Топливный элемент своими руками дома. Топливные элементы: виды, принцип работы и особенности Водородный аккумулятор своими руками

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

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.

Еще средневековый ученый Парацельс во время одного из своих экспериментов заметил, что при контакте серной кислоты с феррумом образуются воздушные пузырьки. В действительности то был водород (но не воздух, как считал ученый) – легкий бесцветный газ, не имеющий запаха, который при определенных условиях становится взрывоопасным.

В нынешнее время отопление водородом своими руками – вещь весьма распространенная. Действительно, водород можно получать практически в неограниченном количестве, главное, чтобы были вода и электроэнергия.

Такой способ отопления был разработан одной из итальянских компаний. Водородный котел работает, не образуя никаких вредных отходов, из-за чего считается самым экологическим и бесшумным способом обогрева дома. Инновация разработки в том, что ученым удалось добиться сжигания водорода при относительно низкой температуре (порядка 300ᵒС), а это позволило изготавливать подобные отопительные котлы из традиционных материалов.

При работе котел выделяет только безвредный пар, и единственное, что требует затрат – это электроэнергия. А если совместить такое с солнечными панелями (гелиосистемой), то эти расходы можно и вовсе свести к нулю.

Обратите внимание! Зачастую котлы на водороде используются для нагрева систем «теплого пола», которые можно легко смонтировать своими руками.

Как же все происходит? Кислород вступает в реакцию с водородом и, как мы помним из уроков химии в средних классах, образует молекулы воды. Реакция провоцируется катализаторами, в результате выделяется тепловая энергия, нагревающая воду примерно до 40ᵒС – идеальной температуры для «теплого пола».

Регулировка мощности котла позволяет добиться определенного температурного показателя, необходимого для отопления помещения с той или иной площадью. Также стоит отметить, что такие котлы считаются модульными, т. к. состоят из нескольких независимых друг от друга каналов. В каждом из каналов имеется упомянутый выше катализатор, в результате в теплообменник поступает теплоноситель, уже достигший необходимого показателя в 40ᵒС.

Обратите внимание! Особенностью такого оборудования является то, что каждый из каналов способен вырабатывать разную температуру. Таким образом, один из них можно провести к «теплому полу», второй к соседнему помещению, третий к потолку и т. д.

Основные достоинства отопления на водороде

Данный способ обогрева дома имеет несколько существенных преимуществ, которыми обусловлена возрастающая популярность системы.

1. Впечатляющий КПД, который нередко достигает 96%.
2. Экологичность. Единственный побочный продукт, выделяющийся в атмосферу – это водяной пар, который не способен навредить окружающей среде в принципе.
3. Водородное отопление постепенно заменяет традиционные системы, освобождая людей от необходимости в добыче природных ресурсов – нефти, газа, угля.
4. Водород действует без огня, тепловая энергия образуется путем каталитической реакции.

Можно ли самостоятельно сделать водородное отопление?

В принципе, это возможно. Главный элемент системы – котел – можно создать на основе ННО генератора, то есть, обычного электролизера. Все мы помним школьные опыты, когда засовывали в емкость с водой оголенные провода, подключенные к розетке путем выпрямителя. Так вот, для сооружения котла вам потребуется повторить этот опыт, но уже в более крупных масштабах.

Обратите внимание! Водородный котел используется с «теплым полом», о чем мы уже говорили. Но обустройство такой системы – это тема уже другой статьи, поэтому мы будем опираться на то, что «теплый пол» уже устроен и готов к использованию.

Постройка водородной горелки

Приступаем к созданию водной горелки. Традиционно, начинать будем с приготовления необходимых инструментов и материалов.

Что потребуется в работе

1. Лист «нержавейки».
2. Обратный клапан.
3. Два болта 6х150, гайки и шайбы к ним.
4. Фильтр проточной очистки (от стиральной машины).
5. Прозрачная трубка. Для этого идеально подходит водяной уровень – в магазинах стройматериалов он продается по 350 рублей за 10 м.
6. Пластиковый герметичный контейнер для пищи емкостью 1,5 л. Примерная стоимость – 150 рублей.
7. Штуцеры с «елочкой» ø8 мм (такие отлично подойдут для шланга).
8. Болгарка для распиливания металла.

А теперь разберемся, какую именно нержавеющую сталь нужно использовать. В идеале для этого следует взять сталь 03Х16Н1. Но купить целый лист «нержавейки» порой весьма накладно, ведь изделие толщиной 2 мм стоит более 5500 рублей, к тому же его нужно как-то привезти. Поэтому, если где-то завалялся небольшой кусок такой стали (хватит и 0,5х0,5 м), то можно обойтись и им.

Мы будем использовать нержавеющую сталь, потому что обычная, как известно, в воде начинает ржаветь. Более того, в нашей конструкции мы намерены применять щелочь вместо воды, то есть среду более чем агрессивную, да и под действием электротока обычная сталь долго не прослужит.

Видео — Генератор газа Брауна простая модель ячейки из 16 пластин нержавеющей стали

Инструкция по изготовлению

Первый этап. Для начала берем лист стали и размещаем его на ровной поверхности. Из листа указанных выше размеров (0,5х0,5 м) должно получиться 16 прямоугольников для будущей горелки на водороде, вырезаем их болгаркой.

Обратите внимание! Один из четырех углов каждой пластины мы спиливаем. Это необходимо, чтобы в будущем соединить пластины.

Второй этап. С обратной стороны пластин просверливаем отверстия для болта. Если бы мы планировали сделать «сухой» электролизер, то просверлили отверстия и снизу, но в данном случае этого делать не надо. Дело в том, что «сухая» конструкция порядком сложнее, да и полезная площадь пластин в ней использовалась бы не на 100%. Мы же сделаем «мокрый» электролизер – пластины полностью погрузятся в электролит, а в реакции будет участвовать вся их площадь.

Третий этап. Принцип работы описываемой горелки основывается на следующем: электроток, проходя через погруженные в электролит пластины, приведет к тому, что вода (она должна входить в состав электролита) разложится на кислород (О) и водород (Н). Следовательно, мы должны располагать одновременно двумя пластинами – катодом и анодом.

С увеличением площади этих пластин увеличивается объем газа, поэтому в данном случае используем по восемь штук на катод и анод, соответственно.

Обратите внимание! Рассматриваемая нами горелка – это конструкция с параллельным включением, которая, честно говоря, является не самой эффективной. Но она более простая в выполнении.

Четвертый этап. Далее нам предстоит установить пластины в пластиковый контейнер так, чтобы они чередовались: плюс, минус, плюс, минус и т. д. Для изоляции пластин используем куски прозрачной трубки (мы купили ее целых 10 м, поэтому запас есть).

Нарезаем из трубки небольшие кольца, разрезаем их и получаем полоски толщиной примерно 1 мм. Это идеальное расстояние, чтобы водород в конструкции эффективно генерировался.

Пятый этап. Пластины крепим друг к другу с помощью шайб. Делаем это следующим образом: надеваем шайбу на болт, затем пластину, после нее три шайбы, еще одну пластину, опять три шайбы и т. д. Восемь штук вешаем на катод, восемь – на анод.

Обратите внимание! Это нужно делать зеркально, то есть, анод мы разворачиваем на 180ᵒ. Так «плюса» зайдут в зазоры между пластинами «минуса».

Шестой этап. Смотрим, куда именно в контейнере упираются болты, просверливаем в том месте отверстия. Если вдруг болты не помещаются в контейнер, то мы спиливаем их до требуемой длины. Затем вставляем болты в отверстия, надеваем на них шайбы и зажимаем гайками – для лучшей герметичности.

Далее проделываем дыру в крышке для штуцера, вкручиваем сам штуцер (желательно намазав место соединения силиконовым герметиком). Дуем в штуцер, чтобы проверить герметичность крышки. Если воздух все же выходит из-под нее, то промазываем и это соединение герметиком.

Седьмой этап. По окончании сборки тестируем готовый генератор. Для этого подключаем к нему любой источник, заполняем контейнер водой и закрываем крышку. Далее на штуцер надеваем шланг, который опускаем в емкость с водой (чтобы увидеть пузырьки воздуха). Если источник недостаточно мощный, то их в емкости не будет, но вот в электролизере они появятся обязательно.

Далее нам нужно повысить интенсивность выхода газа посредством увеличения напряжения в электролите. Здесь стоит отметить, что вода в чистом виде не является проводником – ток проходит через нее благодаря имеющимся в ней примесям и соли. Мы же разбавим в воде немного щелочи (к примеру, гидроксид натрия отлично подходит – в магазинах он продается в виде чистящего средства «Крот»).

Обратите внимание! На этом этапе мы должны адекватно оценить возможности источника питания, поэтому перед вливанием щелочи мы подключаем к электролизеру амперметр – так мы сможем проследить увеличение тока.

Видео — Отопление водородом. Аккумуляторы на водородном элементе

Далее поговорим о других составляющих водородной горелки – фильтре для стиралки и клапане. Оба предназначаются для защиты. Клапан не позволит загоревшемуся водороду проникнуть обратно в конструкцию и взорвать скопившийся под крышкой электролизера газ (пусть его там и немного). Если не установим клапан, то контейнер повредится и щелочь вытечет наружу.

Фильтр же потребуется для изготовления водяного затвора, который будет играть роль барьера, предотвращающего взрыв. Народные умельцы, не понаслышке знакомые с конструкцией самодельной горелки на водороде, называют этот затвор «бульбулятором». И правда, он по сути лишь создает пузырьки воздуха в воде. Для самой горелки используем все тот же прозрачный шланг. Все, водородная горелка готова!

Остается лишь подсоединить ее к входу системы «теплый пол», герметизировать соединение и начать непосредственно эксплуатацию.

В качестве заключения. Альтернатива

Альтернативой, пускай и весьма спорной, является газ Брауна – химическое соединение, которое состоит из одного атома кислорода и двух водорода. Горение такого газа сопровождается образованием тепловой энергии (притом в четыре раза мощнее, чем в описанной выше конструкции).

Для отопления дома газом Брауна тоже используются электролизеры, ведь этот способ получения тепла также основан на электролизе. Создаются специальные котлы, в которых под действием переменного тока молекулы химических элементов разъединяются, образуя заветный газ Брауна.

Видео – Обогащенный газ Брауна

Вполне возможно, что инновационные энергоносители, резерв которых практически безграничен, вскоре вытеснят невозобновляемые природные ресурсы, освободив нас от необходимости в перманентной добычи ископаемых. Такой ход событий позитивно скажется не только на окружающей среде, но и на экологии планеты в целом.

Также читайте на нашем статью — паровое отопление своими руками.

Видео – Отопление водородом

Преобразуют химическую энергию непосредственно в электричество, минуя предварительные трансформации. Несмотря на очевидные выгоды в производительности, сразу после изобретения элементы не вызвали фурор на рынке ввиду их сложности. Но зелёные технологии развиваются. Исследователи из и компании Vaillant разработали простое устройство, доступное для бытового использования.

«Следует всегда говорить о системе топливных элементов», - рассказывает доктор Маттиас Ян (MatthiasJahn), глава департамента модулей и систем Института Фраунгофера керамических технологий и систем (Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems, IKTS) в Дрездене. Одна ячейка производит небольшое напряжение, недостаточное для энергоснабжения объектов. Поэтому, по аналогии с аккумуляторными батареями, несколько топливных элементов объединяют в единую систему. Каждый топливный элемент размером с компакт-диск. « Мы называем группы [ элементов ] стеками», - поясняет доктор Ян.

Топливные элементы преобразуют природный газ непосредственно в электроэнергию. Они намного эффективнее, чем установки с двигателями внутреннего сгорания, которые используют несколько ступеней преобразования. Вначале высвобождающаяся в результате сжигания топлива энергия преобразуется двигателем в механическую, посредством которой вращается вал электрического генератора. В результате цепочки преобразований большая часть энергии теряется.

Совместно с известным производителем нагревательного оборудования Vaillant, Институт Фраунгофера разработал компактную, безопасную и надёжную систему топливных элементов, генерирующую электричество и тепло для частных хозяйств из природного газа. В настоящее время у стройство проходит тестовую практическую эксплуатацию в частных домашних хозяйствах.

Своими размерами домашняя энергетическая установка на топливных элементах, приспособленная для настенной установки, не отличается от обычных нагревательных котлов, однако, производит не только тепло, но и электрическую энергию. Выходная мощность составляет 1 кВт, что достаточно для обеспечения потребностей средней семь и из 4 человек.

В рамках европейского демонстрационного проекта ene.field около 150 таких энергетических блоков установлено в ряде стран ЕС. Кроме этого, в начале 2014 года Valliant начал их мелкосерийное производство.

Т опливные элементы миниатюрной технологически отличаются о тех, которые в основном используются в автомобилях. О сновное эксплуатационное отличие в степени нагрева. Если рабочая температура автомобильных топливных элементов на мембране протонного обмена достигает 80 градусов, то использованная исследователями из Института Фраунгофера технология твёрдых топливных элементов предполагает разогрев до 850 градусов. Однако при этом твёрдые элементы дешевле и проще. В качестве электролита в них используется керамика, которая не содержит драгоценных и редких металлов.