что такое топливная ячейка
Топливные элементы – ячейка (Fuel Cell)
Топливная ячейка (Fuel Cell) – это устройство, превращающее химическую энергию в электрическую. Она похожа по принципу действия на обычную батарейку, но отличается тем, что для ее работы необходима постоянная подача извне веществ для протекания электрохимической реакции. В топливные элементы подаются водород и кислород, а на выходе получают электричество, воду и тепло. К их достоинствам относится экологическая чистота, надёжность, долговечность и простота эксплуатации. В отличие от обычных аккумуляторов электрохимические преобразователи могут работать практически неограниченное время, пока поступает топливо. Их не надо часами заряжать до полной зарядки. Более того, сами ячейки могут заряжать АКБ во время стоянки автомобиля с выключенным мотором.
Ячейки с протонной мембраной
Топливная ячейка с протонной обменной мембраной работает следующим образом. Между анодом и катодом находятся специальная мембрана и катализатор с платиновым покрытием. На анод поступает водород, а на катод — кислород (например, из воздуха). На аноде водород при помощи катализатора разлагается на протоны и электроны. Протоны водорода проходят через мембрану и попадают на катод, а электроны отдаются во внешнюю цепь (мембрана их не пропускает). Полученная таким образом разность потенциалов приводит к возникновению электрического тока. На стороне катода протоны водорода окисляются кислородом. В результате возникает водяной пар, который и является основным элементом выхлопных газов автомобиля. Обладая высоким КПД, РЕМ-элементы имеют один существенный недостаток — для их работы требуется чистый водород, хранение которого является достаточно серьезной проблемой.
Если будет найден такой катализатор, который заменит в этих ячейках дорогую платину, тогда сразу же будет создан дешевый топливный элемент для получения электроэнергии, а значит, мир избавится от нефтяной зависимости.
Твердооксидные ячейки
Твердооксидные ячейки SOFC значительно менее требовательны к чистоте топлива. Кроме того, благодаря использованию РОХ-реформера (Partial Oxidation — частичное окисление) такие ячейки в качестве топлива могут потреблять обычный бензин. Процесс превращения бензина непосредственно в электричество выглядит следующим образом. В особом устройстве — реформере при температуре около 800 °С бензин испаряется и разлагается на составные элементы.
При этом выделяется водород и углекислый газ. Далее, также под воздействием температуры и при помощи непосредственно SOFС (состоящих из пористого керамического материала на основе окиси циркония), водород окисляется кислородом, находящимся в воздухе. После получения из бензина водорода процесс протекает далее по описанному выше сценарию, с одной лишь разницей: топливная ячейка SOFC, в отличие от устройств, работающих на водороде, менее чувствительна к посторонним примесям в исходном топливе. Так что качество бензина не должно повлиять на работоспособность топливного элемента.
Высокая рабочая температура SOFC (650–800 градусов) является существенным недостатком, процесс прогрева занимает около 20 минут. Зато избыточное тепло проблемы не представляет, поскольку оно полностью выводится оставшимся воздухом и выхлопными газами, производимыми реформером и самой топливной ячейкой. Это позволяет интегрировать SOFC-систему в автомобиль в виде самостоятельного устройства в термически изолированном корпусе.
Модульная структура позволяет добиваться необходимого напряжения путем последовательного соединения набора стандартных ячеек. И, возможно, самое главное с точки зрения внедрения подобных устройств — в SOFC нет весьма дорогостоящих электродов на основе платины. Именно дороговизна этих элементов является одним из препятствий в развитии и распространении технологии PEMFC.
Виды топливных ячеек
В настоящее время существуют такие виды топливных ячеек:
Топливный элемент – что это такое и как работает?
Главная страница » Топливный элемент – что это такое и как работает?
Топливный элемент (Fuel Cell) — преобразователь химической потенциальной энергии (энергии молекулярных связей) в энергию электричества. Устройство содержит рабочую ячейку, где топливом выступает газообразный водород (H2) и кислород (O2). Продуктами реакции, происходящей внутри ячейки, являются вода, электричество и тепло. Технологически топливные элементы следует рассматривать более совершенными системами по сравнению с двигателями внутреннего сгорания, электростанциями сжигания угля и даже атомными электростанциями, работа которых сопровождается выбросом вредных побочных продуктов.
Особенности уникальной технологии
Поскольку кислород в большом количестве присутствует в атмосфере, остаётся только добавить к топливному элементу водород. Это вещество достаточно легко получить процессом электролиза в одноимённом аппарате, именуемом — электролизёр.
Что такое электролизёр и как работает?
Электрохимическое устройство, где для разделения молекул на составляющие атомы используется электрический ток. Электролизёры широко используются под разделение воды на водород и кислород.
Методика электролиза является наиболее перспективным способом производства водорода очень высокой чистоты (99,999%) благодаря высокой эффективности и быстрому динамическому отклику по сравнению с некоторыми другими методами.
Водород, полученный электролизом, качественно чист и потому удачно подходит для применения в топливном элементе.
Какие разработаны конструкции электролизёров?
Подобно топливным элементам, электролизёры построены на основе двух электродов и размещённого между электродами ионопроводящего электролита. Такие аппараты различаются по типу используемого электролита.
Структурная схема электролизёра и внешний вид одного из промышленных вариантов: 1 – слой катализатора; 2 – диффузионный слой газа; 3 – биполярная пластина; 4 – протонообменная мембрана; 5 — уплотнение
Разработаны несколько различных типов электролизёров, уже используемых на практике либо находящихся на стадии внедрения. Двумя наиболее распространёнными типами электролизёров, производящих водород, являются:
Щелочной электролизёр
Этот вид устройства работает на жидком каустическом электролите (обычно 30% KOH). Щелочные электролизёры строятся на недорогих металлах (никель), выступающих в качестве катализатора и обладают достаточно надежной структурой.
Щелочные электролизеры производят водород чистотой 99,8%, функционируют при относительно низкой температуре и показывают высокий уровень производительности. Рабочее давление в установках может достигать 30 АТИ. При работе поддерживается низкая плотность тока.
Протонообменный мембранный (ПОМ) электролизер
Здесь основой выступает твёрдая полимерная мембрана. Устройство быстро набирает популярность по следующим причинам:
Устройство топливной ячейки
Четыре основных элемента топливной ячейки, оснащённой ПОМ:
Анод, отрицательный электрод топливного элемента, имеет несколько рабочих точек. Анод проводит электроны, высвобождаемые из молекул водорода, подходящие для внешней электрической цепи. Тело анода имеет вытравленные каналы для равномерного распределения водородного газа в катализаторе.
Катод, положительный электрод топливного элемента, также имеет вытравленные каналы, благодаря которым распределяется кислород в катализаторе. Роль катода — проводка электронов от внешней электрической цепи в сторону катализатора.
В катализаторе электроны контактируют с ионами водорода и кислородом, а результатом контакта является образование воды.
Структурная схема функционирования топливной ячейки: 1 – линия ввода водорода; 2 – линия ввода кислорода; 3 – линия вывода воды; 4 – движение электронов; 5 – выделение тепла
Электролит является протонообменной мембраной. Этот специально обработанный материал, напоминающий внешне обычную пластиковую панель, с той лишь разницей, что такая панель способна проводить положительно заряженные ионы.
Мембраной же электроны блокируются. Для топливного элемента с ПОМ, мембрану необходимо обезвоживать, чтобы функциональность оставалась стабильной.
Катализатор представляет собой специальное устройство, усиливающее реакцию кислорода и водорода. Обычно катализатор изготавливается на основе платины, тонким слоем наносимой на углеродную бумагу или углеродное волокно.
Катализатор содержит пористую структуру, поэтому площадь поверхности платины максимально подвергается воздействию водорода или кислорода. Сторона катализатора, покрытая платиной, обращена к ПОМ.
Как работает ячейка топливного элемента?
Своеобразным «сердцем» ячейки топливного элемента является протонообменая мембрана (ПОМ). Этот компонент позволяет протонам проходить практически беспрепятственно, но электроны блокирует.
Таким образом, когда водород попадает в катализатор и расщепляется на протоны и электроны, протоны направляются прямиком к стороне катода, а электроны следуют через внешнюю электрическую цепь.
Соответственно, по пути электроны выполняют полезную работу:
Только проследовав такой путь, электроны объединяются с протонами и кислородом на другой стороне ячейки с последующим производством воды.
Полноценная система из нескольких топливных ячеек: 1 – газовый ресивер; 2 – радиатор охлаждения с вентилятором; 3 – компрессор; 4 – опорный фундамент; 5 – топливный элемент в сборе из нескольких ячеек; 6 – модуль промежуточного хранилища
Все эти реакции происходят в так называемом стеке одной ячейке. На практике обычно используется целая системы вокруг основного компонента, которая представляет собой стек из нескольких ячеек.
Стек встраивается в модуль, состоящий из частей:
Этот модуль затем интегрируется в полную систему, которую допустимо использовать для разных применений.
По причине высокого энергетического содержания водорода и высокой эффективности топливных элементов (55%), технологию допустимо использовать в разных областях.
Например, в качестве резервного питания для производства электроэнергии, когда нарушается работа основной электрической сети.
Очевидные преимущества технологии
Преобразуя химическую потенциальную энергию непосредственно в электрическую энергию, топливные элементы исключают образование «тепловых узких мест» (2-й закон термодинамики).
Следовательно, по своей природе эта технология видится более эффективной по сравнению с привычными двигателями внутреннего сгорания.
Так, схема ДВС изначально преобразует химическую потенциальную энергию в тепло, и только затем получается механическая работа.
Прямые выбросы топливных элементов — это простая вода и некоторое количество тепла. Здесь отмечается существенное улучшение по сравнению с теми же двигателями внутреннего сгорания, выделяющими, кроме всего прочего, ещё и парниковые газы.
Топливные элементы характерны отсутствием движущихся частей. Подобные конструкции всегда отличались повышенной надёжностью по отношению к традиционным двигателям.
Водород производится экологически безопасным способом, в то время как добыча и переработка нефтепродуктов являются очень опасными с точки зрения технологического производства.
Существующий тип топливных элементов?
Подобно аккумуляторным батареям и прочим электрохимическим продуктам, топливные элементы, помимо двух рабочих электродов, содержат электролит.
Существующие на текущий момент времени топливные элементы в первую очередь отличаются типом используемого электролита.
Ниже перечисляются наиболее распространенные топливные элементы, которые можно встретить на коммерческом рынке:
Где найдут применение топливные элементы?
Большая и малая мощность резервного копирования для центров обработки данных, больниц, телекоммуникационных башен, банков, предприятий, промышленных зданий;
Стационарная мощность, например, комбинированная тепловая и тепловая энергия для домов или предприятий (ТЭЦ) и систем бесперебойного питания (ИБП);
Переносимое производство энергии для военных, промышленных предприятий или развлечений, таких как камеры и оборудование для наблюдения, ноутбуки, принтеры, смартфоны;
Транспортные средства, автомобили, автобусы, самолеты, подводные и надводные лодки, мотоциклы и велосипеды, вилочные погрузчики и т.п.
При помощи информации: Hydrogenics
КРАТКИЙ БРИФИНГ
Что такое топливная ячейка
Топливный элемент является важной составляющей водородной энергетики. В данной статье будут рассмотрены основные принципы данной технологии, варианты ее реализации и флагманы индустрии
Топливный элемент представляет собой электрохимический источник электрического тока, осуществляющий превращение химической энергии в электрическую с высоким коэффициентом полезного действия, минуя малоэффективную и идущую с большими потерями стадию горения топлива, и обладающие практически нулевыми выбросами вредных веществ в окружающую среду [1,2,3,4].
Проще можно сказать, что ТЭ – это объединение в одном устройстве батареи, которая преобразует химическую энергию в электрическую и теплового двигателя, которому нужно непрерывно подавать топливо и окислитель (воздух). Поэтому иногда ТЭ называют электрохимическими генераторами. Отличия ТЭ от гальванической батареи в том, что изначально батарея заряжена, т.е. заполнена «топливом». В процессе работы «топливо» расходуется, и батарея разряжается. В отличие от батареи ТЭ для производства электрической энергии использует топливо, подаваемое от внешнего источника. На рис.1 представлена схема работы ТЭ.
Топливный элемент: принцип работы
ТЭ состоит из анода, катода и электролита, что позволяет положительно заряженным ионам водорода (протонам) перемещаться между двумя сторонами топливного элемента. Топливо и окислитель непрерывно подводятся к электродам — аноду и катоду, а инертные компоненты и остатки окислителя, а также продукты окисления непрерывно отводятся от них. При работе ТЭ электролит и электроды не расходуются и не претерпевают каких-либо изменений, а химическая энергия топлива непосредственно превращается в электроэнергию. В ТЭ, используются чистый водород и кислород, поэтому на аноде происходит разложение водорода и его ионизация. Из молекулы водорода образуются два иона водорода и два электрона. На катоде водород соединяется с кислородом, и возникает вода. Фактически в этом и состоит главное экологическое преимущество: в атмосферу выбрасывается водяной пар вместо огромного количества углекислого газа, образующегося при работе традиционных тепловых электростанций.
Как и любой другой источник электроэнергии, ТЭ, характеризуется напряжением, мощностью и сроком службы. Из-за омического сопротивления электродов и электролита и поляризации электродов напряжение ТЭ оказывается ниже рассчитанной ЭДС. Поляризация электродов связанна с замедленностью протекания процессов на межфазной границе и возрастает с увеличением плотности тока, согласно уравнению:
где j– плотность тока (А/см 2 ), I – сила тока (А), S – площадь поверхности электрода (см 2 ). Существуют различные типы ТЭ, в зависимости от области их применения и материалов из которых они изготовлены. Ниже рассмотрим их подробнее.
Существуют различные типы ТЭ, в зависимости от области их применения и материалов из которых они изготовлены. Ниже рассмотрим их подробнее.
I. ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ: КАКОГО ТИПА ОН МОЖЕТ БЫТЬ?
На схеме представлена классификация типов ТЭ в зависимости от электролита:
Основные типы топливных элементов: ТОТЭ – твердооксидный ТЭ; КРТЭ – расплавкарбонатный ТЭ; ТПТЭ – ТЭ с протонпроводящей полимерной мембраной; ФКТЭ – фосфорнокислый ТЭ; ЩТЭ – щелочной ТЭ
Важной характеристикой разных типов ТЭ является рабочая температура. Часто именно температура определяет область применения ТЭ. Например, высокая температура критична для ноутбуков и портативных устройств, поэтому для этого разрабатываются ТЭ с протонообменной мембраной, которые работаю при низких температурах. Однако на сегодняшний день твердополимерные ТЭ стоят дорого. Высокая цена ТПТЭ связана с дороговизной материалов, а также из-за высокой стоимости топлива – водорода.
Рассмотрим более подробно различные типы ТЭ и принципы их действия.
Щелочной топливный элемент (ЩТЭ)
Проводником для ионов ЩТЭ является раствор гидроксида калия (KOH), который имеет высокую электропроводимость. В таких ТЭ используется недорогостоящий катализатор, и они имеют высокую эффективность. В зависимости от содержания щелочи такой ТЭ может функционировать в диапазоне температур от 65°С. Катализатором могут служить благородные металлы, никель и сложные оксиды.
Щелочной топливный элемент. Схема работы
Фосфорнокислые топливные элементы (ФКТЭ)
В ТЭ на основе ФКТЭ в роли электролита выступает раствор фосфорной кислоты (H3PO4). Электродом является бумага, которая покрыта углеродом, по которой рассеян платиновый катализатор. ТЭ работает при температуре 150- 200°С.
Топливный элемент на основе ортофосфорной кислоты. Схема работы
Недостатком являются высокие температуры работы ТЭ и КПД всего 55 %, однако если использовать пар образующийся во время работы, то можно достигать КПД до 80%.
Расплавкарбонатные топливные элементы (РКТЭ)
В ТЭ на основе РКТЭ электролитом является расплав смеси карбонатов щелочных металлов в керамической матрице. ТЭ этого типа работают при температурах 600-700°С. Высокая температура позволяет использовать топливо в РКТЭ напрямую без какой-либо дополнительной его подготовки, а никель в качестве катализатора. Достоинством является: отсутствие платины (катализатором может использоваться никель), КПД примерно 65%, в роли топлива выступает водород, природный газ, иногда дизельное топливо.
Топливный элемент с расплавленным карбонатным электролитом. Схема работы
Недостатком является: небольшой срок службы, который ведет за собой высокие расходы, и высокую стоимость. Для запуска КРТЭ требуется значительно времени из-за этого не получается оперативно регулировать выходную мощность, поэтому в основном они применяются для крупных стационарных источников тепловой и электрической энергии.
Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ)
В ТЭ на основе ТОТЭ электролитом является плотная керамическая мембрана, сделанная из оксида циркония и оксида кальция, но иногда используются и другие оксиды. Внешне эти элементы выглядят как трубки или плоские платы, что позволяет при их изготовлении использовать технологии, широко применяемые в электронной промышленности. ТЭ этого типа работают в диапазоне высоких температур от 600 до 1000°C. Из-за высоких температур в ТОТЭ используется неочищенное топливо, и так же, как и в РКТЭ применяется для производства тепловой и электрической энергии.
Твердооскильный топливный элемент. Схема работы
Среди разнообразных типов ТЭ наиболее перспективными на наш взгляд для энергообеспечения разнообразных малогабаритных устройств являются ТЭ с протонообменной полимерной мембраной.
Топливный элемент с протонообменной мембраной (ТПТЭ)
Как говорилось ранее, одной из важнейших характеристик ТЭ является температура. Эти ТЭ функционируют при достаточно низких рабочих температурах (40…60 °C). Они отличаются высокой удельной мощностью, позволяют быстро регулировать выходную мощность, могут быть быстро включены. Недостаток этого типа элементов – высокие требования к качеству топлива, поскольку загрязненное топливо может вывести из строя мембрану. Кроме того, при температурах до 100 °C платина, используемая как катализатор на электродах, «отравляется» в присутствии СО, CH4, поэтому требуется высокоочищенное топливо.
ТПТЭ использует твердотельный полимерный электролит, названный протонообменной мембраной (PEM). Иногда в литературе говорят, твердотельный ТЭ. Через протонообменную мембрану могут перемещаться протоны, но через нее не проходят электроны, в результате чего между катодом и анодом возникает разность потенциалов. На анод ТПТЭ поступает топливо – водород (восстановитель). На катод поступает кислород или воздух (окислитель).
При работе ТПТЭ происходят следующие реакции:
на аноде: 2H2→4H + + 4e –
на катоде: O2 + 4H + + 4e →2H2O
Суммарная реакция: 2H2 + O2→2H2O
Рассмотрим принцип действия этого ТЭ. Полимерная мембрана, используемая в качестве электролита, помещена между анодом и катодом. Электроды обеспечивают контакт газа и электролита; перенос заряда происходит на границе трех фаз: электрода, газа и электролита. Электрон переходит с водорода на частицу углерода, а молекула водорода распадается на протоны согласно реакции:
Далее электроны движутся с одной частицы углерода на другую, на токосборник и во внешнюю цепь, а далее на катод, где происходит реакция образования воды за счет реакции:
Протоны движутся через электролит на катодную сторону. Устройство ТПТЭ показано на рисунке ниже.
Поперечное сечение небольшого фрагмента ТПТЭ. Покрытая катализатором мембрана зажата между двумя газодиффузионными слоями (Toray TGP-H-060), которые в свою очередь удерживаются двумя плоскими пластинами, содержащими каналы потока. Ширина островков составляет примерно 1.5 мм.
Ионообменная мембрана «Nafion». Строение и свойства
В качестве «электролита» ТПТЭ используется пленка – полимерная электролитная мембрана (ПЭМ), с торговым названием мембрана «Nafion», запатентованная фирмой DuPont в 1966 г. Позднее аналогичные ПЭМ стали выпускаться и в России под названием МФ-4СК [5].
Мембрана состоит из огромных молекул полимера, которые представляют собой разветвленные фторуглеродные цепочки, оканчивающиеся сульфонными группами [–SO3]. Фторуглеродная цепочка обладает гидрофобными свойствами, а сульфонные группы — гидрофильными, которые могут взаимодействовать с водой, что дает возможность протонам свободно двигаться по полимеру (отсюда второе название «протонпроводящая мембрана»). В зависимости от степени полимеризации фторуглеродных фрагментов и концентрации сульфонных групп мембрана может иметь различный химический состав. На рисунке ниже приведено строение полимера «Nafion».
Строение молекулы полимера «Nafion»
Мембрана представляет собой тонкое (толщиной примерно в 2–7 листов обыкновенной бумаги) твердое органическое соединение, функционирующее как электролит: разделяет электроды и проводит заряженные ионы в присутствии воды. Структура мембраны «Nafion» активно изучается, с целью контроля и улучшения ее свойств. В настоящий момент нет единой точки зрения на устройство мембраны ПЭМ, наиболее распространенной структурной моделью «Nafion» является модель Гирке, представленная на рисунке ниже.
Наиболее распространенная структурная модель «Nafion»
Фторуглеродная основа полимера Согласно этой структуре можно сказать, что электролит является двухфазным. Основа полимера (гидрофобная фаза) состоит из фторуглеродных и эфирных цепей, расположенных в пространстве таким образом, что функциональные сульфогруппы группируются внутри сферических полостей диаметром порядка 4 нм. Система связанных узкими каналами полостей (1 нм), содержащих гидратированные катионы, представляет собой вторую, гидрофильную фазу мембраны.
Мембрана «Nafion» обладает следующими достоинствами: — высокая ионная проводимость; — устойчивость к химическому воздействию (согласно DuPont, только щелочные металлы (в частности, натрий) могут ухудшить работу «Nafion») при нормальной температуре и давлении; — проницаемость для воды.
Недостатком является то, что мембрана работает в узком интервале температур от 60 до 90°С, при температуре выше 140°С начинается ее деструкция. Также к недостаткам можно отнести высокую рыночную стоимость материала в силу ее монопольного производства фирмой DuPont.
Поскольку до сих пор не удалось установить точную структуру мембраны, в силу того, что возникает трудность несовместимости растворенной и кристаллической структуры среди различных ее типов, право на существование имеют другие теории/модели строения мембраны «Nafion».
МАТЕРИАЛЫ И ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ГДС ТПТЭ
Одним из компонентов твердополимерных топливных элементов (ТПТЭ) являются биполярные пластины с каналами на каждой из сторон, предназначенными для распределения реагентов по поверхности электрода. На рис.10 показан поперечный разрез малого участка такого ТПТЭ [6]. В центре ТПТЭ находится мембрана, покрытая с каждой стороны слоем катализатора, имеются два диффузионных слоя (ГДС) толщиной примерно 200 мкм, изготовленных из углеродного материала и охватывающих мембрану сверху и снизу. Эти слои прилегают к двум секциям биполярных пластин, анода и катода. Каналы охлаждения соседствуют с воздушными каналами в катодной пластине. Область между каналами подачи реагентов состоит из островков, или, как их еще называют, ребер. Следовательно, около половины поверхности электрода приведено в контакт с островками, и около половины – с каналами. Роль диффузионного слоя заключается в том, чтобы с наименьшими потерями напряжения перенести потоки реагентов из области каналов и островков в область, насыщенную катализатором. Хотя основной ток идет через ту часть ГДС, которая соприкасается с островками, эффективная ГДС должна обеспечить однородное распределение тока в каталитическом слое.
Поперечное сечение небольшого фрагмента ТПТЭ. Покрытая катализатором мембрана зажата между двумя газодиффузионными слоями (Toray TGP-H-060), которые в свою очередь удерживаются двумя плоскими пластинами, содержащими каналы потока. Ширина островков составляет примерно 1.5 мм.
Газодиффузионный слой (ГДС) (Gas Diffusion Layer (GDL)) необходим для осуществления токосъема, подвода исходных реагентов и отвода продуктов реакции. ГДС обычно изготавливают из углеродной бумаги или углеродной ткани, которые представляют собой пористые структуры. Благодаря наличию пор газообразные реагенты беспрепятственно проникают к каталитическому слою. Также поры служат для отвода продуктов реакции (воды) из катодной области. Поскольку углерод является электронным проводником, ГДС служит одновременно и токовыми коллекторами.
Рассмотрим подробнее, ГДС имеет несколько характерных функций:
· Обеспечение проницаемости реагентов – газы должны поступать из каналов в каталитические слои, включая прохождение газов внутри диффузионного слоя в области возле островков;
· Обеспечение проницаемости продуктов реакции: должно осуществляться удаление образовавшейся воды из каталитического слоя в каналы, включая внутрислоевую проницаемость для отвода воды из областей возле островков;
· Обеспечение электронной проводимости: прохождение электронов от биполярных пластин в каталитические слои, включая внутрислоевую проводимость в области возле каналов;
· Обеспечение теплопроводности: эффективный отвод тепла от МЭБ к биполярным пластинам, в которых есть каналы для охлаждения
· Обеспечение механической прочности: механическая фиксация МЭБ при возникновении перепада давлений между газовыми каналами анода и катода, обеспечение при этом хорошего контакта (теплового и электрического) с каталитическим слоем, препятствование сжатию каналов, приводящему к блокировке потоков и большим перепадам давления в каналах.
Вышеописанные функции определяют требования к физическим свойствам ГДС. Внутрислоевые проводимость и проницаемость более важны по сравнению с междуслоевыми из-за аспектного соотношения ширин каналов и островков и толщины слоя. Более подробно это будет рассмотрено ниже, при описании требований к проводимости ГДС. Кроме оптимизации объемных свойств слоя, которые могут сильно зависеть от сжатия, следует уделить внимание повышению значений теплои электропроводности через поверхности раздела ГДС/биполярная пластина и ГДС/каталитический слой. Эти значения также сильно зависят от сжатия. Таким образом, ГДС, материалы смежных компонентов МЭБ и давление сжатия не должны рассматриваться независимо друг от друга.
Физика распределения потоков и задачи управления этим распределением также влияют на требования к ГДС. В случае развитых ГДС конвективная проницаемость слоя должна быть достаточно высокой, чтобы прохождение газов не вызывало значительных перепадов давлений. Даже в случае более традиционных исполнений в виде змеевика, конвективный перенос через ГДС за счет перепада давления в прилегающих каналах должен быть оптимизирован. Также существуют такие конструкции ТПТЭ, в которых каналы не используются для распределения потока, например в случае использования сетчатых структур. В таких конструкциях требования к ГДС претерпевают значительные изменения по сравнению с традиционными. В этой работе рассматриваются ГДС, используемых в ТПТЭ традиционного типа, где система каналов используется для распределения потоков.
Физика распределения потоков и задачи управления этим распределением также влияют на требования к ГДС.
В случае развитых ГДС [7] конвективная проницаемость слоя должна быть достаточно высокой, чтобы прохождение газов не вызывало значительных перепадов давлений. Даже в случае более традиционных исполнений в виде змеевика [8], конвективный перенос через ГДС за счет перепада давления в прилегающих каналах должен быть оптимизирован. Также следует заметить, что существуют такие конструкции ТПТЭ, в которых каналы не используются для распределения потока, например в случае использования сетчатых структур [9,10]. В таких конструкциях требования к ГДС претерпевают значительные изменения по сравнению с традиционными. В этой главе мы ограничимся рассмотрением ГДС, используемых в ТПТЭ традиционного типа, где система каналов используется для распределения потоков.
Наибольшие перспективы сулит применение в качестве ГДС в ТПТЭ продуктов из углеродного волокна, таких как неплетенные ткани из-за их высокой пористости (>=70%) и хорошей электропроводности. Они и раньше применялись в коммерчески доступных продуктах, а теперь исследуются как потенциальный материал для ГДС в ТПТЭ. Графитовая бумага на основе графитизированных углеродных волокон использовалась для изготовления газодиффузионных электродов в ТПТЭ, углеродное волокно – в элементах, функционирование которых связано с повышенным трением (автомобильных трансмиссиях и тормозах), а также при нанесении покрытий [6]. Типичные значения, характеризующие основные свойства этих материалов, представлены в таблице 1 и 2, а фотографии со сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) – на рис.11. Эти фотографии показывают, что углеволоконная бумага удерживается как единое целое вследствие обработки связующим агентом (карбонизированная термостойкая смола), в то время как ткань не требует связующего агента в силу своей специфической (переплетенной) структуры. Ниже будут описаны сырье и материалы для производства этих и некоторых других потенциальных ГДС на базе углеродного волокна.
Статья из третьего выпуска интернет-журнала «Стройка Века» «Энергетика в эпоху декарбонизации». Поблагодарить авторов и получить в подарок красивую версию можно по ссылке.
Читайте также следующую статью выпуска:
Подписывайтесь на нашу рассылку, чтобы ничего не пропустить:
Над статьей работали:
Авторы: Василенко А.А. (НИУ МЭИ)
Редактор: Тарасенко А.Б. (ОИВТ РАН)
Эксперт: Киселева С.В. (ОИВТ РАН)
Публикация: Овчинников К.А.
Источники изображений
Изображения сделаны командой журнала ”Стройка Века”, использование в любых целях разрешено при наличии активной ссылки на публикацию.