Эта диаграмма представляет топливный элемент, который представляет собой устройство, которое преобразует химическую энергию в электрическую энергию, воду и тепло посредством электрохимических реакций.
Исследования и разработки топливных элементов активно ведутся с 1950-х годов, что привело ко многим коммерческим применениям – от недорогих портативных систем для мобильных телефонов и ноутбуков до крупных систем электропитания для зданий. Принцип топливного элемента был впервые обнаружен Уильямом Гроувом в 1839 году. Ядро каждого топливного элемента состоит из электролита и двух электродов. На отрицательном аноде топливо, такое как водород, окисляется, а на положительном катоде кислород восстанавливается. Ионы транспортируются через электролит с одной стороны на другую. Напряжение, генерируемое одной ячейкой, обычно довольно мало (менее 1 вольт), поэтому ячейки человека соединяются последовательно, чтобы создать полезное напряжение.
Секция топливных элементов Gemini
Космический аппарат Джемини состоял из двух секций водородно-кислородных топливных элементов. Топливный элемент Gemini использовал жидкий кислород и жидкий водород для выработки электроэнергии. Каждая секция батареи состояла из стеков из трех топливных элементов, и каждая батарея имела 32 отдельных элемента, соединенных последовательно. Это генерировало около 23 до 26 вольт. Программа Gemini помогает в освоении использования топливных элементов в космосе, и впоследствии аналогичная технология использовалась в Apollo и других программах космических челноков.
Секция топливных элементов Apollo
Роща использовала четыре больших элемента, каждый из которых содержал водород и кислород для производства электроэнергии, которая затем использовалась для расщепления воды в меньшем верхнем элементе. В 1955 году главный химик по электротехнике Томас Грубб модифицировал электролиты в ячейке, а другой химик, Леонард Недрах, добавил катализатор для создания современного топливного элемента. Первое успешное применение этого топливного элемента было достигнуто с помощью космических технологий во время космической программы НАСА “Аполлон”.
Показанная модель топливного элемента была взята с космического корабля Apollo и состояла из различных отдельных топливных элементов, а также трубопровода и датчиков, необходимых для обеспечения элемента реагентами и последующего поддержания температуры элемента.
На космическом корабле “Аполлон” находились три водородно-кислородных топливных элемента в служебном модуле. Основными материалами, использованными в строительстве, были титан, никель и нержавеющая сталь. Каждая единица состояла из 31 отдельных топливных элементов, которые были соединены последовательно и работали при напряжении от 27 до 31 вольт. Реагенты помещали и хранили в отдельных резервуарах в жидкой форме, чтобы они не занимали слишком много места. Это означало, что кислород поддерживался при -173 ° С и при давлении 63,26 Па / м2. Кроме того, отработанное тепло от топливных элементов использовалось для приведения реагентов в газообразную форму до того, как они вошли в элемент. Температура, при которой работал топливный элемент Apollo, была 206oC. Нормальная мощность составляла от 563 до 1420 Вт при максимальной мощности 2300 Вт.
Космические аппараты как Джемини, так и Аполлона получали электроэнергию от водородно-кислородных топливных элементов. С точки зрения космического применения топливные элементы имеют большее преимущество по сравнению с обычными батареями, в которых они генерируют в несколько раз больше энергии на эквивалентную единицу веса. Когда кислород и водород сливаются для производства воды, энергия выделяется из-за того, что электроны в молекулах воды находятся в гораздо более низком энергетическом состоянии, чем электроны в молекулах газа. В реакции сгорания, такой как в ракетном двигателе, энергия проявляется в виде тепла. Однако в топливных элементах около 50-60% преобразуется непосредственно в электрическую энергию. Интересно отметить, что вода, полученная в результате этих реакций, использовалась командой «Аполлон» для питья.
Voyager
Космический зонд Voyager использовал три радиоизотопных термоэлектрических генератора, которые использовали термопару. Термопара – это электрическое устройство, состоящее из двух разнородных проводников. Один конец термопары расположен снаружи зонда при чрезвычайно низких температурах, а другой конец находится внутри зонда при гораздо более высокой температуре. Разница температур между двумя концами – это то, что производит электрическую энергию. Каждый генератор снабжен 24 прессованными сферами из 238 оксидов плутония и способен вырабатывать около 470 Вт электроэнергии.
Достижения в области технологий аккумуляторов и топливных элементов
Аккумулятор
Литий-ионные аккумуляторы представляют собой выдающуюся технологию, благодаря которой стало возможным нынешнее поколение электромобилей. Тем не менее, литий-ионная химия имеет определенную максимальную плотность энергии, которая диктуется законами физики, и современные батареи не так далеки от теоретического максимума. Если водителям требуются большие расстояния и более быстрое время зарядки, то впоследствии необходимо найти более совершенную технологию. Исследователи по всему миру работают не только над литиевыми проектами, и за последний год произошло несколько значительных достижений. Одним из последних достижений, которому исследователи уделяют огромное внимание, является твердотельная батарея. В батареях этого типа вместо жидкого электролита используется твердый электролит, который используется в современном производстве. Аккумуляторы Solis – State теоретически могут иметь удвоенную плотность энергии нынешних батарей и работать в несколько раз дольше. Они также состоят из невоспламеняющегося электролита, который обычно представляет собой стекло, полимер или их комбинацию, и поэтому это устранит любые проблемы безопасности, которые мешают литий-ионным элементам.
Одна из крупнейших автомобильных компаний, которая взяла на себя инициативу сосредоточиться на продвижении твердотельных аккумуляторов, – это Toyota. Автопроизводитель цитирует, что это почти прорыв в машиностроении, и это может реально помочь ему продвинуться в производство электромобилей к 2020 году. Усовершенствованная технология аккумуляторов позволит создавать меньшие, более легкие литий-ионные аккумуляторы для использования в электрические транспортные средства, и это может потенциально увеличить общую зарядную емкость, что приведет к более дальних транспортных средств. Кроме того, еще одним достижением будет то, что этот тип батареи будет иметь гораздо более длительный срок службы, что позволит использовать его в транспортных средствах, в которых они установлены, в течение гораздо более длительного периода времени. Аккумуляторы остаются ключевым ограничивающим фактором для электрического проектирования, и переход на твердотельные аккумуляторы поможет освободить место для увеличения выигрыша в плане достигнутой зарядной емкости, а также поможет повысить существующую эффективность за счет использования сверхлегких материалов.
Топливные элементы
В последние годы быстро растет рынок электромобилей, и технология топливных элементов становится все более очевидной. Как вы, возможно, знаете, топливные элементы, работающие на водороде, являются зеленой альтернативой двигателям внутреннего сгорания, поскольку они вырабатывают энергию в результате электрохимических реакций, не оставляя загрязнений. Последний прорыв в технологии топливных элементов произошел, когда Hyundai выпустил свою последнюю модель под названием Nexo. Этот современный автомобиль был оснащен водородным топливным элементом, который обещает большую эффективность, чем различные другие топливные элементы, которые существуют на современном рынке. Кроме того, топливный элемент, используемый в этой новой модели, как говорят, улучшает дальность до 370 миль, что позволяет пополнить запас топлива всего за пять минут. Говорят, что это заметное улучшение по сравнению с другими моделями, такими как Tuscon FCEV, Tesla model 3 и Chevrolet Bolt.
Еще одним крупным прорывом стало то, что команда инженеров из Университета штата Делавэр разработала технологию, которая может сделать топливные элементы более дешевыми и долговечными. Материалы, известные как катализаторы, стимулируют эти электрохимические реакции, и платина является наиболее распространенным катализатором в топливных элементах, используемых в транспортных средствах. Обнаруженный недостаток заключается в том, что платина может быть дорогой, а металл стоит около 20 000 фунтов за килограмм. Вместо этого команда инженеров сформировала катализатор из карбида вольфрама, который стоит около 100 фунтов за килограмм. Исследователи создали наночастицы карбида вольфрама, используя ряд процессов, таких как гидротермическая обработка, разделение, восстановление и цементация. Затем группа исследователей включила наночастицы карбида вольфрама в мембрану топливного элемента. Автомобильные топливные элементы, которые называются протонообменными мембранами, состоят из полимерной мембраны.
Этот тип мембраны со временем изнашивается, особенно если он подвергается слишком большому количеству циклов мокрого или сухого состояния. Когда карбид вольфрама включен в мембрану топливного элемента, он увлажняет мембрану на уровне, который оптимизирует производительность. Он показал эффективность на 60% эффективнее, чем стандартные водородные топливные элементы. Катализатор из карбида вольфрама также улучшает управление отходами воды топливных элементов, а также улавливает вредные свободные радикалы, прежде чем они смогут разрушить мембрану топливного элемента. В результате мембраны с наночастицами карбида вольфрама служат гораздо дольше, чем стандартные. Разработанный недорогой катализатор может быть встроен в мембрану для повышения производительности и плотности мощности. В результате физический размер батареи топливных элементов может быть уменьшен при той же мощности, что делает его легче и дешевле. Кроме того, катализатор способен обеспечить высокую производительность без ущерба для долговечности, что является основным достижением в будущем топливных элементов.
В заключение следует отметить, что технологии аккумуляторов и топливных элементов все больше развиваются, поскольку мы говорим о них, и они меняют способ более эффективного получения нашего источника энергии. Разрабатываемая технология может изменить текущие топливные технологии, но она все еще подвергается различным видам исследований и экспериментов, чтобы гарантировать, что ее использование будет намного более эффективным и надежным для потребителей.
Полимеры представляют собой большие молекулы и имеют одну и ту же структурную единицу, повторяющуюся снова и снова, и эти повторяющиеся единицы известны как мономеры. Эти
Есть несколько разных циклов, вокруг которых вращается Земля. Некоторые из циклов были затронуты катастрофой Фукусима-Дайхатсу. Завод в Фукусиме пострадал от землетрясения силой 9,0 балла. Растения,
Трение – это сила, которая приводит к предотвращению движения объекта. Трение повсюду, когда один объект вступает в контакт с другим, возникает трение. Сила действует в