использовал две металлических пластинки и свинчивал их винтиками (все - от детского металлического конструктора). Главное - понимать, что вся конструкция работает при низком напряжении и все соединения должны быть сделаны хорошо. Измеряем сопротивление при отсутствии электролита между электродами - убеждаемся, что оно велико (хотя бы 20 Ом). Измеряем сопротивления всех соединений - убеждаемся, что они малы. Собираем схему с нагрузкой. Например, сопротивление 1 Ом и последовательно включенный амперметр. У тестеров низкое сопртоивление амперметра бывает только в режиме измерения единиц ампер, желательно это заранее выяснить. Можно либо включить в режим изменения единиц ампер, (ток получится от 0.001 до 0.4 А), либо вместо последовательно включенного амперметра включить параллельно вольтметр (напряжение будет от 0.2 до 0.9 В). Желательно предусмотреть возможность менять условия в ходе опыта, чтобы замерять напряжение раскрытой цепи, ток короткого замыкания и ток с нагрузкой 1 ом. А лучше, если сопротивление тоже можно менять: 0.5 ом, 1 Ом и 2 Ом, чтобы найти то, при котором будет достигнута максимальная мощность.
Включаем компрессор от аквариума и заворачиваем зажим, чтобы воздух шел еле-еле (а, кстати, работоспособность подводящего трубопровода нужно проверить, погружая его в воду. Поскольку плотность щелочи - 2,7, нужно погрузить на соответствующую большую глубину. Полная герметичность не обязательна, главное, чтобы и на такой глубине из конца трубки что-то булькотило.
Меры предосторожности
Далее идет работа с расплавом щелочи. Как бы объяснить, что такое расплав щелочи? Вам попадало в глаза мыло? Неприятно, правда? Так вот, расплав NaOH - это тоже мыло, только разогретое до 400 градусов и в сотни раз более едкое.
Защитные меры при работе с расплавом щелочи строго обязательны!
Прежде всего, строго необходимы хорошие защитные очки . Я близорук, поэтому я одевал двое очков - сверху пластиковые защитные, а под них еще и стеклянные. Защитные очки должны защищать от попадания брызг не только спереди, но и сбоку. В такой амуниции я чувствовал себя в безопасности. Несмотря на защитные очки, приближать лицо к аппарату не рекомендуется вовсе.
Кроме глаз, необходимо защитить и руки. Я все делал очень аккуратно, поэтому под конец уже "замастерился" и работал в футболке. Это полезно, поскольку попадающие иногда на руки мельчайшие брызги щелочи дают ожег, не позволяющий в течение нескольких дней забыть, с каким веществом имеешь дело.
Но на руках, естественно, были перчатки. Сначала резиновые хозяйственные (не самые тонкие), а поверх них - пупырчатые тряпичные пупырышки торчали с задней стороны ладони. Их я смачивал водой, чтобы можно было браться за горячие предметы. В такое паре перчаток руки более-менее защищены. Но нужно следить, чтобы внешние перчатки никогда не были слишком мокрые. Капля воды, попадающая в электролит, мгновенно закипает, при этом электролит очень здорово разбрызгивается. Если такое произошло (а такое у меня происходило раза три), возникают проблемы с органами дыхания. В этих случаях я немедленно задерживал дыхание, не завершая вдох (каякерская практика помогает не впадать в панику в таких ситуациях), и сваливал из кухни подобру-поздорову.
Вообще, для защиты органов дыхания нужна хорошая вентиляция при проведении опыта. В моем случае это был просто сквозняк (дело было летом). Но в идеале это должна быть вытяжка или открытый воздух.
Поскольку брызги щелочи неизбежны, все, что находится в ближайшей окрестности стаканчика, покрывается щелочью в той или иной степени. Если взяться за нее голыми руками, можно получить ожег. Нужно все промывать после завершения опыта, в том числе, перчатки.
Еще на случай ожега у меня всегда была рядом заготовлена емкость с водой и емкость с разбавленным уксусом, для нейтрализации щелочи при сильном ожоге. Уксус ни разу не пригодился, к счастью и я не могу сказать, стоит ли им пользоваться вообще. В случае ожега нужно сразу смывать щелочь большим количеством воды. Еще есть народное средство от ожегов - моча. Оно, вроде бы, тоже помогает.
Собственно работа с элементом
Насыпаем в стаканчик сухой NaOH (я покупал средство "Диггер"
для прочистки труб). Можно добавить MgO и другие ингредиенты, например, CaCO3
(зубной порошок или мел) или MgCO3 (у меня был MgO, добытый друзьями). Поджигаем
горелку и греем. Поскольку NaOH крайне гигроскопичен, нужно это делать сразу
(а пакетик с NaOH - плотно закрывать). Неплохо бы сделать так, чтобы стаканчик
был окружен теплом со всех сторон - ток ОЧЕНЬ сильно зависит от температуры.
Т.е., сделать импровизированную камеру сгорания и направить в нее пламя горелки
(нужно еще следить, чтобы баллончик у горелки не взорвался, по-моему эти горелки
достаточно плохо сделаны с этой точки зрения, как я уже писал, для этого нужно,
чтобы горячие газы не попадали на баллончик, и лучше держать его в нормальном
положении, а не "кверх ногами").
Иногда оказывается удобным подводить пламя горелки сверху, но это - уже после
того, как все расплавится. Тогда одновременно греется нагнетательная трубка,
отводящий электрод (и уголек через него), верх стакана, где больше всего воздушных
пузырьков). Если мне память не изменяет, самый большой результат был получен
именно таким образом.
Через какое-то время щелочь начнет плавиться и ее объем уменьшится. Нужно подсыпать
порошка, так, чтобы стаканчик был заполнен на 2/3 по высоте (щелочь будет утекать
из-за каппилярности и разбрызгивания). Труба подачи воздуха у меня работала
плохо (из-за теплового расширения зазоры и неплотности увеличатся, а из-за хорошего
теплоотвода щелочь в ней может застывать). Иногда воздух вообще переставал поступать.
Чтобы это исправить, я делал следующее:
1. Продув. (временное аккуратное увеличение подачи воздуха)
2. Подьем. (меньше будет напор и воздух вытеснит столб щелочи из
трубы)
3. Прогрев (достать из стаканчика и прогреть горелкой, чтобы щелочь внутри распылителя
расплавилась).
Вообще, элемент начинает хорошо работать при температуре красного каления
(щелочь начинает светиться). При этом начинает идти пена (это CO2), и раздаются
хлопки со вспышками (то ли это водород, то ли CO догорает, я так и не понял).
Мне удалось добиться максимальной мощности 0,025 вт/см2 или 0,176 вт всего с
элемента, при сопротивлении нагрузки в 1,1 Ома. При этом я измерял ток амперметром.
А можно было измерять и падение напряжения на нагрузке.
Вырождение электролита
В элементе происходит нехорошая побочная реакция
NaOH+CO2=Na2CO3+H2O.
Т.е., через какое-то время (десятки минут) все застынет (температура плавления
соды - не помню, но около 800). Некоторое время это можно преодолевать, подсыпая
еще щелочи, но в конце концов все равно - электролит застынет. По поводу борьбы
с этим - см. другие страницы на этом сайте, начиная со страницы
об УТЭ Вообще говоря, можно использовать NaOH, невзирая на эту проблему,
о чем и писал Жако в своем патенте. Поскольку есть способы получения NaOH из
Na2CO3. Например, вытеснение негашеной известью по реакции Na2CO3+CaOH=2NaOH+CaCO3,
после чего CaCO3 можно прокалить и получится опять CaO. Правда, такой способ
очень энергоемок и общий КПД элемента при этом упадет очень сильно, да и сложность
увеличится. Поэтому, я думаю, что все же нужно искать стабильный состав электролита,
который нашли в SARA. Вполне возможно, что это можно сделать, найдя заявки SARA
на патенты в базе патентного ведомства США (http://www.uspto.gov),
тем более, что за прошедшее время они могли стать уже выданными патентами. Но
у меня руки пока не дошли. Собственно, и сама эта идея появилась лишь в ходе
подоготовки этих материалов. Видимо, скоро я все же это сделаю.
Итоги, мысли и выводы
Тут я, может быть, немного повторюсь. Можно начинать не с серебра, а сразу
с железа. Когда я пробовал использовать жульенницу
из нержстали, у меня получилось плохо. Теперь я понимаю, что первая причина
этого - низкая температура и большой зазор между электродами. В своей статье
Jacques пишет, что плохая работа с железом связана с тем, что к железу пригорает
масло и образуется второй угольный электрод, поэтому нужно очень тщательно очистить
железо от малейших следов масла, а также использовать железо
с низким содержанием углерода. Может быть, и так, но я все же думаю, что есть
еще одна, более важная причина. Железо - элемент переменной валентности. Оно
растворяется и образует "короткое замыкание". В пользу этого говорит
и изменение цвета. При использовании серебра цвет электролита не меняется (серебро
- самый устойчивый металл к действию расплавленных щелочей). При
использовании железа электролит становится коричневым. При использовании серебра
напряжение открытой цепи достигает 0.9В и выше. При использовании железа - существенно
меньше (не помню точно, но не более 0.6В) Насчет того, какое железо нужно использовать,
чтобы все хорошо работало - есть на других страницах. Еще немного - насчет водяного
пара, о котором пишет SARA. С одной стороны, он всем хорош (в теории): не дает
железу переходить в раствор (известна реакция разложения ферратов щелочных металлов
горячей водой, что-то типа Na2FeO4+H2O=2NaOH+Fe2O3) и вроде бы должен сдвигать
равновесие в нехорошей побочной реакции. Я посмотрел термодинамику реакции NaOH+CO2=Na2CO3+H2O
с помощью он-лайн программы F*A*C*T (http://www.crct.polymtl.ca/FACT/index.php)
При всех температурах равновесие в ней очень сильно сдвинуто вправо, т.е., вода
вряд ли может существенно вытеснить углекислый газ из соединения с окисью натрия.
Возможно, что ситуация меняется в сплаве NaOH-Na2CO3, либо образуется как бы
водный раствор, но я не знаю, как это выяснить. Думаю, что в данном случае практика
- критерий истины.
Основное, с чем можно столкнуться при проведении опытов с паром - это конденсация. Если где-то по дороге от места ввода воды в воздушную магистраль температура любой стенки упадет ниже 100С, вода может сконденсироваться, а потом с током воздуха попасть в щелочь в виде капельки. Это очень опасно и нужно этого изо всех сил избегать. Особенно опасно то, что температуру стенок не так легко промерить. Сам я ничего с паром делать не пробовал.
Вообще, конечно, нужно проводить такие работы не в квартире, а, как минимум, на даче, и делать сразу элемент большего размера. Для этого, естественно, понадобится больший горн для обжига, большая "печка" для подогрева элемента, больше исходных материалов. Зато будет гораздо более удобно работать со всеми деталями. Особенно это касается устройства самого элемента, который у меня не имел крышки. Сделать большую крышку - гораздо проще, чем маленькую.
Насчет серебра. Серебро, конечно, стоит не так уж дешево. Но если делать серебряный электрод достаточно тонким, то элемент с серебром может стать рентабельным. Например, пусть удалось сделать электрод толщиной 0,1мм. При пластичности и ковкости серебра это будет легко (серебро можно протягивать сквозь валки в очень тонкую фольгу и я даже хотел это делать, но не нашлось валков). При плотности около 10г/см^3, один кубический сантиметр серебра стоит примерно 150 рублей. Он даст 100 квадратных сантиметров поверхности электрода. Можно получить и 200см^2, если взять два плоских уголька и расположить серебряную пластинку между ними. При достигнутой мной удельной мощности в 0,025вт/см^2, получается мощность в 5 ватт или 30 рублей за ватт, или 30.000 рублей за киловатт. Ввиду простоты конструкции, можно ожидать, что остальные компоненты киловаттного элемента (печка, воздушный насос) будут существенно дешевле. Корпус при этом можно сделать из фарфора, который относительно стоек к расплаву щелочи. В результате получится не слишком дорого, даже по сравнению с бензоэлектростанциями малой мощности. А уж солнечные батареи с ветряками и термоэлектрогенераторами отдыхают далеко позади. Чтобы еще сильно снизить цену, можно попытаться сделать сосуд из посеребренной меди. В этом случае, слой серебра будет еще в 100-1000 раз тоньше. Правда, мои опыты с мельхиоровой ложкой закончились неудачно, так что неясно, насколько серебряное покрытие окажется стойким. То есть, даже использование серебра открывает довольно неплохие перспективы. Единственное, что может тут оказаться неудачным - это если серебро будет недостаточно стойким.
Еще о материалах корпуса. Якобы, при работе элемента большое значение имеют пероксиды натрия, например, Na2O2, который должен возникать при продуве воздуха в NaOH. При высокой температуре пероксид разъедает практически все вещества. Проводились опыты по измерению потери веса тиглями из различных материалов, в которых содержался расплав пероксида натрия. Самым стойким оказался цирконий, за ним - железо, затем никель, затем фарфор. Серебро не попало в четверку лидеров. К сожалению, не помню точно, насколько серебро устойчиво. Там еще было написано про хорошую стойкость Al2O3 и МgO. Но второе место, которое занимает железо, вселяет оптимизм.
Вот, собственно, и все.
Сразу хочу предупредить, что этот топик не совсем по тематике Хабра, но в комментариях к посту про разработанный в MIT элемент идею вроде бы поддержали, так что ниже я опишу некоторые соображения о биотоливных элементах.
Работа, на основе которой написан данный топик, выполнялась мной в 11 классе, и заняла второе место на международной конференции INTEL ISEF.
Топливный элемент – химический источник тока, в котором химическая энергия восстановителя (топлива) и окислителя, непрерывно и раздельно подаваемых к электродам, непосредственно превращается в электрическую
энергию. Принципиальная схема топливного элемента (ТЭ) представлена ниже:
ТЭ состоит из анода, катода, ионного проводника, анодной и катодной камеры. На данный момент мощности биотопливных элементов недостаточно для использования в промэшленных масшатабах, но БТЭ с небольшой мощностью могут использоваться для медицинских целей как чувствительные датчики поскольку сила тока в них пропорциональна количеству перерабатываемого топлива.
К настоящему времени предложено большое число конструктивных разновидностей ТЭ. В каждом конкретном случае конструкция ТЭ зависит от назначения ТЭ, типа реагента и ионного проводника. В особую группу выделяют биотопливные элементы, в которых используются биологические катализаторы. Важной отличительной чертой биологических систем является их способность к селективному окислению различных топлив при низкой температуре.
В большинстве случаев в биоэлектрокатализе используют иммобилизованные ферменты, т.е. ферменты, выделенные из живых организмов и закрепленные на носителе, но сохранившие при этом каталитическую активность (частично или полностью), что позволяет использовать их повторно. Рассмотрим на примере биотопливный элемент, в котором ферментативная реакция сопряжена с электродной при использовании медиатора. Схема биотопливного элемента на основе глюкозооксидазы:
Биотопливный элемент состоит из двух инертных электродов из золота, платины или углерода, погруженных в буферный раствор. Электроды разделены ионообменной мембраной: анодное отделение продувается воздухом, катодное - азотом. Мембрана позволяет пространственно разделить реакции, протекающие в электродных отделениях элемента, и в тоже время обеспечивает обмен протонами между ними. Подходящие для биосенсоров мембраны разных типов выпускаются в Великобритании многими фирмами (ВДН, ВИРОКТ).
Введение глюкозы в биотопливный элемент, содержащий глюкозооксидазу и растворимый медиатор, при 20 °С приводит к возникновению потока электронов от фермента к аноду через медиатор. По внешней цепи электроны идут к катоду, где в идеальных условиях в присутствии протонов и кислорода образуется вода. Результирующий ток (в отсутствие насыщения) пропорционален добавке скоростьопределяющего компонента (глюкозы). Измеряя стационарные токи, можно быстро (5с) определить даже малые концентрации глюкозы - до 0,1 мМ. Как сенсор, описанный биотопливный элемент, имеет определенные ограничения, связанные с присутствием медиатора и определенными требованиями к кислородному катоду и мембране. Последняя должна удерживать фермент и в тоже время пропускать низкомолекулярные компоненты: газ, медиатор, субстрат. Ионообменные мембраны, как правило, удовлетворяют этим требованиям, хотя их диффузионные свойства зависят от рН буферного раствора. Диффузия компонентов через мембрану приводит к снижению эффективности переноса электрона вследствие побочных реакций.
На сегодняшний день имеются лабораторные модели топливных элементов с ферментными катализаторами, которые по своим характеристикам не отвечают требованиям их практического применения. Основные усилия в ближайшие несколько лет будут направлены на доработку биотопливных элементов и дальнейшее применение биотопливного элемента будет связано большей степенью с медициной, например: вживляемый биотопливный элемент, использующий кислород и глюкозу.
При использовании ферментов в электрокатализе главной проблемой, требующей решения, является проблема сопряжения ферментативной реакции с электрохимической, то есть обеспечение эффективного транспорта электронов с активного центра фермента на электрод, что может достигаться следующими путями:
1. Перенос электронов с активного центра фермента на электрод с помощью низкомолекулярного переносчика - медиатора (медиаторный биоэлектрокатализ).
2. Непосредственное, прямое окисление и восстановление активных центров фермента на электроде (прямой биоэлектрокатализ).
При этом медиаторное сопряжение ферментативной и электрохимической реакции в свою очередь можно осуществить четырьмя способами:
1) фермент и медиатор находятся в объеме раствора и медиатор диффундирует к поверхности электрода;
2) фермент находится на поверхности электрода, а медиатор в обьеме раствора;
3) фермент и медиатор иммобилизованы на поверхности электрода;
4) медиатор пришит к поверхности электрода, а фермент находится в растворе.
В данной работе катализатором катодной реакции восстановления кислорода служила лакказа, а катализатором анодной реакции окисления глюкозы - глюкозооксидаза (ГОД). Ферменты использовались в составе композитных материалов, создание которых является одним из наиболее важных этапов создания биотопливных элементов, одновременно выполняющих функцию аналитического датчика. Биокомпозитные материалы в данном случае должны обеспечивать селективность и чувствительность определения субстрата и в тоже время обладать высокой биоэлектрокаталитической активностью, приближающейся к ферментативной.
Лакказа представляет собой Cu-содержащую оксидоредуктазу, основной функцией которой в нативных условиях является окисление органических субстратов (фенолы и их производные) кислородом, который при этом восстанавливается до воды. Молекулярная масса фермента составляет 40000 г/моль.
К настоящему времени показано, что лакказа является наиболее активным электрокатализатором восстановления кислорода. В ее присутствии на электроде в атмосфере кислорода устанавливается потенциал близкий к равновесному кислородному потенциалу, и восстановление кислорода протекает непосредственно до воды.
В качестве катализатора катодной реакции (восстановления кислорода) использовали композитный материал на основе лакказы, ацетиленовой сажи АД-100 и нафиона. Особенностью композита является структура, обеспечивающая ориентацию молекулы фермента по отношению к электронпроводящей матрице, необходимую для прямого переноса электрона. Удельная биоэлектрокаталитическая активность лакказы в композите приближается к наблюдаемой в ферментативном катализе. Способ сопряжения ферментативной и электрохимической реакции в случае лакказы, т.е. способ переноса электрона от субстрата через активный центр фермента лакказы на электрод, – прямой биэлектрокатализ.
Глюкозокооксидаза (ГОД) – фермент класса оксидоредуктаз, имеет две субъединицы, каждая из которых имеет свой активный центр – (флавинадениндинуклеотид) ФАД. ГОД является ферментом, селективным по отношению к донору электронов – глюкозе, а в качестве акцепторов электронов может использовать многие субстраты. Молекулярная масса фермента составляет 180000 г/моль.
В работе использовали композитный материал на основе ГОД и ферроцена (Фц) для анодного окисления глюкозы по медиаторному механизму. Композитный материал включает ГОД, высокодисперсный коллоидный графит (ВКГ), Фц и нафион, что позволило получить электронопроводящую матрицу с высокоразвитой поверхностью, обеспечить эффективный транспорт реагентов в зону реакции и стабильные характеристики композитного материала. Способ сопряжения ферментативной и электрохимической реакций, т.е. обеспечение эффективного транспорта электронов от активного центра ГОД на электрод – медиаторный, при этом фермент и медиатор были иммобилизованы на поверхности электрода. В качестве медиатора - акцептора электронов – использовали ферроцен. При окислении органического субстрата – глюкозы, ферроцен восстанавливается, а затем окисляется на электроде.
Если кому-то интересно, я могу подробно описать процесс получения покрытия электородов, но за этим лучше пишите в личку. А в топике я просто опишу полученную структуру.
1. АД-100.
2. лакказа.
3. гидрофобная пористая подложка.
4. нафион.
После того, как электорды получены мы перешли непосредственно к экспериментальной части. Вот так выглядела наша рабочая ячейка:
1. электрод сравнения Ag/AgCl;
2. рабочий электрод;
3. вспомогательный электрод - Рt.
В опыте с глюкозооксидазой - продувка аргоном, с лакказой - кислородом.
Восстановление кислорода на саже в отсутствии лакказы происходит при потенциалах ниже нуля и происходит в две стадии: через промежуточное образование перекиси водорода. На рисунке представлена поляризационная кривая электровосстановления кислорода лакказой иммобилизованной на АД-100, полученная в атмосфере кислорода в растворе с рН 4,5. В этих условиях устанавливается стационарный потенциал близкий к равновесному кислородному потенциалу (0,76 В). При потенциалах катоднее 0,76 В на ферментном электрода наблюдается каталитическое восстановление кислорода, которое протекает по механизму прямого биоэлектрокатализа непосредственно до воды. В области потенциалов катоднее 0,55 В на кривой наблюдается плато, которое соответствует предельному кинетическому току восстановления кислорода. Величина предельного тока составила около 630 мкА/см2.
Электрохимическое поведение композитного материала, на основе ГОД нафиона, ферроцена и ВКГ, исследовали методом циклической вольтамперометрии (ЦВА). Состояние композитного материала в отсутствии глюкозы в фосфатно-буферном растворе контролировали по кривым заряжения. На кривой заряжения при потенциале (–0,40) В наблюдаются максимумы относящиеся редокс-превращениям активного центра ГОД – (ФАД), а при 0,20-0,25 В максимумы окисления и восстановления ферроцена.
Из полученных результатов следует, что на основе катода с лакказой, в качестве катализатора кислородной реакции, и анода на основе глюкозооксидазы для окисления глюкозы, существует принципиальная возможность создания биотопливного элемента. Правда на этом пути есть множество препятствий, например пики активности ферментов наблюдаются при разном pH. Это привело к необходимости добавлять в БТЭ ионообменную мембрану.Мембрана позволяет пространственно разделить реакции, протекающие в электродных отделениях элемента, и в тоже время обеспечивает обмен протонами между ними. В анодное отделение поступает воздух.
Введение глюкозы в биотопливный элемент, содержащий глюкозооксидазу и медиатор, приводит к возникновению потока электронов от фермента к аноду через медиатор. По внешней цепи электроны идут к катоду, где в идеальных условиях в присутствии протонов и кислорода образуется вода. Результирующий ток (в отсутствие насыщения) пропорционален добавке скоростьопределяющего компонента - глюкозы. Измеряя стационарные токи, можно быстро (5с) определить даже малые концентрации глюкозы - до 0,1 мМ.
К сожалению довести идею этого БТЭ до практического внедрения мне не удалось, т.к. сразу после 11 класса я пошёл учиться на программиста, чем усердно занимаюсь и сегодня. Спасибо всем, кто осилил.
Владельцы патента RU 2379795:
Изобретение относится к спиртовым топливным элементам прямого действия, использующим твердые кислотные электролиты и катализаторы внутреннего риформинга. Техническим результатом изобретения является повышенные удельная мощность и напряжение элемента. Согласно изобретению топливный элемент включает анод, катод, твердый кислотный электролит, газодиффузионный слой и катализатор внутреннего риформинга. Катализатор внутреннего риформинга может составлять любой подходящий риформер и он располагается по соседству с анодом. В данной конфигурации тепло, генерируемое в экзотермических реакциях на катализаторе в топливном элементе, и омическое нагревание электролита топливного элемента являются движущей силой для эндотермической реакции риформинга топлива, преобразующей спиртовое топливо в водород. Возможно использование любого спиртового топлива, например, метанола или этанола. 5 н. и 20 з.п. ф-лы, 4 ил.
Область техники
Изобретение относится к спиртовым топливным элементам прямого действия, использующим твердые кислотные электролиты.
Уровень техники
Спирты недавно были подвергнуты интенсивным исследованиям в качестве потенциальных топлив. В особенности желательными в качестве топлив являются спирты, такие как метанол и этанол, поскольку они характеризуются удельными энергиями, в пять-семь раз превышающими соответствующие характеристики для стандартного сжатого водорода. Например, один литр метанола энергетически эквивалентен 5,2 литра водорода, сжатого до 320 атм. Кроме того, один литр этанола энергетически эквивалентен 7,2 литра водорода, сжатого до 350 атм. Желательными такие спирты являются также и потому, что они просты в обращении, хранении и транспортировке.
Метанол и этанол являлись предметом многих исследований с точки зрения спиртового топлива. Этанол можно получать в результате ферментации растений, содержащих сахар и крахмал. Метанол можно получать в результате газификации древесины или отходов древесины/зерновых растений (соломы). Однако более эффективным является синтез метанола. Данные спирты, помимо прочего, являются возобновляемыми ресурсами и поэтому они предположительно играют важную роль как в уменьшении выделения газов, вызывающих парниковый эффект, так и в уменьшении зависимости от ископаемых топлив.
Топливные элементы были предложены в качестве устройств, превращающих химическую энергию таких спиртов в электрическую энергию. В этом отношении интенсивным исследованиям были подвергнуты спиртовые топливные элементы прямого действия, имеющие мембраны из полимерного электролита. Говоря конкретно, исследованиям были подвергнуты метанольные топливные элементы прямого действия и этанольные топливные элементы прямого действия. Однако исследования этанольных топливных элементов прямого действия проводились ограниченно вследствие относительной трудности окисления этанола в сопоставлении с окислением метанола.
Несмотря на данные усилия в проведении обширных исследований эксплуатационные характеристики спиртовых топливных элементов прямого действия остаются неудовлетворительными главным образом вследствие кинетических ограничений, налагаемых электродными катализаторами. Например, типичные метанольные топливные элементы прямого действия характеризуются удельной мощностью, равной приблизительно 50 мВт/см 2 . Были получены и более высокие уровни удельной мощности, например 335 мВт/см 2 , но только в чрезвычайно суровых условиях (Nafion®, 130°C, кислород 5 атм и метанол 1 М для расхода 2 куб. см/мин при давлении 1,8 атм). Подобным же образом этанольный топливный элемент прямого действия характеризуется удельной мощностью 110 мВт/см 2 при подобных чрезвычайно суровых условиях (Nafion® - диоксид кремния, 140°С, анод 4 атм, кислород 5,5 атм). В соответствии с этим существует потребность в спиртовых топливных элементах прямого действия, характеризующихся высокими удельными мощностями в отсутствие таких экстремальных условий.
Краткое изложение изобретения
Настоящее изобретение относится к спиртовым топливным элементам, содержащим твердые кислотные электролиты и использующим катализатор внутреннего риформинга. Топливный элемент в общем случае включает анод, катод, твердый кислотный электролит и внутренний риформер. Риформер обеспечивает прохождение риформинга спиртового топлива с получением водорода. Движущей силой реакции риформинга является тепло, генерируемое в ходе экзотермических реакций в топливном элементе.
Использование твердых кислотных электролитов в топливном элементе делает возможным размещение риформера непосредственно по соседству с анодом. Ранее это не считалось возможным вследствие повышенных температур, требуемых для эффективного функционирования известных материалов риформинга, и чувствительности к воздействию тепла у типичных мембран из полимерного электролита. Однако в сопоставлении с обычными мембранами из полимерных электролитов твердые кислотные электролиты могут противостоять воздействию намного более высоких температур, что делает возможным размещение риформера по соседству с анодом и поэтому поблизости от электролита. В данной конфигурации отходящее тепло, генерируемое электролитом, поглощается риформером и служит движущей силой эндотермической реакции риформинга.
Краткое описание чертежей
Данные и другие признаки и преимущества настоящего изобретения будет лучше поняты после ознакомления со следующим далее подробным описанием, рассматриваемым в сочетании с прилагаемыми чертежами, где:
Фигура 1 представляет собой схематическое изображение топливного элемента, соответствующего одному варианту реализации настоящего изобретения;
Фигура 2 представляет собой графическое сопоставление кривых зависимостей между удельной мощностью и напряжением элемента для топливных элементов, полученных в соответствии с примерами 1 и 2 и сравнительным примером 1;
Фигура 3 представляет собой графическое сопоставление кривых зависимостей между удельной мощностью и напряжением элемента для топливных элементов, полученных в соответствии с примерами 3, 4 и 5 и сравнительным примером 2; и
Фигура 4 представляет собой графическое сопоставление кривых зависимостей между удельной мощностью и напряжением элемента для топливных элементов, полученных в соответствии со сравнительными примерами 2 и 3.
Подробное описание изобретения
Настоящее изобретение относится к спиртовым топливным элементам прямого действия, содержащим твердые кислотные электролиты и использующим катализатор внутреннего риформинга, находящийся в физическом контакте с мембранно-электродным агрегатом (МЭА), предназначенным для проведения риформинга спиртового топлива с получением водорода. Как отмечалось выше, эксплуатационные характеристики топливных элементов, которые превращают химическую энергию в спиртах непосредственно в электрическую мощность, остаются неудовлетворительными вследствие кинетических ограничений, обусловленных электродными катализаторами топливных элементов. Однако хорошо известно, что данные кинетические ограничения значительно уменьшаются в случае использования водородного топлива. В соответствии с этим в настоящем изобретении используют катализатор риформинга или риформер, предназначенные для проведения риформинга спиртового топлива с получением водорода, тем самым обеспечивая уменьшение или устранение кинетических ограничений, связанных со спиртовым топливом. Спиртовые топлива подвергают паровому риформингу в соответствии со следующими далее примерами реакций:
Метанол в водород: СН 3 ОН+Н 2 O→3Н 2 +СО 2 ;
Этанол в водород: C 2 H 5 OH+3Н 2 О→6H 2 +2CO 2 .
Однако реакция риформинга является сильно эндотермичной. Поэтому для получения движущей силы реакции риформинга риформер необходимо нагревать. Требуемое количество тепла обычно составляет приблизительно 59 кДж на один моль метанола (эквивалентно сжиганию приблизительно 0,25 моль водорода) и приблизительно 190 кДж на один моль этанола (эквивалентно сжиганию приблизительно 0,78 моль водорода).
В результате прохождения электрического тока во время эксплуатации топливных элементов происходит генерация отходящего тепла, эффективное удаление которого оказывается проблематичным. Однако генерация данного отходящего тепла делает размещение риформера непосредственно рядом с топливным элементом естественным вариантом при выборе. Такая конфигурация делает возможными подачу водорода из риформера в топливный элемент и охлаждение топливного элемента и позволяет топливному элементу нагревать риформер и формировать движущую силу для реакций в нем. Такая конфигурация используется в топливных элементах на основе расплавленных карбонатов и для реакций риформинга метана, проходящих при температуре, приблизительно равной 650°С. Однако реакции риформинга спирта в общем случае протекают при температурах в диапазоне от приблизительно 200°С до приблизительно 350°С, и до сих пор еще не было разработано никакого подходящего топливного элемента с использованием риформинга спирта.
Настоящее изобретение относится к такому топливному элементу с использованием риформинга спирта. Как проиллюстрировано на ФИГУРЕ 1, топливный элемент 10, соответствующий настоящему изобретению, в общем случае включает первый токосъемник/газодиффузионный слой 12, анод 12а, второй токосъемник/газодиффузионный слой 14, катод 14а, электролит 16 и катализатор внутреннего риформинга 18. Катализатор внутреннего риформинга 18 располагают по соседству с анодом 12а. Говоря более конкретно, катализатор риформинга 18 располагают между первым газодиффузионным слоем 12 и анодом 12а. Возможно использование любого известного подходящего катализатора риформинга 18. Неограничивающие примеры подходящих катализаторов риформинга включают смеси оксидов Cu-Zn-Al, смеси оксидов Cu-Co-Zn-Al и смеси оксидов Cu-Zn-Al-Zr.
Возможно использование любого спиртового топлива, такого как метанол, этанол и пропанол. В дополнение к этому в качестве топлива возможно использование диметилового эфира.
Исторически данная конфигурация не считалась возможной для спиртовых топливных элементов вследствие эндотермической природы реакции риформинга и чувствительности электролита к воздействию тепла. В типичных спиртовых топливных элементах используют мембраны из полимерного электролита, которые не могут выдерживать воздействие тепла, необходимого для создания движущей силы для катализатора риформинга. Однако электролиты, используемые в топливных элементах настоящего изобретения, содержат твердые кислотные электролиты, такие как те, что описываются в патенте США №6468684, озаглавленном PROTON CONDUCTING MEMBRANE USING A SOLID ACID, полное содержание которого включается в настоящий документ для справки, и в одновременно находящейся на рассмотрении патентной заявке США с регистрационным номером 10/139043, озаглавленной PROTON CONDUCTING MEMBRANE USING A SOLID ACID, полное содержание которой также включается в настоящий документ для справки. Одним неограничивающим примером твердой кислоты, подходящей для использования в качестве электролита в настоящем изобретении, является CsH 2 PО 4 . Твердые кислотные электролиты, используемые в случае топливных элементов данного изобретения, могут выдерживать воздействие намного более высоких температур, что делает возможным размещение катализатора риформинга непосредственно по соседству с анодом. Кроме того, эндотермическая реакция риформинга потребляет тепло, генерируемое в экзотермических реакциях в топливном элементе, формируя термически сбалансированную систему.
Данные твердые кислоты используются в своих суперпротонных фазах и выступают в роли протонопроводящих мембран в температурном диапазоне от приблизительно 100°С до приблизительно 350°С. Верхний край данного температурного диапазона идеален для риформинга метанола. Для обеспечения генерации тепла в степени, достаточной для формирования движущей силы для реакции риформинга, и для обеспечения протонной проводимости твердого кислотного электролита топливный элемент настоящего изобретения предпочтительно эксплуатируют при температурах в диапазоне от приблизительно 100°С до приблизительно 500°С. Однако более предпочтительно топливный элемент эксплуатировать при температурах в диапазоне от приблизительно 200°С до приблизительно 350°С. В дополнение к значительному улучшению эксплуатационных характеристик спиртовых топливных элементов относительно высокие рабочие температуры спиртовых топливных элементов изобретения могут сделать возможным замещение дорогостоящих металлических катализаторов, таких как Pt/Ru и Pt на аноде и катоде соответственно менее дорогими материалами катализаторов.
Следующие далее примеры и сравнительные примеры иллюстрируют превосходные эксплуатационные характеристики спиртовых топливных элементов изобретения. Однако данные примеры представлены только для целей иллюстрации и не должны восприниматься в качестве ограничения изобретения данными примерами.
Пример 1. Метанольный топливный элемент
В качестве анодного электрокатализатора использовали 13 мг/см 2 Pt/Ru. В качестве катализатора внутреннего риформинга использовали Си (30% мacc.) - Zn (20% масс.) - Аl. В качестве катодного электрокатализатора использовали 15 мг/см 2 Pt. В качестве электролита использовали мембрану из CsH 2 PO 4 с толщиной 160 мкм. Превращенные в пар смеси метанола и воды подавали в анодное пространство с расходом 100 мкл/мин. На катод с расходом 50 см 3 /мин (стандартные температура и давление) подавали 30%-ный увлажненный кислород. Соотношение метанол: вода составляло 25:75. Температуру элемента задавали равной 260°С.
Пример 2. Этанольный топливный элемент
В качестве анодного электрокатализатора использовали 13 мг/см 2 Pt/Ru. В качестве катализатора внутреннего риформинга использовали Си (30% мacc.) - Zn (20% масс.) - Аl. В качестве катодного электрокатализатора использовали 15 мг/см 2 Pt. В качестве электролита использовали мембрану из CsH 2 PO 4 с толщиной 160 мкм. Превращенные в пар смеси этанола и воды подавали в анодное пространство с расходом 100 мкл/мин. На катод с расходом 50 см 3 /мин (стандартные температура и давление) подавали 30%-ный увлажненный кислород. Соотношение этанол: вода составляло 15:85. Температуру элемента задавали равной 260°С.
Сравнительный пример 1 - Топливный элемент с использованием чистого Н 2
В качестве анодного электрокатализатора использовали 13 мг/см 2 Pt/Ru. В качестве катодного электрокатализатора использовали 15 мг/см 2 Pt. В качестве электролита использовали мембрану из CsH 2 PO 4 с толщиной 160 мкм. В анодное пространство с расходом 100 мкл/мин подавали 3%-ный увлажненный водород. На катод с расходом 50 см 3 /мин (стандартные температура и давление) подавали 30%-ный увлажненный кислород. Температуру элемента задавали равной 260°С.
На фигуре 2 продемонстрированы кривые зависимостей между удельной мощностью и напряжением элемента для примеров 1 и 2 и сравнительного примера 1. Как показано, для метанольного топливного элемента (пример 1) достигается пиковая удельная мощность 69 мВт/см 2 , для этанольного (пример 2) топливного элемента достигается пиковая удельная мощность 53 мВт/см 2 , а для водородного топливного элемента (сравнительный пример 1) достигается пиковая удельная мощность 80
мВт/см 2 . Данные результаты показывают, что топливные элементы, полученные в соответствии с примером 1 и сравнительным примером 1, очень похожи, свидетельствуя о том, что метанольный топливный элемент, имеющий риформер, демонстрирует эксплуатационные характеристики, почти такие же хорошие, как и у водородного топливного элемента, что является существенным улучшением. Однако, как продемонстрировано в приведенных далее примерах и сравнительных примерах, в результате уменьшения толщины электролита достигается дополнительное увеличение удельной мощности.
Топливный элемент изготавливали в результате суспензионного осаждения CsH 2 PO 4 на пористый носитель из нержавеющей стали, который служил в качестве как газодиффузионного слоя, так и токосъемника. Слой катодного электрокатализатора сначала осаждали на газодиффузионный слой, а после этого спрессовывали перед осаждением слоя электролита. После этого осаждали слой анодного электрокатализатора с последующим размещением второго газодиффузионного электрода в качестве конечного слоя структуры.
В качестве анодного электрода использовали смесь CsH 2 PO 4 , Pt (50 атомных мас.%) Ru, Pt (40% мacc.) - Ru (20% масс.), нанесенных на С (40% масс.), и нафталина. Соотношение компонентов в смеси CsH 2 PO 4:Pt-Ru:Pt-Ru-C: нафталин составляло 3:3:1:0,5 (масс.). Использовали смесь в общем количестве 50 мг. Загрузки Pt и Ru составляли 5,6 мг/см 2 и 2,9 мг/см 2 соответственно. Площадь анодного электрода была равна 1,74 см 2 .
В качестве катодного электрода использовали смесь CsH 2 PO 4 , Pt, Pt (50% масс.), нанесенной на С (50% масс.), и нафталина. Соотношение компонентов в смеси CsH 2 PO 4:Pt:Pt-C: нафталин составляло 3:3:1:1 (масс.). Использовали смесь в общем количестве 50 мг. Загрузки Pt составляли 7,7 мг/см 2 . Площадь катода была равна 2,3-2,9 см 1 .
В качестве катализатора риформинга использовали СuО (30% масс.) - ZnO (20% масс.) - Аl 2 O 3 , то есть СuО (31% мол.) - ZnO (16% мол.) - Аl 2 O 3 . Катализатор риформинга получали по способу совместного осаждения при использовании раствора нитрата меди, цинка и алюминия (общая концентрация металла составляла 1 моль/л) и водного раствора карбонатов натрия (1,1 моль/л). Осадок промывали деионизованной водой, отфильтровывали и высушивали на воздухе при 120°С в течение 12 часов. Высушенный порошок в количестве 1 г слегка спрессовывали до толщины 3,1 мм и диаметра 15,6 мм, а после этого прокаливали при 350°С в течение 2 часов.
В качестве электролита использовали мембрану из CsH 2 PO 4 с толщиной 47 мкм.
Раствор метанол-вода (43% об. или 37% масс. или 25% мол. или 1,85 М метанола) подавали через стеклянный испаритель (200°С) с расходом 135 мкл/мин. Температуру элемента задавали равной 260°С.
Топливный элемент получали в соответствии с приведенным выше примером 3, за исключением того, что через испаритель (200°С) при расходе 114 мкл/мин подавали не смесь метанол-вода, а смесь этанол-вода (36% об. или 31% масс. или 15% мол., или 0,98 М этанола).
Топливный элемент получали в соответствии с приведенным выше примером 3, за исключением того, что при расходе 100 мкл/мин вместо смеси метанол-вода подавали водку (Absolut Vodka, Швеция) (40% об. или 34% масс., или 17% мол. этанола).
Сравнительный пример 2
Топливный элемент получали в соответствии с приведенным выше примером 3, за исключением того, что вместо смеси метанол-вода использовали высушенный водород в количестве 100 стандартных кубических сантиметров в минуту, увлажненный горячей водой (70°С).
Сравнительный пример 3
Топливный элемент получали в соответствии с приведенным выше примером 3, за исключением того, что никакого катализатора риформинга не использовали, а температуру элемента задавали равной 240°С.
Сравнительный пример 4
Топливный элемент получали в соответствии со сравнительным примером 2, за исключением того, что температуру элемента задавали равной 240°С.
На фигуре 3 продемонстрированы кривые зависимостей между удельной мощностью и напряжением элемента для примеров 3, 4 и 5 и сравнительного примера 2. Как показано, для метанольного топливного элемента (пример 3) достигается пиковая удельная мощность 224 мВт/см 2 , что представляет собой значительное увеличение удельной мощности в сопоставлении с топливным элементом, полученным в соответствии с примером 1 и имеющим намного более толстый электролит. Данный метанольный топливный элемент также демонстрирует резкое улучшение эксплуатационных характеристик в сопоставлении с метанольными топливными элементами, не использующими внутреннего риформера, что лучше продемонстрировано на фигуре 4. Этанольный топливный элемент (пример 4) также демонстрирует увеличенные удельную мощность и напряжение элемента в сопоставлении с этанольным топливным элементом, имеющим более толстую мембрану электролита (пример 2). Однако, как показано, метанольный топливный элемент (пример 3) демонстрирует лучшие эксплуатационные характеристики в сопоставлении с этанольным топливным элементом (пример 4). Для водочного топливного элемента (пример 5) достигаются удельные мощности, сопоставимые с соответствующими характеристиками этанольного топливного элемента. Как продемонстрировано на фигуре 3, метанольный топливный элемент (пример 3) демонстрирует эксплуатационные характеристики, приблизительно такие же хорошие, как и у водородного топливного элемента (сравнительный пример 2).
На фигуре 4 продемонстрированы кривые зависимостей между удельной мощностью и напряжением элемента для сравнительных примеров 3 и 4. Как показано, для метанольного топливного элемента, не имеющего риформера, (сравнительный пример 3) достигаются удельные мощности, значительно меньшие в сопоставлении с соответствующими характеристиками, достигаемыми для водородного топливного элемента (сравнительный пример 4). Кроме того, на фигурах 2, 3 и 4 показано, что в сопоставлении с метанольным топливным элементом, не имеющим риформера (сравнительный пример 3), для метанольных топливных элементов, имеющих риформеры (примеры 1 и 3), достигаются значительно большие удельные мощности.
Предшествующее описание было представлено для ознакомления с предпочтительными в настоящий момент вариантами реализации изобретения. Специалисты в соответствующей области техники и технологии, к которой относится данное изобретение, должны понимать то, что в описанные варианты реализации могут быть внесены изменения и модификации без значительного отклонения от принципов, объема и сущности данного изобретения. В соответствии с этим приведенное выше описание не должно восприниматься как относящееся только к конкретным описанным вариантам реализации, но скорее должно пониматься как согласующееся со следующей далее формулой изобретения, которая содержит наиболее полный и наиболее объективный объем изобретения, и обосновывающее ее.
1. Топливный элемент, включающий: анодный электрокаталитический слой, катодный электрокаталитический слой, слой электролита, содержащий твердую кислоту, газодиффузионный слой и катализатор внутреннего риформинга, расположенный рядом с анодным электрокаталитическим слоем, так, что катализатор внутреннего риформинга расположен между анодным электрокаталитическим слоем и газодиффузионным слоем и находится в физическом контакте с анодным электрокаталитическим слоем.
2. Топливный элемент по п.1, где твердый кислотный электролит содержит CsH 2 PO 4 .
3. Топливный элемент по п.1, где катализатор риформинга выбирают из группы, состоящей из смесей оксидов Cu-Zn-Al, смесей оксидов Cu-Co-Zn-Al и смесей оксидов Cu-Zn-Al-Zr.
4. Способ эксплуатации топливного элемента, включающий:
подачу топлива; и эксплуатацию топливного элемента при температуре в диапазоне от приблизительно 100°С до приблизительно 500°С.
5. Способ по п.4, где топливом является спирт.
6. Способ по п.4, где топливо выбирают из группы, состоящей из метанола, этанола, пропанола и диметилового эфира.
7. Способ по п.4, где топливный элемент эксплуатируют при температуре в диапазоне от приблизительно 200°С до приблизительно 350°С.
8. Способ по п.4, где катализатор риформинга выбирают из группы, состоящей из смесей оксидов Cu-Zn-Al, смесей оксидов Cu-Co-Zn-Al и смесей оксидов Cu-Zn-Al-Zr.
9. Способ по п.4, где электролит содержит твердую кислоту.
10. Способ по п.9, где твердая кислота содержит CsH 2 PO 4 .
11. Способ эксплуатации топливного элемента, включающий:
формирование анодного электрокаталитического слоя;
формирование катодного электрокаталитического слоя;
формирование слоя электролита, содержащего твердую кислоту;
формирование газодиффузионного слоя и
формирование катализатора внутреннего риформинга рядом с анодным электрокаталитическим слоем, так, что катализатор внутреннего риформинга расположен между анодным электрокаталитическим слоем и газодиффузионным слоем и находится в физическом контакте с анодным электрокаталитическим слоем;
подачу топлива; и эксплуатацию топливного элемента при температуре в диапазоне от приблизительно 200°С до приблизительно 350°С.
12. Способ по п.11, где топливом является спирт.
13. Способ по п.11, где топливо выбирают из группы, состоящей из метанола, этанола, пропанола и диметилового эфира.
14. Способ по п.11, где катализатор риформинга выбирают из группы, состоящей из смеси оксидов Cu-Zn-Al, смесей оксидов Cu-Co-Zn-Al и смесей оксидов Cu-Zn-Al-Zr.
15. Способ по п.11, где электролит содержит твердую кислоту.
16. Способ по п.15, где твердая кислота содержит CsH 2 PO 4 .
17. Способ эксплуатации топливного элемента, включающий:
формирование анодного электрокаталитического слоя;
формирование катодного электрокаталитического слоя;
формирование слоя электролита, содержащего твердую кислоту;
формирование газодиффузионного слоя и
формирование катализатора внутреннего риформинга рядом с анодным электрокаталитическим слоем, так, что катализатор внутреннего риформинга расположен между анодным электрокаталитическим слоем и газодиффузионным слоем и находится в физическом контакте с анодным электрокаталитическим слоем;
подачу спиртового топлива; и эксплуатацию топливного элемента при температуре в диапазоне от приблизительно 100°С до приблизительно 500°С.
18. Способ по п.17, где топливо выбирают из группы, состоящей из метанола, этанола, пропанола и диметилового эфира.
19. Способ по п.17, где топливный элемент эксплуатируют при температуре в диапазоне от приблизительно 200°С до приблизительно 350°С.
20. Способ по п.17, где катализатор риформинга выбирают из группы, состоящей из смесей оксидов Cu-Zn-Al, смесей оксидов Cu-Co-Zn-Al и смесей оксидов Cu-Zn-Al-Zr.
21. Способ по п.17, где твердый кислотный электролит содержит CsH 2 PO 4 .
22. Способ эксплуатации топливного элемента, включающий:
формирование анодного электрокаталитического слоя;
формирование катодного электрокаталитического слоя;
формирование слоя электролита, содержащего твердую кислоту;
формирование газодиффузионного слоя и
формирование катализатора внутреннего риформинга рядом с анодным электрокаталитическим слоем, так, что катализатор внутреннего риформинга расположен между анодным электрокаталитическим слоем и газодиффузионным слоем и находится в физическом контакте с анодным электрокаталитическим слоем;
подачу спиртового топлива; и эксплуатацию топливного элемента при температуре в диапазоне от приблизительно 200°С до приблизительно 350°С.
Изобретение относится к спиртовым топливным элементам прямого действия, использующим твердые кислотные электролиты и катализаторы внутреннего риформинга
