МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МАГНИТОГОРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Г.И. НОСОВА»

Кафедра автоматизированного электропривода и мехатроники

Отчет на тему:

Топливные элементы и суперконденсаторы для робототехники

Выполнил:

Проверил:

Магнитогорск, 2020

Содержание

1.Введение 3

2.Принцип работы топливных элементов и батарей на их основе 5

3.Суперконденсаторы. 9

4.Принцип действия, достоинства и недостатки суперконденсаторов. 11

Список использованных источников 14

1. Введение

Топливный элемент (ТЭ) — электрохимическое устройство, подобное гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне — в отличие от ограниченного количества энергии, запасённого в гальваническом элементе или аккумуляторе.[1]

Прямое электрохимическое преобразование топлива очень эффективно и привлекательно с точки зрения экологии, поскольку в процессе работы выделяется минимальное количество загрязняющих веществ, а также отсутствуют сильные шумы и вибрации. [2]

У существующих топливных элементов КПД составляет 60-80 %, что происходит благодаря прямому превращению энергии топлива в электроэнергию (минуя сгорание).

Рисунок 1 - малогабаритный водородный топливный элемент для электрических беспилотников.

Рисунок 2 - самый маленький в мире топливный элемент.

Использование батарей топливных элементов, работающих на водороде в виде источника энергии, позволяет разрабатывать и создавать изделия с качественно новым уровнем безопасности, подходящие для решения специальных задач.

Источники энергии на топливных элементах позволяют улучшить эксплуатационные характеристики роботизированных технических комплексов, увеличивая время их эксплуатации. Так, применение в беспилотных летательных системах, при замене Li-Ion аккумулятора тех же габаритов и веса, увеличивает время пилотирования в 5 и более раз. Бесшумность работы, отсутствие теплового следа, работа в широких диапазонах температур -40 С до +65С обеспечит преимущество в критически-важных ситуациях.

 

2. Принцип работы топливных элементов и батарей на их основе

Топливные элементы по принципу действия родственны обычным гальваническим элементам («батарейкам») и аккумуляторным батареям с той принципиальной разницей, что у батарейки ограничен запас необратимо расходуемых (или химически обратимых, как у перезаряжаемого аккумулятора) реагентов находится в замкнутом объёме самого источника энергии, а в ТЭ подвод реагентов к катоду и аноду постоянно осуществляется из внешних источников, и продукты реакции отводятся вовне, поэтому реакция может продолжаться до тех пор, пока обеспечивается поступление необходимых реагентов (топлива (водорода) и кислорода воздуха), отвод продуктов реакции и сохраняется работоспособность самого ТЭ. Топливный элемент подобен гальваническому элементу также в том, что он имеет в своём составе анод, катод и электролит. При этом электролит ТЭ обычно представляет собой тонкую прослойку твёрдого протон- или ионопроводящего вещества. Так как напряжение единичного топливного элемента (по-другому его называют ещё мембранно-электродным блоком (катод – электролит – анод и дополнительные функциональные слои)) довольно низкое – порядка 1 В, то ТЭ собирают в батареи топливных элементов, состоящие из некоторого количества ТЭ и других вспомогательных элементов, позволяющих работать ТЭ совместно, обеспечивающих равномерную подачу топлива и окислителя к анодам и катодам всех ТЭ одновременно, вывод отработанных продуктов реакции и электрическую коммутацию, внутреннюю и внешнюю. Топливные элементы способны с высокой эффективностью вырабатывать электрическую энергию и тепло из топлива путём электрохимической реакции. В качестве топлива в топливных элементах используются водород либо углеводородные топлива – газообразные и жидкие, а в качестве окислителя – обычно кислород воздуха. Существует большое разнообразие типов и видов топливных элементов, отличающихся по рабочей температуре, потребляемому топливу и другим параметрам. Нельзя сказать, что топливные элементы уже являются обыденными источниками энергии, но несомненно, технологии топливных элементов переживают бурное развитие. [3]

Назначение батареи топливных элементов (БТЭ) – получение электрической энергии за счёт электрохимических реакций между активными веществами, непрерывно поступающими к электродам извне. Топливом для протекания реакции служит водород, а окислителем – кислород из воздуха. БТЭ не разряжаются и не требуют электричества для повторной зарядки. Они могут постоянно вырабатывать электроэнергию, пока имеется запас подводимых к ним водорода и воздуха. В отличие от традиционных электромеханических генераторов электроэнергии, таких как двигатели внутреннего сгорания или турбины, БТЭ не сжигают топливо и не имеют движущихся частей (кроме вспомогательного оборудования – вентиляторов подачи воздуха и охлаждения). БТЭ вырабатывают электричество путём высокоэффективной беспламенной и бесшумной электрохимической реакции. Важной особенностью топливных элементов является то, что они преобразуют химическую энергию топлива напрямую в электричество и относятся к классу так называемых устройств прямого преобразования энергии. БТЭ высокоэффективны, работают практически с отсутствием шума и вибраций и не производят большого количества парниковых газов, таких как углекислый газ, метан и оксид азота. А для топливных элементов, работающих на водороде, единственным продуктом выброса является вода. Система электропитания на топливных элементах, в которой в качестве топлива выступает водород, предназначена для обеспечения энергией самого разного оборудования, например, автомобилей, беспилотных летательных аппаратов, изделий робототехники и многого другого, позволяя выйти на более высокий уровень энерговооружённости. [3]

Рисунок 3 - Принцип работы водородного топливного элемента.

Анод и катод разделяются электролитом, проводящим протоны. После того, как водород поступит на анод, а кислород – на катод, начинается химическая реакция, в результате которой генерируются электрический ток, тепло и вода. Ниже приведены протекающие реакции:

Реакция на аноде: 2H₂ => 4H⁺ + 4e^-

Реакция на катоде: O₂ + 4H⁺ + 4e^-- => 2H₂ O

Общая реакция топливного элемента: 2H₂ + O₂ => 2H₂ O

На катализаторе анода молекулярный водород диссоциирует на атомарный и отдаёт внешней электрической цепи электроны, превращаясь в положительно заряженные ионы – протоны. Протоны проводятся через каналы массопереноса полимерного электролита к катоду в то время, когда электроны проходят к катоду по внешней электрической цепи, создавая постоянный ток, который может быть использован для совершения полезной работы. На катализаторе катода молекулярный кислород диссоциирует на атомарный, а затем атомарный кислород соединяется с электроном (который подводится из электрической цепи) и пришедшим по каналам массопереноса протоном. В результате такой электрохимической реакции образуется вода, которая является единственным продуктом реакции в случае использования в качестве топлива чистого водорода.

Для работы БТЭ необходимо топливо (водород) и окислитель (кислород воздуха). Водород из картриджа поступает в БТЭ через редуктор.

Кислород в зону реакции поступает путём продувания атмосферного воздуха через открытые каналы катодных поверхностей БТЭ осевым вентилятором. Температура подводимого воздуха равна температуре окружающей среды. Воздух нужен не только для обеспечения электрохимической реакции. В процессе работы топливного элемента его температура будет повышаться (электрохимическая реакция окисления топлива проходит с выделением тепла, так как никогда КПД преобразования энергии реакции в электричество не достигает 100%, и часть энергии преобразуется в тепло), и, чтобы топливный элемент не перегревался, воздух дополнительно выполняет роль охладителя топливного элемента. Для очистки системы от загрязнений, накапливающихся в процессе работы, периодически производится продувка.

При взаимодействии топлива и окислителя на клеммах БТЭ возникает разность потенциалов, и, таким образом, если к выводам БТЭ подключена внешняя нагрузка, через неё потечёт постоянный электрический ток.

Автоматическое управление вспомогательным оборудованием БТЭ (клапан продувки, вентилятор), смонтированном в едином корпусе с БТЭ, осуществляется через электронную плату, также установленную в общем корпусе БТЭ.

Водородные топливные элементы обладают рядом ценных качеств, среди которых: [1]

• Высокий КПД

У топливных элементов нет жёсткого ограничения на КПД, как у тепловых машин. Высокий КПД достигается благодаря прямому превращению энергии топлива в электроэнергию. В обычных генераторных установках топливо сначала сжигается, полученный пар или газ вращает турбину или вал двигателя внутреннего сгорания, которые, в свою очередь, вращают электрический генератор. Результативный максимум КПД составляет 53 %, чаще же он находится на уровне порядка 35-38 %. Более того, из-за множества звеньев, а также из-за термодинамических ограничений по максимальному КПД тепловых машин, существующий КПД вряд ли удастся поднять выше. У существующих топливных элементов КПД составляет 60-80 %

КПД почти не зависит от коэффициента загрузки.

• Экологичность

• Компактные размеры

Топливные элементы легче и имеют меньшие размеры, чем традиционные источники питания. Топливные элементы производят меньше шума, меньше нагреваются, более эффективны с точки зрения потребления топлива.

Проблемы топливных элементов:

Топливные элементы, в силу низкой скорости химических реакций, обладают значительной инертностью и для работы в условиях пиковых или импульсных нагрузок требуют определённого запаса мощности или применения других технических решений (суперконденсаторы, аккумуляторные батареи). [1]

Также существует проблема получения и хранения водорода.

В водороде, произведённом из природного газа, будет присутствовать СО и сероводород, отравляющие катализатор. Поэтому для уменьшения отравления катализатора необходимо повысить температуру топливного элемента. Уже при температуре 160 °C в топливе может присутствовать 1% СО.

К недостаткам топливных элементов с платиновыми катализаторами можно отнести высокую стоимость платины, сложности с очисткой водорода от вышеупомянутых примесей, и как следствие, дороговизну газа, ограниченный ресурс элемента вследствие отравления катализатора примесями. Кроме того, платина для катализатора — не возобновляемый ресурс. Считается, что её запасов хватит на 15—20 лет производства элементов

В качестве альтернативы платиновым катализаторам исследуется возможность применения ферментов. Ферменты являются возобновляемым материалом, они дёшевы, не отравляются основными примесями в дешёвом топливе. Обладают специфическими преимуществами. Нечувствительность ферментов к СО и сероводороду сделала возможным получение водорода из биологических источников, например, при конверсии органических отходов.