Водородный топливный элемент компании Nissan

С каждым годом совершенствуется мобильная электроника, становясь все распространенее и доступнее: КПК, ноутбуки, мобильные и цифровые аппараты, фоторамки и пр. Все они все время пополняются новыми функциями, большими мониторами, беспроводной связью, более сильными процессорами, при этом, уменьшаясь в размерах. Технологии питания, в отличие от полупроводниковой техники, семимильными шагами не идут.

Имеющихся батарей и аккумуляторов для питания достижений индустрии становится недостаточно, поэтому вопрос альтернативных источников стоит очень остро. Топливные элементы на сегодняшний день являются наиболее перспективным направлением. Принцип их работы открт был еще в 1839 году Уильямом Гроуом, который электричество генерировал изменив электролиз воды.

Видео: Документальный фильм, топливные элементы для транспорта: прошлое, настоящее, будущее

Топливные элементы интересны производителям автомобилей, интересуются ими и создатели космических кораблей. В 1965 году они даже были испытаны Америкой на запущенном в космос корабле «Джемини-5», а позже и на «Аполлонах». Миллионы долларов вкладываются в исследования топливных элементов и сегодня, когда существуют проблемы, связанные с загрязнением окружающей среды, усиливающимися выбросомами парниковых газов, образующихся при сгорании органического топлива, запасы которого тоже не бесконечны.

Топливный элемент, часто называемый электрохимическим генератором, работает нижеописанным образом.

Являясь, как аккумуляторы и батарейки гальваническим элементом, но с тем отличием, что хранятся в нем активные вещества отдельно. На электроды они поступают по мере использования. На отрицательном электроде сгорает природное топливо или любое вещество из него полученное, которое может быть газообразным (водород, например, и окись углерода) или жидким, как спирты. На электроде положительном, как правило, реагирует кислород.

Но простой на вид принцип действия, в реальность воплотить не просто.

Топливный элемент своими руками

Видео: Топливный водородный элементсвоими руками

К сожалению у нас нет фотографий, как должен выглядить этот топливный элекмнт, надеямся на вашу фантазию.

Маломощный топливный элемент своими руками можно изготовить даже в условиях школьной лаборатории. Необходимо запастись старым противогазом, несколькими кусками оргстекла, щелочью и водным раствором этилового спирта (проще, водкой), которое будет служить для топливного элемента «горючим».

Прежде всего, необходим корпус для топливного элемента, изготовить который лучше из оргстекла, толщиной не менее пяти миллиметров. Внутренние перегородки (внутри пять отсеков) можно сделать немного тоньше – 3 см. Для склеивания оргстекла используют клей такого состава: в ста граммах хлороформа или дихлорэтана растворяют шесть грамм стружки из оргстекла (проводят работу под вытяжкой).

В наружной стенке теперь необходимо просверлить отверстие, в которое вставить нужно через резиновую пробку сливную стеклянную трубочку диаметром 5-6 сантиметров.

Все знают, что в таблице Менделеева в левом нижнем углу стоят наиболее активные металлы, а металлоиды высокой активности находятся в таблице в верхнем правом углу, т.е. способность отдавать электроны, усиливается сверху вниз и справа налево. Элементы, способные при определенных условиях проявлять себя как металлы или металлоиды, находятся в центре таблицы.

Теперь во второе и четвертое отделение насыпаем из противогаза активированный уголь (между первой перегородкой и второй, а также третьей и четвертой), который выполнять будет роль электродов. Чтобы через отверстия уголь не высыпался его можно поместить в капроновую ткань (подойдут женские капроновые чулки). В

Топливо циркулировать будет в первой камере, в пятой должен быть поставщик кислорода – воздух. Между электродами будет находиться электролит, а для того, чтобы он не смог просочиться в воздушную камеру, нужно перед засыпкой в четвертую камеру угля для воздушного электролита, пропитать его раствором парафина в бензине (соотношение 2 грамма парафина на пол стакана бензина). На слой угля положить нужно (слегка вдавив) медные пластинки, к которым припаяны провода. Через них ток отводиться будет от электродов.

Осталось только зарядить элемент. Для этого и нужна водка, которую разбавить с водой нужно в 1:1. Затем осторожно добавить триста-триста пятьдесят граммов едкого калия. Для электролита в 200 граммах воды растворяют 70 граммов едкого калия.

Топливный элемент готов к испытанию. Теперь нужно одновременно налить в первую камеру – топливо, а в третью – электролит. Присоединенный к электродам вольтметр должен показать от 07 вольт до 0,9. Чтобы обеспечить непрерывную работу элементу, нужно отводить отработавшее топливо (сливать в стакан) и подливать новое (через резиновую трубку). Скорость подачи регулируется сжиманием трубки. Так выглядит в лабораторных условиях работа топливного элемента, мощность которого, понятна мала.

Видео: Топливный элемент или вечная батарейка дома

Чтобы мощность была большей, ученые давно занимаются этой проблемой. На активной стали разработки находятся метанольный и этанольный топливные элементы. Но, к сожалению, пока на практику их выхода нет.

Почему топливный элемент выбран в качестве альтернативного источника питания

Альтернативным источником питания выбран топливный элемент, поскольку конечным продуктом сгорания водорода в нем является вода. Проблема касается только в нахождении недорогого и эффективного способа получения водорода. Колоссальные средства, вложенные в развитие генераторов водорода и топливных элементов, не могут не принести свои плоды, поэтому технологический прорыв и реальное их использование в повседневной жизни, только вопрос времени.

Уже сегодня монстры автомобилестроения: «Дженерал Моторс», «Хонда», «Драймлер Коайслер», « Баллард», демонстрируют автобусы и авто, которые работают на топливных элементах, мощность которых достигает 50кВт. Но, проблемы, связанные с их безопасностью, надежностью, стоимостью — еще не решены. Как говорилось уже, в отличие от традиционных источников питания – аккумуляторов и батарей, в этом случае окислитель и горючее подаются извне, а топливный элемент лишь является посредником в происходящей реакции по сжиганию топлива и превращению в электричество выделяющейся энергии. Протекает «сжигание» только в том случае, если элемент ток отдает в нагрузку, подобно дизельному электрогенератору, но без генератора и дизеля, а также без шума, дыма и перегрева. При этом, КПД намного выше, поскольку отсутствуют промежуточные механизмы.

Видео: Автомобиль на водородном топливном элементе

Большие надежды возлагаются на применение нанотехнологий и наноматериалов , которые помогут миниатюризировать топливные элементы, при этом увеличить их мощность. Появились сообщения, что созданы сверх-эффективные катализаторы, а также конструкции топливных элементов, не имеющих мембран. В них вместе с окислителем подается в элемент топливо (метан, например). Интересны решения, где в качестве окислителя используется кислород, растворенного в воде воздуха, а в качестве топлива – органические примеси, скапливающиеся в загрязненных водах. Это, так называемые, биотопливные элементы.

Топливные элементы, по прогнозам специалистов, на массовый рынок могут выйти уже в ближайшие годы

История

Первый элемент был сделан, кажется, из грифеля от русского (это важно) простого карандаша, а корпус был пробкой из-под пива. Все это подогревалось на кухонной плите. Электролитом был порошок "Диггер" для прочистки труб, состоящий из NaOH, если верить этикетке. Поскольку удалось получить какой-то ток, я подумал, что, наверное, такой элемент действительно может работать. Консервные банки начинали течь по швам (припой разъедался щелочью), и я даже не помню, какие результаты получились. Для более серьезного опыта купил жульенницу из нержавейки. Однако, с ней ничего не получилось. Мало того, что напряжение было всего 0,5 вольта, оно было еще и направлено не в ту сторону. Также выяснилось, что угольки от карандашей очень любят рассыпаться на составные части. Видимо, они сделаны не из цельного кристалла графита, а склеены из пыли. Та же судьба постигла стержни от пальчиковых батареек. Также были куплены щетки от каких-то электродвигателей, но у них быстро приходили в негодность места, где подводящий провод входит в щетку. К тому же, одна пара щеток, как оказалось, содержала медь или какой-то другой металл (с щетками это бывает).

Крепко почесав затылок, я решил, что для надежности лучше сделать сосуд из серебра, а уголек - по технологии, описанной Жако, т.е., спеканием. Серебро стоит умеренных денег (цены колеблются, но где-то порядка 10-20 рублей за грамм). Я встречал чай, который стоит гораздо дороже.

Известно, что серебро устойчиво в расплаве NaOH, в то время как железо дает ферраты, например, Na2FeO4. Поскольку вообще железо обладает переменной валентностью, то его ионы могут вызвать в элементе "короткое замыкание", во всяком случае, в теории. Поэтому я решил для начала проверить случай серебра, как более простой. Сначала была куплена мельхиоровая посеребреная ложка, и при испытании со щетками сразу получилось 0,9В открытой цепи с нужной полярностью, а также, довольно большой ток. Впоследствии (не практически, а теоретически) выяснилось, что серебро тоже может растворяться в щелочи в присутствии пероксида натрия Na2O2, который в некоторых количествах образуется при продувании воздуха. Будет ли это происходить в элементе или под защитой углерода серебро находится в безопасности - я не знаю.

Ложка прожила недолго. Серебряный слой вздулся и она прекратила работать. Мельхиор неустойчив в щелочи (как и большинство существующих на свете материалов). После этого я сделал специальный стаканчик из серебряной монеты, на котором и была получена рекордная мощность в 0,176 ватт.

Все это было проделано в обычной городской квартире, на кухне. Я ни разу крупно не обжегся, не устроил пожара и всего один раз пролил расплавленную щелочь на плиту (эмаль немедленно разъело). Инструмент был использован самый простой. Если получится узнать правильный вид железа и правильный состав электролита, то такой элемент сможет сделать на коленке каждый не совсем безрукий мужик.

В 2008 году выявилось несколько "правильных видов железа". Например, пищевая нержавейка, жесть консервных банок, электротехнические стали для магнитопроводов, а также низкоуглеродистые стали - ст1пс, ст2пс. Чем меньше углерода, тем лучше работа. Нержавейка, похоже, работает хуже чистого железа (она, кстати, и дороже намного). "Норвежское листовое" железо, оно же - Шведское - это железо, которое делалось кричным способом в Швеции на древесном угле и содержало не более 0,04% углерода. Сейчас такое низкое содержание углерода можно найти только в электротехнических сталях. Наверное, лучше всего делать стаканчики штамповкой из листовой электротехнической стали

Изготовление серебряного стаканчика

В 2008 году выяснилось, что железный стаканчик тоже работает хорошо, поэтому я убираю всё, что касается серебряного стаканчика. Это было интересно, но теперь уже неактуально.

Можно пытаться использовать графит. Но я не успел. Я выпросил у тетеньки-водителя накладку для рогов троллейбуса, но это было уже в конце моей экспериментальной эпопеи. Еще можно попробовать щетки от двигателей, но они часто бывают с медью, что нарушает чистоту эксперимента. У меня было два варианта щеток, одни оказались с медью. Карандаши не дают никакого результата, потому что у них маленькая площадь поверхности и с них неудобно снимать ток. Стержни от батарей в щелочи разваливаются
(что-то происходит со связующим). Вообще говоря, графит - это наихудшее топливо для элемента, т.к. он наиболее химически стоек. Поэтому изготавливаем электрод "по честному". Берем древесный уголь (я покупал в супермаркете березовый уголь для шашлыков), мелется как можно мельче (я молол сначала в фарфоровой ступке, потом купил кофемолку). В промышленности электроды делают из нескольких фракций угля, смешивая их друг с другом. Ничто не мешает сделать так же. Порошок подвергается обжигу для повышения электропроводности: его нужно на несколько минут нагреть до как можно более высокой температуры (1000 и больше). Естественно, без доступа воздуха.

Я для этого сделал горн из двух вложенных друг в друга консервных банок. Между ними для теплоизоляции навалены кусочки сухой глины. Дно обеих банок пробито, чтобы было куда дуть воздуху. Внутренняя банка насыпается углями (которые выполняют роль топлива), среди них помещается металлическая коробочка - "тигель", я ее тоже сворачивал из жести от консервной банки. В коробочку запихивается завернутый в бумажный кулек угольный порошок. Должен быть зазор между свертком с углем и стенками "тигля". Он засыпается песком, чтобы не было доступа воздуха. Угли поджигаются, затем сквозь дырки в дне производится наддув обычным феном. Все это достаточно пожароопасно - летят искры. Нужны защитные очки, а также нужно смотреть, чтобы рядом не было занавесок, бочек с бензином и других пожароопасных предметов. Лучше бы, по хорошему, делать такие дела где-нибудь на зеленой лужайке в период дождей (в перерыве между дождями). Извините, но мне лень рисовать всю эту конструкцию. Думаю, догадаетесь и без меня.

Далее к обожженому порошку на глаз добавляется некоторое количество сахара (наверное, от трети до половины). Это - связующее. Потом - чуть-чуть воды (когда у меня были грязные руки и лень было открывать кран, я просто плевал в него и добавлял пиво вместо воды, не знаю, насколько это имеет значение; вполне возможно, что органика важна. Все это тщательно перемешивается в ступке. В результате должна получиться пластичная масса. Из этой массы нужно сформовать электрод. Чем лучше ты его спрессуешь, тем лучше. Я брал заглушенный кусок трубки и забивал уголь в трубку меньшей трубкой, с помощью молотка. Чтобы изделие не развалилось при извлечении из трубки, перед набивкой в трубу вставлял несколько ободков из бумаги. Заглушка должна быть сьемной, а еще лучше - если труба будет распилена вдоль и соединена хомутами. Тогда после прессовки можно просто разьединить хомуты и достать заготовку уголька в целости и сохранности. В случае сьемной заглушки нужно будет выдавить готовую заготовку из
трубы (при этом она может развалиться). Уголек у меня имел диаметр 1,2-1,5 см и длину 4-5 см.

Готовая форма сушится. Для этого я включал газовую плиту на очень маленький огонь, ставил на нее пустую консервную банку кверху дном и на дно клал уголек. Сушка должна быть достаточно медленной, чтобы пары воды не разорвали заготовку. После испарения всей воды начнет "кипеть" сахар. Он превратится в карамель и склеит кусочки угля между собой.

После остывания нужно просверлить в угольке продольное (вдоль его оси симметрии) круглое отверстие, в которое будет вставляться отводящий электрод. Диаметр отверстия - не помню, кажется, 4 мм. При этой процедуре уже может все накрыться, потому что конструкция хрупкая. Я сначала сверлил 2 мм сверлом, потом аккуратно (вручную) расширял 3-мм и 4-мм сверлами, или даже надфилем, точно не помню. В принципе, можно эту дырку сделать уже на этапе формовки. Но это -
нюансы.

После того, как все высушено и просверлено, нужно произвести обжиг. Общий смысл - нужно при достаточно плавном наборе температуры подвергнуть уголек сильному и равномерному нагреву без доступа воздуха на некоторое время (около 20 минут). Нагревать нужно постепенно, остужать - тоже. Температура - чем выше, тем лучше. Желательно, больше 1000. У меня было
оранжевое (ближе к белому) каление железа в импровизированном горне. Промышеленные электроды обжигают много суток, с очень плавным подводом-отводом теплоты. Ведь это, по сути - керамика, которая хрупка. Гарантировать, что уголек не треснет, я не могу. Я все делал на глаз. Некоторые угольки трескались сразу при начале эксплуатации.

Итак, уголек готов. Он должен иметь как можно меньшее сопротивление. При измерении сопротивления нужно не прикасаться к угольку иглами тестера, а взять два многожильных провода, прислонить их к сторонам уголька (не к концам стержня, а просто по диаметру) и сильно прижать пальцами (только чтобы не треснул), см. рисунок, на рисунке розовая аморфная масса - это пальцы, сжимающие жилы проводов.

Если сопротивление - 0.3-0.4 ома (это было на грани чувствительности моего тестера), то это - хороший уголек. Если больше 2-3 ом, то плохой (удельная мощность будет маленькая). Если уголек не удался, можно повторить обжиг.

После того, как сделали обжиг, делаем отводящий электрод. Это - полоска серебра или железа - 2008 год длиной, равной двукратной или чуть меньше длине уголька,
шириной - два диаметра отверстия. Толщина - допустим, 0,5 мм. Из нее нужно свернуть цилиндр, внешний диаметр которого равен
диаметру отверстия. Но цилиндр не получится, потому что ширина слишком мала, получится цилиндр с продольной прорезью. Эта прорезь важна, для компенсации теплового расширения. Если сделать полный цилиндр, то серебро при нагреве разорвет уголек.
"Цилиндр" вставляем в уголек. Нужно сделать так, чтобы он плотно входил в дырку. Здесь есть две стороны: чрезмерное усилие разорвет уголек, при слабом усилии не будет достаточного контакта (он очень важен). См. рисунок.

Эта конструкция родилась не сразу, она представляется мне более совершенной, чем те хомуты, которые нарисованы в патенте у Жако. Во-первых, при таком контакте ток идет не вдоль, а по радиусу цилиндрического уголька, что позволяет существенно снизить электрические потери. Во-вторых, металлы имеют больший коэффициент теплового расширения, чем уголь, поэтому контакт угля с металлическим хомутом ослабевает при нагреве. В моем случае контакт упрочняется или сохраняет свою силу. В-третьих, если отводящий электрод сделан не из серебра, то уголь предохраняет его от окисления. Скорее дайте мне патент!

Теперь можно еще раз померять сопротивление, одним из полюсов будет токоотводящий электрод. Кстати, у моего тестера 0.3 ома - это уже предел чувствительности, поэтому лучше пропустить ток известного напряжения и померять его силу.

Подача воздуха

Берем стальной стерженек от шариковой ручки большой емкости. Желательно - пустой. Удаляем из него блок с шариком - остается просто железная трубочка. Тщательно удаляем остатки пасты (у меня это не очень хорошо получилось и паста потом обуглилась, что мешало жить). Сначала это делается водой, а потом лучше все же несколько раз прокалить стерженек в пламени горелки. Произойдет пиролиз чернил, после этого останется уголь, который можно выковырять.

Далее находим какую-то еще трубку, чтобы соединить этот стерженек (он будет раскален) с ПВХ-шной трубкой, ведущей от аквариумного компрессора, которым кондиционируют рыбок. Все должно быть достаточно герметично. На ПВХ-шную трубку ставим регулируемый зажим, потому что даже самый хилый компрессор дает слишком много воздуха. В идеале нужно сделать серебряную, а не стальную трубку и у меня это даже получилось, но я не смог обезпечить герметичное соединение серебряной трубки с ПВХ-шной. Промежуточные трубки сильно травили воздух (из-за тех же тепловых зазоров), поэтому в итоге я остановился на стальном стерженьке. Конечно, эта проблема разрешима, но нужно просто было потратить на это время и силы и подобрать соответствующую ситуации трубку. Вообще, в этой части я сильно отступил от патента Жако. Сделать такую розочку, как нарисована у него, я не смог (а если честно, то я тогда недостаточно хорошо рассмотрел ее конструкцию).

Здесь следует сделать небольшое отступление и обсудить, насколько неправильно Жако представлял работу своего элемента. Очевидно, что кислород переходит в ионную форму где-то на катоде, по формуле O2+4e-=2O2-, либо какая-то аналогичная реакция, где кислород восстанавливается и соединяется с чем-то. То есть, важно обезпечить тройное соприкосновение воздуха, электролита и катода. Это может происходить при контакте пузырьков воздуха с металлом распылителя и электролитом. То есть, чем больше суммарный периметр всех отверстий распылителя, тем больше должна быть сила тока. Также, если сделать стаканчик с наклонными краями, то поверхность тройного соприкосновения тоже может увеличиться, см. рис.

Другой вариант - это когда на катоде восстанавливается растворенный кислород. В этом случае, площадь тройного соприкосновения не имеет особого значения, а нужно лишь максимизировать площадь поверхности пузырьков, чтобы ускорить растворение кислорода. Правда, в этом случае непонятно, почему растворенный кислород не окисляет уголь непосредственно, без электрохимической реакции (работая "мимо" электрической цепи). Видимо, в этом случае важны каталитические свойства материала стаканчика. Ну ладно, это все лирика. В любом случае, нужно делить струю на мелкие пузырьки. Те попытки сделать это, которые я предпринимал, не были особо успешными.

Для этого нужно было сделать тонкие отверстия, с которыми получилась куча проблем.

Во-первых, тонкие отверстия быстро засоряются, т.к. железо корродирует, ржавчина и остатки угля (вспомним, что там когда-то была паста от ручки) выпадают из стерженька и затыкают отверстия.
Во-вторых, отверстия получаются неравной величины и сложно заставить воздух идти одновременно из всех отверстий.
В-третьих, если два отверстия находятся рядом, то возникает нехорошая тенденция слияния пузырьков еще до их отрыва.
В-четвертых, компрессор подает воздух неравномерно и это тоже как-то влияет на размер пузырьков (видимо, выскакивает один пузырек за один толчок). Все это можно легко наблюдать, налив в прозрачную банку воду и испытав распылитель в ней. Конечно, у щелочи другая вязкость и коэффициент поверхностного натяжения, поэтому придется действовать наугад. Я так и не смог победить эти проблемы и плюс к этому, проблему утечек воздуха из-за тепловых зазоров. Из-за этих утечек распылитель не мог начать работать, поскольку для этого нужно преодолеть силы поверхностного натяжения. Как раз тут полностью проявились недостатки хомутов. Как их не затягивай, при нагреве они все равно ослабевают. В итоге, я перешел к простейшему распылителю из стерженька от шариковой ручки, который давал только одну струю пузырьков. Видимо, чтобы сделать это по-нормальному, нужно тщательно избавиться от утечек, подавать воздух под существенным давлением (больше, чем создаваемое аквариумным компрессором) и через мелкие отверстия.

Эта часть конструкции у меня проработана откровенно плохо...

Сборка

Все. Собираем все вместе. Нужно так все установить на зажимах, чтобы
1. Не было короткого замыкания через несущую конструкцию.
2. Уголек не касался трубки, вдувающей воздух, а также стенок
стаканчика. Это будет трудно, поскольку зазоры малы, зажимы хлипки, а при работе элемента щелочь будет булькать. Также будет действовать архимедова сила, которая будет все смещать куда не надо, и сила поверхностного натяжения, притягивающая уголек к другим предметам. Серебро станет мягким от нагрева. Поэтому, в итоге, я держал уголек пассатижами за конец отводящего электрода. Это было плохо. Для нормальной работы нужно все же сделать крышку (видимо, только из фарфора - глина размокает в щелочи и теряет прочность, может быть, можно обожженую глину использовать). Идея о том, как сделать эту крышку, есть в патенте Жако. Главное, что она должна довольно хорошо удерживать уголек, т.к. даже при небольшом перекосе он будет касаться стаканчика у дна. Для этого она должна иметь большую высоту. Подобрать такую фарфоровую крышку мне не удалось, сделать керамическую из глины - тоже (все, что я пытался делать из глины - быстро трескалось, видимо, я как-то не так обжигал). Единственная небольшая хитрость состоит в том, чтобы использовать металлическую крышку и слой путь даже плохо обожженной глины в качестве теплоизоляции. Этот путь тоже не так прост.

Короче говоря, конструкция элемента была у меня тоже никуда не годной.

Еще неплохо заготовить инструмент, которым можно будет достать кусок уголька, который может отвалиться от электрода и упасть в щелочь. Может отвалиться кусок уголька и упасть в щелочь, тогда будет короткое замыкание. У меня в качестве такого инструмента была гнутая стальная скрепка, которую я держал пассатижами. Подводим провода - один к ручке, другой - к отводящему электроду. Можно припаять, хотя я использовал две металлических пластинки и свинчивал их винтиками (все - от детского металлического конструктора). Главное - понимать, что вся конструкция работает при низком напряжении и все соединения должны быть сделаны хорошо. Измеряем сопротивление при отсутствии электролита между электродами - убеждаемся, что оно велико (хотя бы 20 Ом). Измеряем сопротивления всех соединений - убеждаемся, что они малы. Собираем схему с нагрузкой. Например, сопротивление 1 Ом и последовательно включенный амперметр. У тестеров низкое сопртоивление амперметра бывает только в режиме измерения единиц ампер, желательно это заранее выяснить. Можно либо включить в режим изменения единиц ампер, (ток получится от 0.001 до 0.4 А), либо вместо последовательно включенного амперметра включить параллельно вольтметр (напряжение будет от 0.2 до 0.9 В). Желательно предусмотреть возможность менять условия в ходе опыта, чтобы замерять напряжение раскрытой цепи, ток короткого замыкания и ток с нагрузкой 1 ом. А лучше, если сопротивление тоже можно менять: 0.5 ом, 1 Ом и 2 Ом, чтобы найти то, при котором будет достигнута максимальная мощность.

Включаем компрессор от аквариума и заворачиваем зажим, чтобы воздух шел еле-еле (а, кстати, работоспособность подводящего трубопровода нужно проверить, погружая его в воду. Поскольку плотность щелочи - 2,7, нужно погрузить на соответствующую большую глубину. Полная герметичность не обязательна, главное, чтобы и на такой глубине из конца трубки что-то булькотило.

Меры предосторожности

Далее идет работа с расплавом щелочи. Как бы объяснить, что такое расплав щелочи? Вам попадало в глаза мыло? Неприятно, правда? Так вот, расплав NaOH - это тоже мыло, только разогретое до 400 градусов и в сотни раз более едкое.

Защитные меры при работе с расплавом щелочи строго обязательны!

Прежде всего, строго необходимы хорошие защитные очки . Я близорук, поэтому я одевал двое очков - сверху пластиковые защитные, а под них еще и стеклянные. Защитные очки должны защищать от попадания брызг не только спереди, но и сбоку. В такой амуниции я чувствовал себя в безопасности. Несмотря на защитные очки, приближать лицо к аппарату не рекомендуется вовсе.

Кроме глаз, необходимо защитить и руки. Я все делал очень аккуратно, поэтому под конец уже "замастерился" и работал в футболке. Это полезно, поскольку попадающие иногда на руки мельчайшие брызги щелочи дают ожег, не позволяющий в течение нескольких дней забыть, с каким веществом имеешь дело.

Но на руках, естественно, были перчатки. Сначала резиновые хозяйственные (не самые тонкие), а поверх них - пупырчатые тряпичные пупырышки торчали с задней стороны ладони. Их я смачивал водой, чтобы можно было браться за горячие предметы. В такое паре перчаток руки более-менее защищены. Но нужно следить, чтобы внешние перчатки никогда не были слишком мокрые. Капля воды, попадающая в электролит, мгновенно закипает, при этом электролит очень здорово разбрызгивается. Если такое произошло (а такое у меня происходило раза три), возникают проблемы с органами дыхания. В этих случаях я немедленно задерживал дыхание, не завершая вдох (каякерская практика помогает не впадать в панику в таких ситуациях), и сваливал из кухни подобру-поздорову.

Вообще, для защиты органов дыхания нужна хорошая вентиляция при проведении опыта. В моем случае это был просто сквозняк (дело было летом). Но в идеале это должна быть вытяжка или открытый воздух.

Поскольку брызги щелочи неизбежны, все, что находится в ближайшей окрестности стаканчика, покрывается щелочью в той или иной степени. Если взяться за нее голыми руками, можно получить ожег. Нужно все промывать после завершения опыта, в том числе, перчатки.

Еще на случай ожега у меня всегда была рядом заготовлена емкость с водой и емкость с разбавленным уксусом, для нейтрализации щелочи при сильном ожоге. Уксус ни разу не пригодился, к счастью и я не могу сказать, стоит ли им пользоваться вообще. В случае ожега нужно сразу смывать щелочь большим количеством воды. Еще есть народное средство от ожегов - моча. Оно, вроде бы, тоже помогает.

Собственно работа с элементом

Насыпаем в стаканчик сухой NaOH (я покупал средство "Диггер" для прочистки труб). Можно добавить MgO и другие ингредиенты, например, CaCO3 (зубной порошок или мел) или MgCO3 (у меня был MgO, добытый друзьями). Поджигаем горелку и греем. Поскольку NaOH крайне гигроскопичен, нужно это делать сразу (а пакетик с NaOH - плотно закрывать). Неплохо бы сделать так, чтобы стаканчик был окружен теплом со всех сторон - ток ОЧЕНЬ сильно зависит от температуры. Т.е., сделать импровизированную камеру сгорания и направить в нее пламя горелки (нужно еще следить, чтобы баллончик у горелки не взорвался, по-моему эти горелки достаточно плохо сделаны с этой точки зрения, как я уже писал, для этого нужно, чтобы горячие газы не попадали на баллончик, и лучше держать его в нормальном положении, а не "кверх ногами").
Иногда оказывается удобным подводить пламя горелки сверху, но это - уже после того, как все расплавится. Тогда одновременно греется нагнетательная трубка, отводящий электрод (и уголек через него), верх стакана, где больше всего воздушных пузырьков). Если мне память не изменяет, самый большой результат был получен именно таким образом.

Через какое-то время щелочь начнет плавиться и ее объем уменьшится. Нужно подсыпать порошка, так, чтобы стаканчик был заполнен на 2/3 по высоте (щелочь будет утекать из-за каппилярности и разбрызгивания). Труба подачи воздуха у меня работала плохо (из-за теплового расширения зазоры и неплотности увеличатся, а из-за хорошего теплоотвода щелочь в ней может застывать). Иногда воздух вообще переставал поступать. Чтобы это исправить, я делал следующее:
1. Продув. (временное аккуратное увеличение подачи воздуха)
2. Подьем. (меньше будет напор и воздух вытеснит столб щелочи из
трубы)
3. Прогрев (достать из стаканчика и прогреть горелкой, чтобы щелочь внутри распылителя расплавилась).

Вообще, элемент начинает хорошо работать при температуре красного каления (щелочь начинает светиться). При этом начинает идти пена (это CO2), и раздаются хлопки со вспышками (то ли это водород, то ли CO догорает, я так и не понял).
Мне удалось добиться максимальной мощности 0,025 вт/см2 или 0,176 вт всего с элемента, при сопротивлении нагрузки в 1,1 Ома. При этом я измерял ток амперметром. А можно было измерять и падение напряжения на нагрузке.

Вырождение электролита

В элементе происходит нехорошая побочная реакция

NaOH+CO2=Na2CO3+H2O.

Т.е., через какое-то время (десятки минут) все застынет (температура плавления соды - не помню, но около 800). Некоторое время это можно преодолевать, подсыпая еще щелочи, но в конце концов все равно - электролит застынет. По поводу борьбы с этим - см. другие страницы на этом сайте, начиная со страницы об УТЭ Вообще говоря, можно использовать NaOH, невзирая на эту проблему, о чем и писал Жако в своем патенте. Поскольку есть способы получения NaOH из Na2CO3. Например, вытеснение негашеной известью по реакции Na2CO3+CaOH=2NaOH+CaCO3, после чего CaCO3 можно прокалить и получится опять CaO. Правда, такой способ очень энергоемок и общий КПД элемента при этом упадет очень сильно, да и сложность увеличится. Поэтому, я думаю, что все же нужно искать стабильный состав электролита, который нашли в SARA. Вполне возможно, что это можно сделать, найдя заявки SARA на патенты в базе патентного ведомства США (http://www.uspto.gov), тем более, что за прошедшее время они могли стать уже выданными патентами. Но у меня руки пока не дошли. Собственно, и сама эта идея появилась лишь в ходе подоготовки этих материалов. Видимо, скоро я все же это сделаю.

Итоги, мысли и выводы

Тут я, может быть, немного повторюсь. Можно начинать не с серебра, а сразу с железа. Когда я пробовал использовать жульенницу
из нержстали, у меня получилось плохо. Теперь я понимаю, что первая причина этого - низкая температура и большой зазор между электродами. В своей статье Jacques пишет, что плохая работа с железом связана с тем, что к железу пригорает масло и образуется второй угольный электрод, поэтому нужно очень тщательно очистить железо от малейших следов масла, а также использовать железо
с низким содержанием углерода. Может быть, и так, но я все же думаю, что есть еще одна, более важная причина. Железо - элемент переменной валентности. Оно растворяется и образует "короткое замыкание". В пользу этого говорит и изменение цвета. При использовании серебра цвет электролита не меняется (серебро - самый устойчивый металл к действию расплавленных щелочей). При
использовании железа электролит становится коричневым. При использовании серебра напряжение открытой цепи достигает 0.9В и выше. При использовании железа - существенно меньше (не помню точно, но не более 0.6В) Насчет того, какое железо нужно использовать, чтобы все хорошо работало - есть на других страницах. Еще немного - насчет водяного пара, о котором пишет SARA. С одной стороны, он всем хорош (в теории): не дает железу переходить в раствор (известна реакция разложения ферратов щелочных металлов горячей водой, что-то типа Na2FeO4+H2O=2NaOH+Fe2O3) и вроде бы должен сдвигать равновесие в нехорошей побочной реакции. Я посмотрел термодинамику реакции NaOH+CO2=Na2CO3+H2O с помощью он-лайн программы F*A*C*T (http://www.crct.polymtl.ca/FACT/index.php) При всех температурах равновесие в ней очень сильно сдвинуто вправо, т.е., вода вряд ли может существенно вытеснить углекислый газ из соединения с окисью натрия. Возможно, что ситуация меняется в сплаве NaOH-Na2CO3, либо образуется как бы водный раствор, но я не знаю, как это выяснить. Думаю, что в данном случае практика - критерий истины.

Основное, с чем можно столкнуться при проведении опытов с паром - это конденсация. Если где-то по дороге от места ввода воды в воздушную магистраль температура любой стенки упадет ниже 100С, вода может сконденсироваться, а потом с током воздуха попасть в щелочь в виде капельки. Это очень опасно и нужно этого изо всех сил избегать. Особенно опасно то, что температуру стенок не так легко промерить. Сам я ничего с паром делать не пробовал.

Вообще, конечно, нужно проводить такие работы не в квартире, а, как минимум, на даче, и делать сразу элемент большего размера. Для этого, естественно, понадобится больший горн для обжига, большая "печка" для подогрева элемента, больше исходных материалов. Зато будет гораздо более удобно работать со всеми деталями. Особенно это касается устройства самого элемента, который у меня не имел крышки. Сделать большую крышку - гораздо проще, чем маленькую.

Насчет серебра. Серебро, конечно, стоит не так уж дешево. Но если делать серебряный электрод достаточно тонким, то элемент с серебром может стать рентабельным. Например, пусть удалось сделать электрод толщиной 0,1мм. При пластичности и ковкости серебра это будет легко (серебро можно протягивать сквозь валки в очень тонкую фольгу и я даже хотел это делать, но не нашлось валков). При плотности около 10г/см^3, один кубический сантиметр серебра стоит примерно 150 рублей. Он даст 100 квадратных сантиметров поверхности электрода. Можно получить и 200см^2, если взять два плоских уголька и расположить серебряную пластинку между ними. При достигнутой мной удельной мощности в 0,025вт/см^2, получается мощность в 5 ватт или 30 рублей за ватт, или 30.000 рублей за киловатт. Ввиду простоты конструкции, можно ожидать, что остальные компоненты киловаттного элемента (печка, воздушный насос) будут существенно дешевле. Корпус при этом можно сделать из фарфора, который относительно стоек к расплаву щелочи. В результате получится не слишком дорого, даже по сравнению с бензоэлектростанциями малой мощности. А уж солнечные батареи с ветряками и термоэлектрогенераторами отдыхают далеко позади. Чтобы еще сильно снизить цену, можно попытаться сделать сосуд из посеребренной меди. В этом случае, слой серебра будет еще в 100-1000 раз тоньше. Правда, мои опыты с мельхиоровой ложкой закончились неудачно, так что неясно, насколько серебряное покрытие окажется стойким. То есть, даже использование серебра открывает довольно неплохие перспективы. Единственное, что может тут оказаться неудачным - это если серебро будет недостаточно стойким.

Еще о материалах корпуса. Якобы, при работе элемента большое значение имеют пероксиды натрия, например, Na2O2, который должен возникать при продуве воздуха в NaOH. При высокой температуре пероксид разъедает практически все вещества. Проводились опыты по измерению потери веса тиглями из различных материалов, в которых содержался расплав пероксида натрия. Самым стойким оказался цирконий, за ним - железо, затем никель, затем фарфор. Серебро не попало в четверку лидеров. К сожалению, не помню точно, насколько серебро устойчиво. Там еще было написано про хорошую стойкость Al2O3 и МgO. Но второе место, которое занимает железо, вселяет оптимизм.

Вот, собственно, и все.

Сразу хочу предупредить, что этот топик не совсем по тематике Хабра, но в комментариях к посту про разработанный в MIT элемент идею вроде бы поддержали, так что ниже я опишу некоторые соображения о биотоливных элементах.
Работа, на основе которой написан данный топик, выполнялась мной в 11 классе, и заняла второе место на международной конференции INTEL ISEF.

Топливный элемент – химический источник тока, в котором химическая энергия восстановителя (топлива) и окислителя, непрерывно и раздельно подаваемых к электродам, непосредственно превращается в электрическую
энергию. Принципиальная схема топливного элемента (ТЭ) представлена ниже:

ТЭ состоит из анода, катода, ионного проводника, анодной и катодной камеры. На данный момент мощности биотопливных элементов недостаточно для использования в промэшленных масшатабах, но БТЭ с небольшой мощностью могут использоваться для медицинских целей как чувствительные датчики поскольку сила тока в них пропорциональна количеству перерабатываемого топлива.
К настоящему времени предложено большое число конструктивных разновидностей ТЭ. В каждом конкретном случае конструкция ТЭ зависит от назначения ТЭ, типа реагента и ионного проводника. В особую группу выделяют биотопливные элементы, в которых используются биологические катализаторы. Важной отличительной чертой биологических систем является их способность к селективному окислению различных топлив при низкой температуре.
В большинстве случаев в биоэлектрокатализе используют иммобилизованные ферменты, т.е. ферменты, выделенные из живых организмов и закрепленные на носителе, но сохранившие при этом каталитическую активность (частично или полностью), что позволяет использовать их повторно. Рассмотрим на примере биотопливный элемент, в котором ферментативная реакция сопряжена с электродной при использовании медиатора. Схема биотопливного элемента на основе глюкозооксидазы:

Биотопливный элемент состоит из двух инертных электродов из золота, платины или углерода, погруженных в буферный раствор. Электроды разделены ионообменной мембраной: анодное отделение продувается воздухом, катодное - азотом. Мембрана позволяет пространственно разделить реакции, протекающие в электродных отделениях элемента, и в тоже время обеспечивает обмен протонами между ними. Подходящие для биосенсоров мембраны разных типов выпускаются в Великобритании многими фирмами (ВДН, ВИРОКТ).
Введение глюкозы в биотопливный элемент, содержащий глюкозооксидазу и растворимый медиатор, при 20 °С приводит к возникновению потока электронов от фермента к аноду через медиатор. По внешней цепи электроны идут к катоду, где в идеальных условиях в присутствии протонов и кислорода образуется вода. Результирующий ток (в отсутствие насыщения) пропорционален добавке скоростьопределяющего компонента (глюкозы). Измеряя стационарные токи, можно быстро (5с) определить даже малые концентрации глюкозы - до 0,1 мМ. Как сенсор, описанный биотопливный элемент, имеет определенные ограничения, связанные с присутствием медиатора и определенными требованиями к кислородному катоду и мембране. Последняя должна удерживать фермент и в тоже время пропускать низкомолекулярные компоненты: газ, медиатор, субстрат. Ионообменные мембраны, как правило, удовлетворяют этим требованиям, хотя их диффузионные свойства зависят от рН буферного раствора. Диффузия компонентов через мембрану приводит к снижению эффективности переноса электрона вследствие побочных реакций.
На сегодняшний день имеются лабораторные модели топливных элементов с ферментными катализаторами, которые по своим характеристикам не отвечают требованиям их практического применения. Основные усилия в ближайшие несколько лет будут направлены на доработку биотопливных элементов и дальнейшее применение биотопливного элемента будет связано большей степенью с медициной, например: вживляемый биотопливный элемент, использующий кислород и глюкозу.
При использовании ферментов в электрокатализе главной проблемой, требующей решения, является проблема сопряжения ферментативной реакции с электрохимической, то есть обеспечение эффективного транспорта электронов с активного центра фермента на электрод, что может достигаться следующими путями:
1. Перенос электронов с активного центра фермента на электрод с помощью низкомолекулярного переносчика - медиатора (медиаторный биоэлектрокатализ).
2. Непосредственное, прямое окисление и восстановление активных центров фермента на электроде (прямой биоэлектрокатализ).
При этом медиаторное сопряжение ферментативной и электрохимической реакции в свою очередь можно осуществить четырьмя способами:
1) фермент и медиатор находятся в объеме раствора и медиатор диффундирует к поверхности электрода;
2) фермент находится на поверхности электрода, а медиатор в обьеме раствора;
3) фермент и медиатор иммобилизованы на поверхности электрода;
4) медиатор пришит к поверхности электрода, а фермент находится в растворе.

В данной работе катализатором катодной реакции восстановления кислорода служила лакказа, а катализатором анодной реакции окисления глюкозы - глюкозооксидаза (ГОД). Ферменты использовались в составе композитных материалов, создание которых является одним из наиболее важных этапов создания биотопливных элементов, одновременно выполняющих функцию аналитического датчика. Биокомпозитные материалы в данном случае должны обеспечивать селективность и чувствительность определения субстрата и в тоже время обладать высокой биоэлектрокаталитической активностью, приближающейся к ферментативной.
Лакказа представляет собой Cu-содержащую оксидоредуктазу, основной функцией которой в нативных условиях является окисление органических субстратов (фенолы и их производные) кислородом, который при этом восстанавливается до воды. Молекулярная масса фермента составляет 40000 г/моль.

К настоящему времени показано, что лакказа является наиболее активным электрокатализатором восстановления кислорода. В ее присутствии на электроде в атмосфере кислорода устанавливается потенциал близкий к равновесному кислородному потенциалу, и восстановление кислорода протекает непосредственно до воды.
В качестве катализатора катодной реакции (восстановления кислорода) использовали композитный материал на основе лакказы, ацетиленовой сажи АД-100 и нафиона. Особенностью композита является структура, обеспечивающая ориентацию молекулы фермента по отношению к электронпроводящей матрице, необходимую для прямого переноса электрона. Удельная биоэлектрокаталитическая активность лакказы в композите приближается к наблюдаемой в ферментативном катализе. Способ сопряжения ферментативной и электрохимической реакции в случае лакказы, т.е. способ переноса электрона от субстрата через активный центр фермента лакказы на электрод, – прямой биэлектрокатализ.

Глюкозокооксидаза (ГОД) – фермент класса оксидоредуктаз, имеет две субъединицы, каждая из которых имеет свой активный центр – (флавинадениндинуклеотид) ФАД. ГОД является ферментом, селективным по отношению к донору электронов – глюкозе, а в качестве акцепторов электронов может использовать многие субстраты. Молекулярная масса фермента составляет 180000 г/моль.

В работе использовали композитный материал на основе ГОД и ферроцена (Фц) для анодного окисления глюкозы по медиаторному механизму. Композитный материал включает ГОД, высокодисперсный коллоидный графит (ВКГ), Фц и нафион, что позволило получить электронопроводящую матрицу с высокоразвитой поверхностью, обеспечить эффективный транспорт реагентов в зону реакции и стабильные характеристики композитного материала. Способ сопряжения ферментативной и электрохимической реакций, т.е. обеспечение эффективного транспорта электронов от активного центра ГОД на электрод – медиаторный, при этом фермент и медиатор были иммобилизованы на поверхности электрода. В качестве медиатора - акцептора электронов – использовали ферроцен. При окислении органического субстрата – глюкозы, ферроцен восстанавливается, а затем окисляется на электроде.

Если кому-то интересно, я могу подробно описать процесс получения покрытия электородов, но за этим лучше пишите в личку. А в топике я просто опишу полученную структуру.

1. АД-100.
2. лакказа.
3. гидрофобная пористая подложка.
4. нафион.

После того, как электорды получены мы перешли непосредственно к экспериментальной части. Вот так выглядела наша рабочая ячейка:

1. электрод сравнения Ag/AgCl;
2. рабочий электрод;
3. вспомогательный электрод - Рt.
В опыте с глюкозооксидазой - продувка аргоном, с лакказой - кислородом.

Восстановление кислорода на саже в отсутствии лакказы происходит при потенциалах ниже нуля и происходит в две стадии: через промежуточное образование перекиси водорода. На рисунке представлена поляризационная кривая электровосстановления кислорода лакказой иммобилизованной на АД-100, полученная в атмосфере кислорода в растворе с рН 4,5. В этих условиях устанавливается стационарный потенциал близкий к равновесному кислородному потенциалу (0,76 В). При потенциалах катоднее 0,76 В на ферментном электрода наблюдается каталитическое восстановление кислорода, которое протекает по механизму прямого биоэлектрокатализа непосредственно до воды. В области потенциалов катоднее 0,55 В на кривой наблюдается плато, которое соответствует предельному кинетическому току восстановления кислорода. Величина предельного тока составила около 630 мкА/см2.

Электрохимическое поведение композитного материала, на основе ГОД нафиона, ферроцена и ВКГ, исследовали методом циклической вольтамперометрии (ЦВА). Состояние композитного материала в отсутствии глюкозы в фосфатно-буферном растворе контролировали по кривым заряжения. На кривой заряжения при потенциале (–0,40) В наблюдаются максимумы относящиеся редокс-превращениям активного центра ГОД – (ФАД), а при 0,20-0,25 В максимумы окисления и восстановления ферроцена.

Из полученных результатов следует, что на основе катода с лакказой, в качестве катализатора кислородной реакции, и анода на основе глюкозооксидазы для окисления глюкозы, существует принципиальная возможность создания биотопливного элемента. Правда на этом пути есть множество препятствий, например пики активности ферментов наблюдаются при разном pH. Это привело к необходимости добавлять в БТЭ ионообменную мембрану.Мембрана позволяет пространственно разделить реакции, протекающие в электродных отделениях элемента, и в тоже время обеспечивает обмен протонами между ними. В анодное отделение поступает воздух.
Введение глюкозы в биотопливный элемент, содержащий глюкозооксидазу и медиатор, приводит к возникновению потока электронов от фермента к аноду через медиатор. По внешней цепи электроны идут к катоду, где в идеальных условиях в присутствии протонов и кислорода образуется вода. Результирующий ток (в отсутствие насыщения) пропорционален добавке скоростьопределяющего компонента - глюкозы. Измеряя стационарные токи, можно быстро (5с) определить даже малые концентрации глюкозы - до 0,1 мМ.

К сожалению довести идею этого БТЭ до практического внедрения мне не удалось, т.к. сразу после 11 класса я пошёл учиться на программиста, чем усердно занимаюсь и сегодня. Спасибо всем, кто осилил.

Мобильная электроника с каждым годом, если не месяцем, становится все доступнее и распространеннее. Тут вам и ноутбуки, и КПК, и цифровые фотоаппараты, и мобильники, и еще масса всяких полезных и не очень устройств. И все эти устройства непрерывно обзаводятся новыми функциями, более мощными процессорами, большими цветными экранами, беспроводной связью, в то же время уменьшаясь в размерах. Но, в отличие от полупроводниковых технологий, технологии питания всего этого мобильного зверинца идут совсем не семимильными шагами.

Обычных аккумуляторов и батарей становится явно недостаточно для питания последних достижений электронной индустрии в течение сколько-нибудь существенного времени. А без надежных и емких батарей теряется весь смысл мобильности и беспроводности. Так что компьютерная индустрия все активнее и активнее трудится над проблемой альтернативных источников питания . И наиболее перспективным, на сегодняшний день, направлением здесь являются топливные элементы .

Основной принцип работы топливных элементов был открыт британским ученым сэром Уильямом Гроувом в 1839-м году. Он известен как отец «топливной ячейки». Уильям Гроув генерировал электричество путем изменения для извлечения водорода и кислорода. Отключив от электролитической ячейки батарею, Грове с удивлением обнаружил, что электроды начали поглощать выделившийся газ и вырабатывать ток. Открытие процесса электрохимического "холодного" горения водорода стало знаменательным событие в энергетике, и в дальнейшем такие известные электрохимики, как Оствальд и Нернст, сыграли большую роль в развитии теоретических основ и практической реализации топливных элементов и предсказали им большое будущее.

Сам термин "топливный элемент" (Fuel Cell) появился позднее - он был предложен в 1889 году Людвигом Мондом и Чарльзом Лангером, пытавшимися создать устройство для выработки электричества из воздуха и угольного газа.

При обычном горении в кислороде протекает окисление органического топлива, и химическая энергия топлива неэффективно переходит в тепловую энергию. Но оказалось возможным реакцию окисления, например водорода с кислородом, провести в среде электролита и при наличии электродов получить электрический ток. Например, подавая водород к электроду, находящемуся в щелочной среде, получим электроны:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

которые, проходя по внешней цепи, поступают на противоположный электрод, к которому поступает кислород и где проходит реакция: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

Видно, что результирующая реакция 2H2 + O2 → H2O - такая же, что и при обычном горении, но в топливном элементе, или иначе - в электрохимическом генераторе , получается электрический ток с большой эффективностью и частично тепло. Отметим, что в топливных элементах в качестве горючего могут также применяться уголь, окись углерода, спирты, гидразин, другие органические вещества, а в качестве окислителей - воздух, перекись водорода, хлор, бром, азотная кислота и т.д.

Развитие топливных элементов энергично продолжалось как за рубежом, так и в России, а далее и в СССР. Среди ученых, сделавших большой вклад в изучение топливных элементов, отметим В. Жако, П. Яблочкова, Ф. Бэкона, Э. Бауэра, Э. Юсти, К. Кордеша. В середине прошлого столетия начался новый штурм проблем топливных элемент. Частично это объясняется появлением новых идей, материалов и технологий в результате оборонных исследований.

Одним из ученых, сделавших крупный шаг в развитие топливных элементов, был П. М. Спиридонов. Водород-кислородные элементы Спиридонова давали плотность тока 30 мА/см2, что для того времени считалось большим достижением. В сороковые годы О. Давтян создал установку для электрохимического сжигания генераторного газа, получаемого газификацией углей. С каждого кубометра объема элемента Давтян получил 5 кВт мощности.

Это был первый топливный элемент на твердом электролите . Он имел высокий КПД, но со временем электролит приходил в негодность, и его нужно было менять. Впоследствии Давтян в конце пятидесятых годов создал мощную установку, приводящую в движение трактор. В те же годы английский инженер Т. Бэкон сконструировал и построил батарею топливных элементов общей мощностью 6 кВт и КПД 80 %, работающую на чистом водороде и кислороде, но отношение мощности к весу батареи оказалось слишком малым - такие элементы были непригодны для практического применения и слишком дорогими.

В последующие годы время одиночек прошло. Топливными элементами заинтересовались создатели космических аппаратов. С середины 60-ых миллионы долларов вкладывались в исследования топливных элементов. Работа тысяч ученых и инженеров позволила выйти на новый уровень, и в 1965г. топливные элементы был испытан в США на космическом корабле "Джемини-5", а в дальнейшем - на кораблях "Аполлон" для полетов на Луну и по программе "Шатл".

В СССР топливные элементы разрабатывали в НПО "Квант", тоже для использования в космосе. В те годы уже появились новые материалы - твердополимерные электролиты на основе ионообменных мембран , новые типы катализаторов, электродов. И все-таки рабочая плотность тока была небольшой - в пределах 100-200 мА/см2, а содержание платины на электродах - несколько г/см2. Существовало много проблем, связанных с долговечностью, стабильностью, безопасностью.

Следующий этап бурного развития топливных элементов начался в 90-е гг. прошлого столетия и продолжается и сейчас. Он вызван потребностью в новых эффективных источниках энергии в связи, с одной стороны, с глобальной экологической проблемой усиливающегося выброса парниковых газов при сгорании органического топлива и, с другой стороны, с исчерпанием запасов такого топлива. Так как в топливном элементе конечным продуктом сгорания водорода является вода, то они считаются наиболее чистыми с точки зрения влияния на окружающую среду. Основная проблема заключается только в нахождении эффективного и недорогого способа получения водорода.

Миллиардные финансовые вложения на развитие топливных элементов и генераторов водорода должны привести к технологическому прорыву и сделают реальностью их использование в повседневной жизни: в элементах для сотовых телефонов, в автомобилях, на электростанциях. Уже в настоящее время такие автомобильные гиганты, как "Баллард", "Хонда", "Даймлер Крайслер", "Дженерал Моторс" демонстрируют легковые автомобили и автобусы, работающие на топливных элементах мощностью 50кВт. Рядом компаний разработаны демонстрационные электростанции на топливных элементах с твердооксидным электролитом мощностью до 500 кВт . Но, несмотря на значительный прорыв в улучшении характеристик топливных элементов, нужно решить еще много проблем, связанных с их стоимостью, надежностью, безопасностью.

В топливном элементе в отличии от батареек и аккумуляторов - и горючее, и окислитель подаются в него извне. Топливный элемент является только посредником в реакции и в идеальных условиях мог бы работать практически вечно. Красота этой технологии в том, что фактически в элементе происходит сжигание топлива и непосредственное превращение выделяющейся энергии в электричество . При прямом сжигании топлива оно окисляется кислородом, а выделяющееся при этом тепло идет на совершение полезной работы.

В топливном элементе, как и в батарейках, реакции окисления топлива и восстановления кислорода пространственно разделены, и процесс "сжигания" протекает, только если элемент отдает ток в нагрузку. Это все равно что дизельный электрогенератор, только без дизеля и генератора . А также без дыма, шума, перегрева и с намного более высоким КПД. Последнее объясняется тем, что, во-первых, нет промежуточных механических устройств и, во-вторых, топливный элемент не является тепловой машиной и вследствие этого не подчиняется закону Карно (то есть, его эффективность не определяется разницей температур).

В качестве окислителя в топливных элементах применяется кислород. Причем, поскольку кислорода вполне достаточно в воздухе, то волноваться о подаче окислителя не надо. Что касается топлива, то им является водород. Итак, в топливном элементе протекает реакция:

2H2 + O2 → 2H2O + электричество + тепло.

В итоге получается полезная энергия и водяной пар. Самым простым по своему устройству является топливный элемент с протонообменной мембраной (см. рисунок 1). Работает он следующим образом: попадающий в элемент водород разлагается под действием катализатора на электроны и положительно заряженные ионы водорода H+. Затем в действие вступает специальная мембрана, исполняющая здесь роль электролита в обычной батарейке. В силу своего химического состава она пропускает через себя протоны, но задерживает электроны. Таким образом, скопившиеся на аноде электроны создают избыточный отрицательный заряд, а ионы водорода создают положительный заряд на катоде (напряжение на элементе получается порядка 1В).

Для создания большой мощности, топливный элемент собирают из множества ячеек. Если включить элемент в нагрузку, то электроны потекут через нее к катоду, создавая ток и завершая процесс окисления водорода кислородом. В качестве катализатора в таких топливных элементах как правило применяются микрочастицы платины, нанесенные на углеродное волокно. Благодаря своей структуре такой катализатор хорошо пропускает газ и электричество. Мембрана как правило производится из серосодержащего полимера нафиона. Толщина мембраны равна десятым долям миллиметра. При реакции, конечно, выделяется и тепло, но его не так уж много, так что рабочая температура поддерживается в области 40-80°С.

Рис.1. Принцип действия топливного элемента

Имеются и другие типы топливных элементов, в основном, отличающиеся типом применяемого электролита. Практически все они требуют в качестве топлива водород, так что возникает логичный вопрос: где его взять. Конечно, можно было бы употреблять сжатый водород из баллонов, но тут сразу же появляются проблемы связанные с транспортировкой и хранением этого весьма огнеопасного газа под большим давлением. Разумеется, можно использовать водород в связанном виде как в металлгидридных аккумуляторах. Но все же остается задача его добычи и транспортировки, ведь инфраструктуры водородных заправок не существует.

Впрочем, тут тоже есть решение - в качестве источника водорода можно применять жидкое углеводородное топливо. Например, этиловый или метиловый спирт. Правда, тут уже требуется специальное дополнительное устройство - топливный преобразователь, при высокой температуре (для метанола это будет где-то 240°С) преобразующее спирты в смесь газообразных H2 и CO2. Но в этом случае уже сложнее думать о портативности - такие устройства хорошо применять в качестве стационарных или , а вот для компактной мобильной техники нужно что-нибудь менее громоздкое.

И тут мы приходим именно к тому устройству, разработкой которого со страшной силой занимаются практически все крупнейшие производители электроники - метаноловому топливному элементу (рисунок 2).

Рис.2. Принцип действия топливного элемента на метаноле

Принципиальная разница между водородным и метанольным толивными элементами заключается в применяемом катализаторе. Катализатор в метанольном топливном элементе позволяет отрывать протоны непосредственно от молекулы спирта. Таким образом, решается вопрос с топливом - метиловый спирт массово производится для химической промышленности, его легко хранить и транспортировать, а для зарядки метанолового топливного элемента достаточно просто заменить картридж с топливом. Правда, есть один значительный минус - метанол токсичен. К тому же эффективность метанольного топливного элемента значительно ниже, чем у водородного.

Рис. 3. Метанольный топливный элемент

Самый заманчивый вариант - использовать в качестве топлива этиловый спирт, благо производство и распространение алкогольных напитков любого состава и крепости хорошо налажено по всему земному шару. Однако эффективность этаноловых топливных элементов, к сожалению, еще ниже, чем у метаноловых.

Как уже отмечалось за много лет разработок в области топливных элементов, построены различные типы топливных элементов. Топливные элементы классифицируются по электролиту и виду топлива.

1. Твердополимерные водород-кислородные электролитные.

2. Твердополимерные метанольные топливные элементы.

3. Элементы на щелочном электролите.

4. Фосфорно-кислотные топливные элементы.

5. Топливные элементы на расплавленных карбонатах.

6. Твердооксидные топливные элементы.

В идеале КПД топливных элементов очень высок, но в реальных условиях имеются потери, связанные с неравновесными процессами, такими как: омические потери вследствие удельной проводимости электролита и электродов, активационная и концентрационная поляризация, диффузионные потери. Вследствие этого часть энергии, вырабатываемой в топливных элементах, превращается в тепловую. Усилия специалистов направлены на уменьшение указанных потерь.

Главным источником омических потерь, а также причиной высокой цены топливных элементов являются перфторированные сульфокатионитные ионообменные мембраны. Сейчас идут поиски альтернативных, более дешевых протонпроводящих полимеров. Поскольку проводимость этих мембран (твердых электролитов) достигает приемлемого значения (10 Ом/см) только при наличии воды, то газы, подаваемые в топливный элемент, надо дополнительно увлажнять в специальном устройстве, что тоже вызывает удорожание системы. В каталитических газодиффузионных электродах применяется, в основном, платина и некоторые другие благородные металлы, и до сих пор им замены не найдено. Хотя содержание платины в топливных элементах составляет несколько мг/см2, для больших батарей ее количество достигает десятков граммов.

При конструировании топливных элементов большое внимание уделяют системе теплоотвода, так как при высоких плотностях тока (до 1А/см2) происходит саморазогрев системы. Для охлаждения применяют циркулирующую в топливном элементе по специальным каналам воду, а при небольших мощностях - обдув воздухом.

Итак, современная система электрохимического генератора кроме самой батареи топливных элементов "обрастает" множеством вспомогательных устройств, таких как: насосы, компрессор для подачи воздуха, напуска водорода, увлажнитель газов, охлаждающий узел, система контроля утечки газов, конвертер постоянного тока в переменный, управляющий процессор и др. Все это ведет к тому, что стоимость системы топливных элементов в 2004-2005 годах составляла 2-3 тыс. $/кВт. Согласно оценке экспертов, топливные элементы станут доступными для применения на транспорте и в стационарных энергоустановках при цене 50-100 $/кВт.

Для введения топливных элементов в повседневную жизнь, наряду с удешевлением компонентов, нужно ожидать новых оригинальных идей и подходов. В частности, большие надежды связывают с применением наноматериалов и нанотехнологий. Например, недавно несколько компаний заявили о создании сверх-эффективных катализаторов, в частности, для кислородного электрода на основе кластеров наночастиц из различных металлов. Кроме того, появились сообщения о конструкции топливных элементов без мембран, в которых жидкое топливо (например, метанол) подается в топливный элемент вместе с окислителем. Интересной является также развиваемая концепция биотопливных элементов, работающих в загрязненных водах и потребляющих в качестве окислителя растворенный кислород воздуха, а органические примеси в качестве топлива.

По прогнозам специалистов, топливные элементы выйдут на массовый рынок в ближайшие годы. И действительно, разработчики друг за другом побеждают технические проблемы, рапортуют об успехах и представляют прототипы топливных элементов. Например, компания Toshiba продемонстрировала готовый прототип метанолового топливного элемента. Он имеет размер 22x56x4,5мм и дает мощность порядка 100мВт. Одной заправки в 2 кубика концентрированного (99,5%) метанола достаточно на 20 часов работы МРЗ-плеера. Toshiba выпустила коммерческий топливный элемент для питания мобильников. Опять же, та же Toshiba демонстрировала элемент для питания ноутбуков размером 275x75x40мм, дающий возможность компьютеру работать в течение 5 часов от одной заправки.

Не отстает от Toshiba и другая японская компания - Fujitsu. В 2004-м году она тоже представила элемент, действующий на 30% водном растворе метанола. Этот топливный элемент работал на одной заправке в 300мл на протяжении 10 часов и при этом выдавал мощность 15 Вт.

Casio разрабатывает топливный элемент, в котором метанол сперва перерабатывается в смесь газообразных H2 и CO2 в миниатюрном топливном преобразователе, а потом уже подается в топливный элемент. Во время демонстрации прототип Casio обеспечивал энергией ноутбук в течение 20 часов.

Компания Samsung тоже отметилась на ниве топливных элементов - в 2004-м году она демонстрировала свой прототип мощностью 12 Вт, предназначенный для питания ноутбука. Вообще же, Samsung предполагает применять топливные элементы, в первую очередь, в смартфонах четвертого поколения.

Надо сказать, что японские компании вообще очень обстоятельно подошли к разработке топливных элементов. Еще в 2003-м году такие компании как Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony и Toshiba объединили усилия с тем, чтобы разработать единый стандарт топливных элементов для ноутбуков, мобильных телефонов, КПК и других электронных устройств. Американские же компании, которых тоже немало на этом рынке, в большинстве своем работают по контрактам с военными и разрабатывают топливные элементы для электрификации американских солдат.

Не отстают и немцы - компания Smart Fuel Cell продает топливные элементы для питания мобильного офиса. Устройство называется Smart Fuel Cell C25, имеет габариты 150x112x65мм и может выдавать до 140 ватт-часов на одной заправке. Этого достаточно для питания ноутбука примерно в течение 7 часов. Затем картридж можно заменить и можно работать дальше. Размер картриджа с метанолом 99x63x27 мм, а весит он 150г. Сама система весит 1,1 кг, так что совсем уж портативной ее не назовешь, но все же это вполне законченное и удобное устройство. Также компания разрабатывает топливный модуль для питания профессиональных видеокамер.

В общем, топливные элементы уже практически вышли на рынок мобильной электроники. Производителям осталось решить последние технические задачи перед тем, как начать массовый выпуск.

Во-первых, необходимо решить вопрос с миниатюризацией топливных элементов. Ведь чем меньше топливный элемент, тем меньшую мощность он сможет выдавать - так что постоянно разрабатываются новые катализаторы и электроды, позволяющие при малых размерах максимально увеличить рабочую поверхность. Тут как раз очень кстати приходятся последние разработки в области нанотехнологий и наноматериалов (например, нанотрубки). Опять же, для миниатюризации обвязки элементов (топливных и водяных насосов, систем охлаждения и преобразования топлива) все шире начинают применяться достижения микроэлектромеханики.

Вторая важная проблема, требующая решения - это цена. Ведь в качестве катализатора в большинстве топливных элементов применяется очень дорогая платина. Опять же, некоторые из производителей пытаются по максимуму использовать уже хорошо отработанные кремниевые технологии.

Что касается других областей использования топливных элементов, то топливные элементы там уже достаточно прочно обосновались, хотя пока и не стали мэйнстримом ни в энергетике, ни на транспорте. Уже очень многие производители автомобилей представили свои концепт-кары с питанием от топливных элементов. В нескольких городах мира колесят автобусы на топливных элементах. Канадская Ballard Power Systems выпускает целый ряд стационарных генераторов мощностью от 1 до 250 кВт. При этом, киловаттные генераторы рассчитаны на то, чтобы сразу снабжать одну квартиру электричеством, теплом и горячей водой.

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.