Основные проблемы совершенствования топливных элементов с помощью наноматериалов и нанотехнологий.

Введение 3
1 Топливные элементы (ячейки) и их классификация 5
1.1 Принцип действия топливных элементов 12
1.2 Преимущества и недостатки 14
2 Наноматериалы в топливных элементах 17
3 Оптимизация параметров топливных элементов с помощью нанотехнологий 21
4 Технологические и экономические перспективы 24
Заключение 31
Библиографический список 32

На современном этапе все усилия науки направлены на повышение энергоэффективности производства, передачи и использования энергии, а это возможно лишь при условии инновационного развития на основе достижений фундаментальной науки, создания и внедрения новых эффективных, более надежных и долговечных материалов, оборудования и технологий. У России, по мнению экспертов, есть 20% резерв увеличения количества энергии в случае реализации инновационных проектов в области сверхпроводников и умных сетей, накопителей энергии различных типов, водородной энергетики и топливных элементов.

1.1 Принцип действия топливных элементов

Топливные элементы представляют собой очень эффективный, надежный, долговечный и экологически чистый способ получения энергии [4].
С практической точки зрения топливный элемент напоминает обычную гальваническую батарею. Отличие заключается в том, что изначально батарея заряжена, т. е. заполнена «топливом». В процессе работы «топливо» расходуется и батарея разряжается. В отличие от батареи топливный элемент для производства электрической энергии использует топливо, подаваемое от внешнего источника
Для производства электрической энергии может использоваться не только чистый водород, но и другое водородосодержащее сырье, например, природный газ, аммиак, метанол или бензин. В качестве источника кислорода, также необходимого для реакции, используется обычный воздух.
При использовании чистого водорода в качестве топлива продуктами реакции помимо электрической энергии являются тепло и вода (или водяной пар), т. е.
...

1.2 Преимущества и недостатки

Топливные элементы энергетически более эффективны, чем двигатели внутреннего сгорания, поскольку для топливных элементов нет термодинамического ограничения коэффициента использования энергии. Коэффициент полезного действия топливных элементов составляет 50 %, в то время как КПД двигателей внутреннего сгорания составляет 12—15 %, а КПД паротурбинных энергетических установок не превышает 40 %. При использовании тепла и воды эффективность топливных элементов еще больше увеличивается. [4]
В отличие, например, от двигателей внутреннего сгорания КПД топливных элементов остается очень высоким и в том случае, когда они работают не на полной мощности. Кроме этого, мощность топливных элементов может быть увеличена простым добавлением отдельных блоков, при этом КПД не меняется, т. е. большие установки столь же эффективны, как и малые.
...

2 Наноматериалы в топливных элементах

При гораздо более умеренных температурах происходит окисление водорода в топливных элементах – так называют устройства, в которых энергия окислительно-восстановительных реакций превращается в электрическую энергию. В топливном элементе реакции окисления и восстановления происходят на разных электродах – катоде и аноде – и разделены в пространстве. Между электродами находится электролит – как правило, раствор щелочи или кислоты. КПД топливных элементов – наибольший среди различных устройств, производящих электроэнергию (рис. 6); для лучших образцов он может достигать 90 % [5].

Рис. 6 Зависимость КПД производства электроэнергии от мощности для энергоустановок различных типов
Конструкцию этих устройств рассмотрим на примере одного из современных типов – топливного элемента с протонопроводящей мембраной (рис. 7).
...

3 Оптимизация параметров топливных элементов с помощью нанотехнологий

Наноструктурированные материалы, в т.ч. катализаторы на основе наночастиц, играют важную роль в развитии технологии производства топливных элементов. В топливных элементах обычно используются катализаторы, состоящие из металлических наночастиц размером 1–5 нм в углеродной матрице. Наиболее перспективные элементы – наномарганец, наноаланат марганца и нанотитан. [6]
Существенный недостаток твердооксидных топливных элементов (Solid Oxide Fuel Cells, SOFCs) – высокая рабочая температура. Для современных твердооксидных элементов она составляет около 1000 °С. Сплавы, которые можно использовать при таких условиях, стоят весьма дорого. Высокая температура необходима прежде всего потому, что при более низких температурах проводимость обычных материалов и скорость катодных реакций невелики.
...

4 Технологические и экономические перспективы

Стремление стран к обеспечению устойчивого экономического роста за счет снижения энергетической зависимости от основных поставщиков энергетических ресурсов и повышения национальной энергетической обеспеченности вызывает в условиях нарастания конкуренции между участниками мирового энергетического рынка необходимость активизации использования внутренних источников развития, включая внедрение энергосберегающих технологий и развитие альтернативной энергетики.
Актуальность проблем достижения международной конкурентоспособности на основе укрепления энергетической безопасности, решение которых во многом определяет направления развития энергетического сектора, все более осознается во многих странах мира, включая Россию.
...

Заключение

Подводя итоги своей работы, я бы хотел отметить, что использование нанотехнологий уже в современных условиях позволяет значительно повысить эффективность генерации электроэнергии.
В последние годы наметился существенный прогресс в коммерциализации технологий ТОТЭ, проявившийся в появлении на рынках коммерческих ЭХГ в разных диапазонах мощности. Развитие технологий ТОТЭ связано, в первую очередь, с возможностью внедрения экологически чистых и более эффективных систем генерации электроэнергии.
Решение проблем снижения стоимости и увеличения ресурса работы осуществляется за счет совершенствования материалов и технологий производства ТОТЭ. Реализованные технологические возможности в области керамических технологий и высокотемпературной электрохимии оксидных материалов позволили понизить область рабочих температур ТОТЭ и достичь значительных значений удельной мощности.
...