Электрохимический генератор принцип действия: Генератор на топливных элементах • Retrailer

Генератор на топливных элементах • Retrailer

Топливные элементы — это перспективный, долговечный, надежный и экологический чистый источник получения электрической энергии. Топливный элемент (или как его еще называют электрохимический генератор) — устройство, которое преобразует химическую энергию топлива в электрическую энергию в процессе электрохимической реакции. В идеале, для работы топливного элемента в качестве подаваемого топлива необходим водород. Однако производство и хранение такого топлива достаточно затратны. Поэтому «портативные» генераторы на топливных элементах работают и от водородосодержащего топлива. В качестве такого топлива могу быть использованы привычные нам углеводороды:метан, бутан, пропан, метанол, бензин.

При использовании водорода в качестве топлива, продуктами химической реакции, помимо желаемой электроэнергии выступают тепло и вода. В этом случае такой генератор абсолютно безвреден для окружающей среды. При использовании в качества топлива углеводородов (например пропан), в окружающую среду будут выделяться так же оксиды углерода и азота.

Однако, их значение существенно ниже, чем при обычном сжигании.

Устройство и принцип действия

Генератор на топливных элементах состоит из:

• топливного процессора
• секции выработки энергии
• преобразователя напряжения

Топливный процессор преобразует углеводородное топливо в водород, необходимый для электрохимической реакции (реформинг). Основной элемент устройства — реформер. Поступающий в реформер, к примеру, природный газ взаимодействует с водяным паром при очень высоких температурах (около 900 °C) и высоком давлением в присутствии катализатора (никеля). Пар, необходимый для преобразования, образуется из конденсата в следствии работы топливного элемента. При этом используется тепло, так же выделяемое в следствии его работы.

Секция выработки энергии — основная часть генератора. Она состоит из множества топливных ячеек, в состав электродов которых входит платиновый катализатор. С помощью этих ячеек вырабатывается постоянный электрический ток.

Преобразователь напряжения. Вырабатываемый топливными ячейками постоянный ток неустойчив, имеет низкое напряжение и высокую силу тока. Для преобразования его в переменный ток, отвечающий стандартам, а так же для защиты электрической цепи от различных сбоев и используется преобразователь напряжения.

В таком генераторе примерно 40% энергии углеводородного топлива может быть преобразовано в электрическую энергию. Так же еще 40% энергии топлива преобразуются в тепловую энергию. Его можно использовать для обогрева помещения, а та же воды в водопроводе. Поэтому суммарный КПД такого генератора может достигать 80%.

Достоинством генератора на топливных элементах является

:

• возможно быть источником электро и теплоснабжения;
• высокий КПД 50%. А если использовать получаемое в следствии работы тепло, то и все 80%;
• отсутствие вибраций и шумов;
• минимальное количество загрязняющих веществ;
• надежность (отсутствие движущихся элементов)
• простота эксплуатации

Недостатки и особенности:

• относительно высокая стоимость;
• наиболее эффективно в качестве топлива использовать водород;

Модными и современными технологиями заинтересовались так же производители аксессуаров для караванинга и выпустили несколько своих разработок.

Truma VeGa

Немецкая компания Truma, специализирующая в области газовых и электрических устройств для караванинга, совместно с институтом микро техники IMM разработали генератор электроэнергии на топливных элементах Truma VeGa. Идея заключалась в том, что бы сделать доступный генератор на новой, набирающей популярность технологии топливных элементов для массового потребителя. Система получила серебряную награду F-CELL в 2007 году и премию на выставке Bavarian Energy в 2008 году. Широкой публике технологичный продукт был представлен на выставке Caravan Salon в 2012 году в Дюссельдорфе. В том же году стартовало ее серийное производство и продажи.

Для выработки водорода с последующим преобразование его в электроэнергию, Vega использует сжиженный углеводородный газ (пропан/бутан). Максимальная производительность устройства 250 Вт/час или 6 Квт/сутки. Тем самым, VeGa дает возможность пользоваться одновременно множеством потребителей энергии в доме на колесах. Из стандартного, заправленного пропаном, 11 кг. баллона, VeGa способна выжать до 28 Квт электроэнергии. Таким образом, в зависимости от потребления электроэнергии, можно проживать автономно до нескольких недель.

Система работает полностью автоматически. Как только напряжение на аккумуляторе «проседает» ниже нормального, Vega включается и заряжает аккумулятор током до 20 А. Правильный ток зарядки может быть адаптирован по различные виды аккумуляторов (кислотные, щелочные, гелиевые). После достижения оптимального напряжения на клеммах аккумулятора, VaGa возвращается в режим ожидания. Так же генератор на топливных элементах VeGa можно запустить принудительно. Цветной сенсорный дисплей отображает все необходимые параметры работы: зарядный ток, напряжения аккумулятора, интервалы работы.

Преимуществом данной системы перед другими альтернативными источниками энергии (солнечные панели и ветрогенераторы) является доступность и относительная дешевизна используемого сырья (газ пропан/бутан), стабильность работы в любое время суток в широком диапазоне температур.

А теперь о грустном. Рыночная стоимость Truma Vega по каталогу Movera составляла 7000 евро. Слишком высокая цена за новые технологии даже для европейского караванера. Продажи шли очень вяло. Truma VeGa исчезла со страниц каталогов в 2015 году. Сегодня компания Truma об этой системе старается не вспоминать.

EFOY

Компания EFOY больше преуспела в разработке и реализации генераторов на топливных элементах. Главное отличие от Truma Vega в том, что в качества сырья (топлива) генераторы EFOY используют метанол (метиловый спирт СН₃ОН). Метанол продает сам завод изготовитель в канистрах 5 и 10 л. (цена по каталогу Movera 30 и 45 евро соответственно). 5 литров метанола достаточно для выработки 5.5 кВт электроэнергии.

Для автодомов и караванов EFOY выпускает 3 вида генераторов:

• Comfort 80. Максимальная мощность — 40 Вт. Емкость — 80 Ач в день. Ток заряда — 3,3 А. Стоимость (Movera) — 2600 евро
• Comfort 140. Максимальная мощность — 72 Вт. Емкость — 140 Ач в день. Ток заряда — 6 А. Стоимость (Movera) — 4000 евро
• Comfort 210. Максимальная мощность — 105 Вт. Емкость — 210 Ач в день. Ток заряда — 8,8 А. Стоимость (Movera) — 5600 евро

Та же как и VeGa, EFOY имеет автоматическую функцию поддержания заряда на аккумуляторе и включается только при необходимости.

Достоинства. Генератор работает бесшумно и экологично. Выделает только тепло, водяной пар и совсем немного двуокиси углерода. Работает независимо от времени суток в диапазоне температур от — 10 ° C до +40 ° C .

Так же компания EFOY выпускает генераторы серии Pro для промышленных масштабов.

Недостатки. по прежнему не решена ценовая проблема топливных элементов. В качестве катализатора в ячейках топливных элементов используют дорогой материал — платину, что конечно же сказывается на цене.

Стоит отметить, что топливными элементами, работающими на метаноле, занимается, помимо EFOY, еще большое количество компаний. Компания Toshiba внедряет компактные метаноловые топливные элементы для питания плееров, телефонов и ноутбуков. Топливные элементы, работающие на этиловом спирте на сегодняшний день являются наиболее вероятной заменой привычных нам аккумуляторов.

Электрохимические генераторы — Справочник химика 21

    Принцип электрохимического генератора был сформулирован еще в прошлом веке, когда предпринимались ПОПЫТКИ использования реакций окисления природных видов топлива для прямого получения электрической энергии. [c.263]

    При конструировании электрохимических генераторов — топливных элементов — применяются электроды с пористой структурой. Это привело к развитию теории пористых электродов. В топливном элементе электрохимическое горючее (восстановитель) и окислитель 

[c.222]

    Устройство электрохимического генератора приведено на рис. 97. Электрохимическое горючее и окислитель подводятся к электродам, где вступают в электрохимические реакции. Электроды источника тока — катализаторы этих реакций. Специальная система обеспечивает отвод продуктов реакции. [c.220]

    Аналогичные эффекты получаются при использовании тканевых электродов с начесом для электрохимических генераторов. Но в этом случае наблюдается лучшее удержание катализатора. [c.626]

    Электрохимические источники тока делят на три группы первичные источники тока, вторичные источники тока (аккумуляторы) и электрохимические генераторы. Наиболее распространен- 260 [c.260]

    Особенность электрохимических генераторов состоит в том, что электрохимически активные вещества не закладываются заранее при изготовлении электродов, как для обычных источников тока, а подводятся по мере израсходования. Это обеспечивает непрерывность работы источника тока теоретически в течение сколь 262 [c.262]

    К настоящему времени созданы электрохимические генераторы мощностью от десятков ватт до тысячи киловатт. Удельная энергия их зависит от вида и количества запасенного топлива в емкостях для хранения. Она значительно выше удельной энергии гальванических элементов. Наиболее разработаны кислородно-водородные генераторы,которые уже применяются на космических кораблях. Они обеспечивают космический корабль и космонавтов не только электроэнергией, но и водой, которая является продуктом реакции в топливном элементе. Удельная энергия этих генераторов составляет 400—800 Вт ч/кг, а к. п. д. — 60—70%. Для некоторых условий, например при продолжительности полета космического корабля около месяца и мощности до 10 кВт, электрохимический генератор является наиболее оптимальной энергетической установкой космического корабля. 

[c.363]

    Особенность электрохимических генераторов состоит в том, что электрохимически активные вещества не закладываются заранее при [c.219]

    В четвертой и пятой главах были рассмотрены электродные процессы в растворах органических соединений, в ходе которых органическое вещество не претерпевает электрохимических превращений, а, адсорбируясь на электроде, влияет на скорость электродного процесса с участием неорганических ионов или молекул. Последующие главы посвящены изложению современных представлений об электродных превращениях самих органических соединений. Такие процессы лежат в основе электросинтеза органических веществ и работы электрохимических генераторов электрической энергии — топливных элементов с органическим горючим. [c.188]

    Одной из важнейших проблем современной электрохимии является создание гальванических элементов непрерывного действия, которые бы генерировали электрическую энергию за счет окисления дешевых компонентов (природного газа, водорода). Такие элементы, получившие название топливных, вместе со всеми вспомогательными устройствами называются электрохимическими генераторами. В отличие от обычных гальванических элементов в топливных элементах активные [c.378]

    Генераторы прямого преобразования тепловой и химической энергии в электрическую. Том I. Г. Л. Резников. Электрохимические генераторы [c. 125]

    Специальная часть химии включает в себя химию конструкционных и электротехнических материалов, химию воды и топлива и специальные разделы электрохимии. Рассмотрены свойства металлов, особое внимание уделено -элементам и материалам ядерных реакторов. Освещено получение и свойства полимерных материалов. Приведены химические свойства воды, описаны методы очистки природных и сточных вод. Рассмотрено строение и химические свойства топлива, проблемы водородной энергетики. Описаны химические источники тока и электрохимические генераторы, электрохимические методы обработки и осаждения металлов. Особое внимание в учебнике уделяется проблеме охраны окружающей среды. [c.3]

    Природные запасы соединений водорода огромны. Водород легко вступает в химические реакции, при его окислении выделяется большое количество тепла. Поэтому водород может найти широкое применение в промышленности и быту, для синтеза различных соединений, освещения, отопления и охлаждения, приготовления пищи и для получения электроэнергии при помощи электрохимических генераторов.  [c.356]

    Топливные элементы и электрохимические генераторы. Если окислитель и восстановитель хранятся вне элемента и в процессе работы подаются к электродам, которые не расходуются, то элемент может работать длительное время. Такие элементы получили название топливных элементов. [c.361]

    С проблемой электрохимического генератора связана проблема водородной энергетики, в которой превращение химической энергии в электрическую будет осуществляться в электрохимическом генераторе. Электрохимические генераторы пока еще относительно дороги. Для широкого их применения ведутся работы по изысканию более дешевых и активных катализаторов электродов. [c.363]

    В гальванических элементах широко используется принцип подачи активных реагентов по мере их расходования. В этом случае они могут работать долгое время и называются электрохимическими генераторами. [c.261]

    Коровин Н, В. Электрохимические генераторы. — М. Энергия, 1974. [c.315]

    Особой разновидностью химических источников тока являются электрохимические генераторы или топливные элементы. В топливном элементе химическая энергия реакции горения (окисления) топлива непосредственно превращается в электрическую энергию. Поэтому КПД его превышает 80%. [c.246]

    Электрохимические источники тока делят на три группы первичные источники тока, вторичные источники тока (аккумуляторы) и электрохимические генераторы. Наиболее распространенным примером первого типа источников тока может служить элемент Лекланше  [c.218]

    Топливный элемент (ТЭ)—это ХИТ, в котором реагенты (топливо, т. е. восстановитель, и окислитель) непрерывно и раздельно подводятся к электродам. Таким образом, ТЭ преобразует химическую энергию в электрическую до тех пор, пока в него поступают реагенты. ТЭ входят в состав электрохимического генератора (ЭХГ), который включает батарею ТЭ, устройства для переработки и подвода топлива и окислителя, для вывода продуктов реакции, контроля и поддержания температуры и другие устройства.  [c.40]

    Этот термин часто применяют вместо термина электрохимический генератор . В качестве окислителя в топливных элементах почти всегда используют или чистый кислород, или кислород воздуха. В качестве топлива применяются водород, гидразин, метанол, муравьиная кислота, оксид углерода, углеводороды, уголь и др. Практическое применение нашли пока первые три вида электрохимического горючего, а наибольшие успехи достигнуты в разработке водородно-кислородного топливного элемента, в котором происходит реакция 2Н2+О2—>-2Н20. [c.263]

    По отдельным направлениям электрохимической энергетики, таким, как химические источники тока, электрохимические генераторы, электрохимические аспекты водородной энергетики, электрокатализ и другие, в нашей стране изданы книги, имеются обзоры по этим вопросам [1-20], однако до сих пор не было обобщающей публикации по общим вопросам электрохимической энергетики. Автор взял на себя смелость в какой-то мере восполнить этот пробел.  [c.3]

    Создание целого ряда источников тока, в частности электрохимических генераторов на углеводородном горючем, непосредственно упирается в необходимость увеличения скоростей соответствующих электродных процессов. Поэтому одним из важных направлений современных электрохимических исследований в области топливных элементов является изыскание новых эффективных и малодефицитных катализаторов. [c.227]

    Водородно-кислородные электрохимические генераторы, которые работают при низких (до 100 °С) и средних температурах (100—200 °С), используются успешно в космических аппаратах. Водородно-воздушные генераторы перспективны для городского транспорта, так как в отличие от ядовитых продуктов сгорания бензина при их работе образуется только вода. Для космических аппаратов это играет особую роль, так как образующаяся вода используется для лшэнеобеспечения космонавтов. [c.379]

    Гидразин используют как антикоррозионный агент для уда. 1ения кислорода (вызывающего коррозию) из воды, питающей котлы электростанций, теплоцентралей и т. п., как восстановитель — топливо а топливных элементах (электрохимических генераторах). [c.411]

    В отличие от гальванических элементов топливные элементы не могут работать без вспомогательных устройств. Для увеличения напряжения и тока элементы соединяют в батареи. Для обеспечения непрерывной работы батареи топливных элементов необходимы устройства для подвода в элемент топлива и окислителя, вывода продуктов реакции и тепла из элемента. Система, состоящая из батареи топливных элементов, устройств для подвода топлива и окислителя, вывода из элемента продуктов реакции, поддержания и регулирования температуры, получила название электрохимического генератора. Электрохимические генераторы могут включать в себя устройства для обработки топлива или окислителя. Например, углеюдороды подвергают обработке водяным паром в присутствии катализаторов для получения водорода, который затем направляется в топливный элемент  [c. 363]

    Для интенсификации процесса электрохимической регенерации отработанного железомеднохлоридного травильного раствора (см. задачу 355) использован смешанный электрохимически-химический метод. В ходе его регенерируемый раствор проходит последовательно катодное и анодное пространства электрохимического генератора. Для интенсификации процесса и повышения катодного выхода по току меди электролиз проводят при высокой плотности тока, когда на аноде уже частично выделяется хлор. Анодные газы непрерывно отсасываются из анодной ячейки электролизера и пропускаются в абсорбере через раствор, прошедший электрохимическую регенерацию. В абсорбере хлор окисляет оставшееся в электролите двухвалентное железо. [c.258]

    В настоящее время созданы электрохимические генераторы, которые работают при непрерывной подаче к электродам веществ, участвующих в токообразующей реакции, и при одновременном отводе продуктов реакции. Например, в водородокислородный электрохимический генератор подаются газообразный водород и кислород. На одном из электродов происходит окисление водорода, а на другом — восстановление кислорода. Образующаяся вода [c.10]

    Еще в 1839 г. Грове получил ток от кислородно-водородного элемента. Однако он не представлял себе возможности практиче,-. ского использования подобного источника тока. Попытку создания топливного элемента, пригодного для практики, впервые осущест-5 вил Павел Николаевич Яблочков. Им были разработаны в 1895 г.» элементы с газовыми электродами. Теоретические вопросы, связан- ные с созданием топливных элементов, изучали многие крупные зарубежные ученые — Оствальд, Нернст, Грубе и другие и СССР — Фрумкин и ряд ученых его школы. Особенно большое внимание разработке топливных элементов стали уделять после второй мировой войны. Над этой проблемой работает ряд коллек-] тивов исследователей. Однако применение топливных элементов, пока еще очень ограничено. В настоящее время называют топливными элементами все элементы, в которых активные материалы не заключены в самом элементе, а подаются в него непрерывно. Системы из топливных элементов и относящихся к ним вспомогательных устройств, например для регулировки давления газов, называют электрохимическими генераторами энергии. В качестве окислителя на положительном электроде в топливных элементах чаще всего используют кислород. Существуют элементы с жидкими окислителями — азотной кислотой и др., но они не получили пока распространения. Работа кислородного электрода была рассмотрена ранее. На отрицательном электроде в качестве активных веществ (топлива) используют газообразные (водород), жидкие (метанол, гидразин и др.) и твердые вещества. Некоторые виды топлива (метан, уголь) электрохимически инертны, их ионизация протекает так медленно, что практически процесс не осуществим без принятия специальных мер. Для ускорения реакции используют два способа электроды изготавливают из веществ, каталитически ускоряющих процесс, и работа ит при повышенных температурах. [c.352]

    Излагаются теоретические основы электрохимической знергетн-ки. Рассматриваются устройство и характеристики топливньи элементов электрохимических генераторов, энергоустановок и электростанций. Описаны электрохимические способы получения водорода, приводятся технико-экономический анализ этих способов и обласА их применения. Рассматриваются электрохимический метод аккумулирования энергии, различные виды аккумуляторов. [c.2]

    Электрохимические генераторы, энергоустановки и электростанции. Топливный элемент, как и ПЭ, кроме электродов и ионного проводника включает ряд дополнительных частей, таких, как межэлектродные мембраны, уплотнитель ные и дистанционирующие прокладки, камеры для реагентов и др. В отличие от первичного ХИТ, топливные элементы не могут работать самостоятельно. Для обеспечения работы ТЭ необхо ДИМЫ непрерывная подача топлива и окислителя, а также отво продуктов реакции. В ТЭ наряду с генерацией электроэнергто выделяется тепло, которое необходимо от него отводить. Такик образом, ТЭ может работать лишь при наличии вспомогатель ных устройств, обеспечивающих подвод реагентов, отвод про дуктов реакции и тепла.  [c.12]

---

Электрохимический генератор — это… Что такое Электрохимический генератор?

Топливный элемент — 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, запасенного в гальваническом элементе или аккумуляторе.

Устройство ТЭ

Топливные элементы — это электрохимические устройства, и у них нет такого жёсткого ограничения на КПД, как у тепловых машин (см. Цикл Карно). Соответственно, они могут иметь очень высокий коэффицент преобразования химической энергии в электрическую.

Принцип разделения потоков топлива и окислителя

Обычно в низкотемпературных топливных элементах используются: водород со стороны анода и кислород на стороне катода (водородный элемент) или метанол и кислород воздуха. В отличие от топливных элементов, одноразовые гальванические элементы содержат твердые реагенты, и когда электрохимическая реакция прекращается, должны быть заменены, электрически перезаряжены, чтобы запустить обратную химическую реакцию, или, теоретически, в них можно заменить электроды. В топливном элементе реагенты втекают, продукты реакции вытекают, и реакция может протекать так долго, как поступают в нее реагенты и сохраняется работоспособность самого элемента.

Пример водородно-кислородного топливного элемента

с протонообменной мембраной (или «с полимерным электролитом»). Протонопроводящая полимерная мембрана разделяет два электрода — анод и катод. Каждый электрод обычно представляет собой угольную пластину (матрицу) с нанесенным катализатором — платиной, или сплавом платиноидов и др. композиции.

На катализаторе анода молекулярный водород диссоциирует и теряет электроны. Протоны проводятся через мембрану к катоду, но электроны отдаются во внешнюю цепь, так как мембрана не пропускает электроны.

На катализаторе катода молекула кислорода соединяется с электроном (который подводится из внешних коммуникаций) и пришедшим протоном, и образует воду, которая является единственным продуктом реакции (в виде пара и/или жидкости).

Топливные элементы не могут хранить электрическую энергию, как гальванические или аккумуляторные батареи, но для некоторых применений, таких как работающие изолированно от электрической системы электростанции, использующие непостоянные источники энергии (солнце, ветер), они совместно с электролизерами и емкостями для хранения топлива (напр. водорода), образуют устройство для хранения энергии. Общий КПД такой установки (преобразование электрической энергии в водород, и обратно в электрическую энергию) 30-40%.

Мембрана

Мембрана обеспечивает проводимость протонов, но не электронов. Она может быть полимерной (Нафион (Nafion), полибензимидазол и др.) или керамической (оксидной и др.). Впрочем, существуют ТЭ и без мембраны ^[1].

Анодные материалы и катализаторы

Катодные материалы и катализаторы

Метанольный топливный элемент в Mercedes Benz Necar 2

История

История исследований в России

В СССР первые публикации о топливных элементах появились в 1941 году.

Первые исследования начались в 60-х годах. РКК «Энергия» (с 1966 года) разрабатывала PAFC элементы для советской лунной программы. С 1987 года по 2005 «Энергия» произвела около 100 топливных элементов, которые наработали суммарно около 80000 часов.

Во время работ над программой «Буран», исследовались щелочные AFC элементы. На «Буране» были установлены 10 кВт. топливные элементы.

В 70-80 годы «Квант» совместно с рижским автобусным заводом «РАФ» разрабатывали щелочные элементы для автобусов. Прототип автобуса на топливных элементах был изготовлен в 1982 году.

В 1989 году «Институт высокотемпературной электрохимии» (Екатеринбург) произвёл первую SOFC установку мощностью 1 кВт.

В 1999 году АвтоВАЗ начал работы с топливными элементами. К 2003 году на базе автомобиля ВАЗ-2131 было создано несколько опытных экземпляров. В моторном отсеке автомобиля располагались батареи топливных элементов, а баки со сжатым водородом в багажном отделении, то есть была применена классическая схема расположения силового агрегата и топливных баков-баллонов. Разработками водородного автомобиля руководил к.т.н. Мирзоев Г. К.

В 2003 году было подписано Генеральное соглашение о сотрудничестве между Российской академией наук и компанией «Норильский никель» в области водородной энергетики и топливных элементов. Это привело к учреждению в 2005 году Национальной инновационной компании «Новые энергетические проекты», которая в 2006 году произвела резервную энергетическую установку на основе ТЭ с твердым полимерным электролитом мощностью 1 кВт.

Над созданием образцов электростанций на топливных элементах работают Газпром и федеральные ядерные центры РФ. Твердооксидные топливные элементы, разработка которых сейчас активно ведется, появятся, видимо, в 2010—2015 годах.

Применение топливных элементов

Стационарные приложения

• производство электрической энергии (на электрических станциях),
• аварийные источники энергии,
• автономное электроснабжение,

Транспорт

автомобильные топливные элементы Honda, см Honda FCX

• электромобили, автотранспорт,
• морской транспорт,
• железнодорожный транспорт, горная и шахтная техника
• вспомогательный транспорт (складские погрузчики, аэродромная техника и т.д.)

Бортовое питание

• авиация, космос,
• подводные лодки, морской транспорт,

Мобильные устройства

• портативная электроника,
• питание сотовых телефонов,
• зарядные устройства для армии.

Полная статья Водородная энергетика.

Преимущества водородных топливных элементов

Топливные элементы обладают рядом ценных качеств. Это

Высокий КПД

Экологичность

Компактные размеры

Топливные элементы легче и занимают меньший размер, чем традиционные источники питания. Топливные элементы производят меньше шума, меньше нагреваются, более эффективны с точки зрения потребления топлива. Это становится особенно актуальным в военных приложениях. Например, солдат армии США носит 22 различных типа аккумуляторных батарей. Средняя мощность батареи 20 ватт. Применение топливных элементов позволит сократить затраты на логистику, снизить вес, повысить время действия приборов и оборудования.

Проблемы топливных элементов

Внедрению топливных элементов на транспорте мешает отсутствие водородной инфраструктуры. Возникает проблема «курицы и яйца» — зачем производить водородные автомобили, если нет инфраструктуры? Зачем строить водородную инфраструктуру, если нет водородного транспорта? Большинство элементов при работе выделяют то или иное количество тепла. Это требует создания сложных технических устройств для утилизации тепла (паровые турбины и пр.), а также организации потоков топлива и окислителя, систем управления отбираемой мощностью, долговечности мембран, отравления катализаторов некоторыми побочными продуктами окисления топлива и других задач. Но при этом же высокая температура процесса позволяет производить тепловую энергию, что существенно увеличивает КПД энергетической установки.

Также существует проблема получения водорода и хранения водорода. Во-первых, он должен быть достаточно чистый, чтобы не произошло быстрого отравления катализатора, во-вторых, достаточно дешёвый, чтобы его стоимость была рентабельна для конечного потребителя.

Существует множество способов производства водорода, но в настоящее время около 50 % водорода, производимого во всём мире, получают из природного газа. Все остальные способы пока дорогостоящи. Существует мнение, что с ростом цен на энергоносители стоимость водорода также растёт, так как он является вторичным энергоносителем. Но себестоимость энергии, производимой из возобновляемых источников, постоянно снижается (см. Ветроэнергетика, Производство водорода). Например, средняя цена электроэнергии в США выросла в 2007 г. до $0,09 за кВт·ч, тогда как себестоимость электроэнергии, произведённой из ветра, составляет $0,04—$0,07 (см. Ветроэнергетика или AWEA). В Японии киловатт-час электроэнергии стоит около $0,2, что сопоставимо со стоимостью электроэнергии, произведённой фотоэлектрическими элементами. То есть с ростом цен на энергоносители производство водорода электролизом воды становится более конкурентноспособным.

К сожалению, 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.

Но на этом недостатки топливных элементов с платиновыми катализаторами не заканчиваются. Сюда следует отнести высокую стоимость платины, цены на которую постоянно растут, сложности с очисткой водорода от вышеупомянутых примесей, и как следствие, дороговизну газа, ограниченный ресурс элемента вследствие ингибирования катализатора примесями. Кроме того платина катализатора — практически невосполняемый ресурс. Считается, что её запасов хватит на 15-20 лет производства элементов^[2].

На данный момент очень перспективной выглядит возможность применения ферментов в качестве катализатора. Ферменты являются возобновляемым материалом, который можно производить в неограниченных количествах. Они дешевы, не отравляются основными примесями в дешевом топливе. Обладают специфическими премуществами. Нечувствительность ферментов к CO и сероводороду сделала возможным получение водорода из биологических источников, например, при конверсии органических отходов.

Примечания

См. также

Ссылки

Wikimedia Foundation. 2010.

С генератором по жизни. Сибирские ученые прокладывают путь к портативной энергетике

За почти два столетия наука далеко продвинулась в создании топливных элементов. Когда-то они использовались преимущественно в космической отрасли, а в XXI веке прочно вошли и в наш быт. Скажем, в Японии и Германии электрогенераторы с планарными (плоскими) твердооксидными топливными элементами уже начали завоевывать рынок: с такой установкой дом можно и осветить, и обогреть. А в случае успешной реализации проекта РНФ «Формирование научно-технологического задела по созданию энергоустановки, совмещенной с каталитическим риформером и сочетающей компактность, высокую эффективность и быстроту запуска» у российских производителей появится шанс занять свою нишу в портативной энергетике и сформировать рынок источников питания для мобильных устройств.

О важности геометрии

– Среди многообразия топливных элементов, а они бывают низкотемпературные с полимерной мембраной, высокотемпературные с различными щелочными или кислотными электролитами и др., твердооксидные стоят особняком, так как могут использовать в качестве топлива и углеводороды, например, природный газ (метан), – поясняет руководитель проекта, директор Института химии твердого тела и механохимии (ИХТТМ) СО РАН член-корреспондент РАН Александр Немудрый (на снимке). – Правда, метан для начала необходимо перевести в синтез-газ в специальном устройстве – риформере. Что удобно: температуры реакции конверсии метана и работы топливного элемента совпадают – примерно 8000C, поэтому оба процесса можно совместить в одном устройстве – компактном электрохимическом генераторе.

Как уже упоминалось, твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) бывают различной геометрической формы. Планарные могут годами работать, не отключаясь, но быстро разогреть их до 800 градусов не получится – тепловой шок приведет к разрушению устройства. Именно поэтому в ИХТТМ в 2014 году предложили использовать другой вид ТОТЭ – микротрубчатые (МТ ТОТЭ). Проведя первые эксперименты с МТ ТОТЭ и получив первые результаты, ученые поняли перспективность новых источников электроэнергии для портативной энергетики.

– МТ ТОТЭ можно нагревать достаточно быстро, поскольку трубчатая геометрия компенсирует тепловые шоки, особенно если использовать микротрубки, где тонкие слои и пористая подложка, – комментирует представитель индустриального партнера проекта, генеральный директор ООО „Научно-исследовательский центр «ТОПАЗ»“ Александр Сивак. – Нам всем знакома ситуация: разрядился гаджет, а розетки поблизости нет. Наша разработка позволит решить эту проблему достаточно просто: можно носить в рюкзаке баллончик с газом, в случае необходимости подключать его к устройству, в котором риформер метана в синтез-газ скомбинирован с микротрубчатым модулем, генерирующим электроэнергию, и через пять минут начинать зарядку смартфона или самоката. Ниша портативных генераторов для маломощных устройств сейчас занята литий-ионными аккумуляторами, но у них небольшая энергоемкость, да и время жизни ограничены. А у генератора с МТ ТОТЭ энергоемкость определяется лишь количеством газа, который у нас с собой. Устройство можно включать и выключать по необходимости, баллончик – вновь наполнять газом.

Однако за кажущейся простотой этой идеи стоит масса нерешенных фундаментальных проблем.

Риформинг по всей форме

Химикам нужно решить две глобальные научные задачи. Во-первых, изучить факторы, влияющие на эффективность генерации электроэнергии с помощью МТ ТОТЭ, и, поняв их, разработать новые электродные материалы. Во-вторых, топливо для таких устройств должно быть общедоступным, чтобы организовать сеть «заправок» для баллончиков. Если рассматривать метан, необходимо его легко конвертировать внутри устройства в водородсодержащий синтез-газ. Словом, задачи настолько многоплановые, что силами одного института не обойтись.

– Мы как химики твердого тела хорошо понимаем электродные процессы. Наши коллеги из Института катализа СО РАН специализируются на каталитических процессах риформинга. Мы привлекли к проекту очень сильную группу под руководством профессора Владимира Собянина, – рассказывает А.Немудрый. – Кроме того, в рамках этого проекта сотрудничаем и с Уральским отделением РАН – специалисты Института химии твердого тела УРО РАН будут разрабатывать новые электродные материалы, а еще одна группа уральских ученых займется вспомогательными материалами, без которых не создать портативный электрохимический генератор: герметиками, интерконнекторами. Что касается коллектива проекта, мы просто вынуждены привлекать молодежь: у нас, как и во многих академических институтах, сотрудники делятся на две группы – 60+ и 30-. Но, не скрою, я нашими молодыми ребятами очень доволен: толковые, работящие, энтузиасты, переполнены научными идеями. Словом, хотят и умеют работать, уже прониклись тематикой проекта и засучили рукава. А осенью мы, как и предусматривают условия гранта РНФ, с огромным удовольствием проведем школу для молодых ученых.

Проект РНФ рассчитан на четыре года – с 2021-го по 2024-й. Сначала химики будут решать вышеупомянутые фундаментальные и прикладные задачи, а поняв, как максимально эффективно конвертировать метан в синтез-газ и энергию топлива – в электроэнергию, приступят к созданию стендов и лабораторных макетов нового устройства. А здесь на сцену выйдет индустриальный партнер проекта ООО „Научно-исследовательский центр «ТОПАЗ»“ (НИЦ «ТОПАЗ»).

Дойти до технологии

Поисковыми работами ИХТТМ СО РАН по микротрубчатым твердооксидным топливным элементам заинтересовалась российская Группа компаний «ИнЭнерджи», специализирующаяся на электрохимических технологиях и индустриальных решениях на их основе. С учетом собственных разработок «ИнЭнерджи» в лице НИЦ ­«ТОПАЗ» решила выступить долгосрочным индустриальным партнером института для исследований по тематике МТ ТОТЭ. Соответственно, когда зашла речь об участии в конкурсе Российского научного фонда на проведение исследований лабораториями мирового уровня с целью реализации приоритетов научно-технологического развития РФ, вопрос о поиске индустриального партнера для ИХТТМ не стоял, им стал НИЦ «ТОПАЗ», планирующий сформировать собственное производство и вывести на мировой рынок одноименный портативный электрохимический генератор на основе МТ ТОТЭ.

– Огромная проблема: при трансформации научной идеи в рыночный продукт преодолеть так называемую «долину смерти». В мире признано, что есть классические девять уровней технологической готовности проекта, инжиниринг в различных классификациях занимает от четвертого до шестого-седьмого уровней. Причем большая часть технологий «умирает» именно на этом этапе. Технология проходит научные лаборатории, но не может из академического института «перепрыгнуть» в промышленность. Раньше успешно работала связка «академические институты – отраслевые НИИ – предприятия», но за годы перестройки она, к сожалению, разрушилась. Многочисленные попытки построить какие-то новые механизмы к успеху не приводили. До появления проектов РНФ такого рода. Эти проекты – на мой взгляд – прекрасный пример того, как государство должно участвовать в процессе создания технологий и помогать им развиваться. Надеюсь, правительство заметит, оценит и масштабирует опыт Российского научного фонда, – подчеркивает Немудрый.

К сотрудничеству индустриального партнера стимулирует даже сама схема гранта: финансирование идет с двух сторон, от РНФ и от компании, причем по мере развития проекта государственное финансирование снижается, а частное – возрастает.

– После окончания проекта компания НИЦ «ТОПАЗ» должна использовать результаты сделанных нами фундаментальных разработок и к 2027 году вывести на рынок новые изделия, перспективные для ниши маломощных (от 30 до 300 ватт) электрохимических источников питания, необходимых и в домашнем хозяйстве, и для питания автономной электроники, и в качестве изделий двойного назначения. Кроме того, НИЦ «ТОПАЗ» поможет нам решить технологические и инжиниринговые задачи в создании прототипов: скажем, мы изготавливаем единичный микротрубчатый ТОТЭ, но надо же 30 трубочек между собой соединить, подать на них кислород, подвести тепло, снять полученную электроэнергию. Не могу не отметить удачный симбиоз с инжиниринговой компанией, которая берет на себя решение этих проблем. А затем они – конечно, с нашим научным сопровождением – превратят лабораторный прототип в опытный образец, доведут его до производства и начнут выводить на рынок, – добавляет Александр Петрович.

Стране и региону

Рынок портативных электрохимических генераторов, несомненно, огромен. Например, обычному гражданину портативный генератор пригодится хоть по дороге на дачу, хоть при поездке на электрическом самокате. Нетрудно догадаться, что успешная работа коллектива проекта обеспечит создание целой отрасли новых источников электропитания и устройств, предназначенных для мобильного применения. А использование высококалорийного топлива позволит получить на порядок более высокую весовую энергоемкость для автономных устройств по сравнению с лучшими типами литий-ионных аккумуляторов.

– Укрепление позиций России в мировой энергетике предсмотрено «Энергетической стратегией РФ на период до 2035 года». Мы сейчас догоняем Японию и Германию в области разработки планарных топливных элементов: Институт физики твердого тела РАН готовит стационарные установки на их основе к промышленному производству. В случае с микротрубчатыми твердооксидными топливными элементами у нас есть шанс вырваться вперед: если работы по их применению и ведутся, то исключительно военными, а в научных исследованиях наш уровень вполне соответствует мировому, – комментирует директор ИХТТМ. – Выполнение проекта РНФ приведет не только к решению фундаментальных и прикладных научных задач, но и к созданию новых технологий риформинга, новых электродных материалов и, наконец, перспективных энергетических установок российского производства. А учитывая, что баллончики с газом понадобится где-то заправлять, надеюсь, вскоре речь пойдет и об опережающем создании объектов распределенной инфраструктуры энергетики.

Что приятно, кусочек от этого пирога достанется и родному для Института химии твердого тела и механохимии СО РАН региону – Новосибирской области. В Новосибирске давно работает завод «НЭВЗ-Керамикс», специализирующийся на синтезе соединений и компонентов топливных элементов. Сейчас он активно сотрудничает с Институтом физики твердого тела по производству материалов для планарных ТОТЭ. И Александр Петрович Немудрый уверен, что на такой базе можно производить и необходимые компоненты для микротрубчатых твердокосидных топливных элементов, которые вполне могут через несколько лет стать будущим мобильной, компактной и экологически чистой энергетики.

Генератор электрохимический — Энциклопедия по машиностроению XXL

Источники тока химические, физические, генераторы электрохимические, термоэлектрические  [c.34]

Источники тока химические, физические, генераторы электрохимические,  [c.42]

Термодинамика гальванических и топливных элементов. Применим уравнение (10.2) к электрохимическим генераторам — гальваническим и топливным элементам. Для этого установим связь между э.д.с. элемента и тепловым эффектом реакции, происходящей в элементе при его работе, в случае, когда изменение его внутренней энергии идет не на выделение теплоты, а на работу электрических сил.  [c.179]

Исключением в смысле отсутствия ограничений по к. п. д. являются электрохимические генераторы, которые в силу этого имеют большое будущее.  [c.515]

Принцип действия топливного элемента. Топливный элемент является химическим генератором электрической энергии (называемым электрохимическим генератором), в котором внутренняя или химическая энергия подаваемых в элемент активных (т. е. реакционно-способных) веществ в результате электрохимических реакций окисления вещества, служащего топливом, и восстановления вещества, являющегося окислителем, преобразуется в электрическую энергию.  [c.594]

Электрохимические генераторы (топливные элементы). Топливный элемент является химическим генератором электрической энергии.  [c.568]

Источником тока для электрохимической катодной защиты служат селеновые выпрямители или генераторы постоянного тока.  [c.55]

Помимо конструктивного совершенствования и повышения мощности термоэлектрических генераторных установок с ядерными реакторами в Советском Союзе ведется разработка конструкций радиоизотопных генераторов. Для генерирования электрического тока в них используется тепло, образующееся при распаде радиоактивных изотопов кобальта, кюрия, полония и др. Они имеют небольшие габаритные размеры и надежно действуют в течение длительного времени без подзарядки (в зависимости от продолжительности периода полураспада соответствующих радиоактивных элементов) и по количеству энергии, вырабатываемой на 1 кг собственного веса, превосходят электрохимические батареи.  [c.186]

Создание дешевых топливных элементов с высоким КПД (60 %), работающих на. органическом топливе, в широких масштабах позволило бы сохранить топливные ресурсы на многие столетия. Целый ряд проблем размещения АЭС можно исключить, если передавать на большее расстояние не электроэнергию, а водород. Например, АЭС, расположенная на плавающей в океане платформе, может вырабатывать водород электролизом морской воды. Полученный водород затем передавался бы по трубопроводам. к топливным элементам, расположенным у потребителя, или централизованным станциям, как сегодня транспортируется природный газ. Однако прежде чем электрохимические генераторы смогут играть такую роль, необходимо решить целый ряд проблем, связанных с разработкой материалов, конструкцией электродов, выбором электролитов и т. п.  [c.94]

Электрохимические генераторы энергии в последнее время привлекают все большее внимание. И это вполне оправдано. Действительно, возможность получать электроэнергию, не сжигая топлива, а превращая химическую энергию его и окислителя сразу в электроэнергию, чрезвычайно заманчива. Длинная цепочка энергетических превращений [химическая энергия топлива и окислителя — внутренняя энергия горячих продуктов сгорания— теплота — внутренняя энергия рабочего тела (вода, пар)—механическая энергия турбины — электроэнергия], проводимых в сложных устройствах со значительными потерями эксергии (более 50%), заменяется одним процессом в одном устройстве — электрохимическом генераторе электроэнергии (ЭХГ). КПД этих устройств очень высок. Пока ЭХГ дороги и их использование ограничено, но интенсивная работа по их совершенствованию идет весьма успешно.  [c.215]

Рис. 5.10. Диаграммы потоков энергии (а), энтропии (б) и эксергии (в) для электрохимического генератора (ЭХГ)

Электрохимическим генератором (ЭХГ), электрохимическим преобразователем (ЭХП) или батареей топливных элементов называют установку, предназначенную для непосредственного преобразования химической энергии топлива в электрическую энергию.  [c.113]

Топливные элементы Преобразование химической энергии в электрическую возможно с помощью электрохимических генераторов — топливных элементов (ТЭ). В ТЭ химическая энергия подаваемых в элемент реакционно-способных веществ в результате электрохимических реакций окисления вещества, служащего топливом, и восстановления вещества, являющегося окислителем, преобразуется в электрическую энергию расходуемые активные элементы непрерывно подводятся извне и это обеспечивает непрерывную работу ТЭ. Принцип действия ТЭ следующий. В сосуде с электролитом помещаются два электрода— анод и катод. К поверхности анода непрерывно подводится восстановитель-топливо, а к поверхности катода — окислитель. Электрод, контактирующий с восстановителем-топливом, принимает более отрицательный потенциал по сравнению с электродом, находящимся в контакте с окислителем. При замыкании внешней цепи по ней потечет электрический ток, а на границах электрод—электролит будут происходить электрохимические реакции, приводящие к передаче электронов от электрода к электролиту или обратно. В электролите электрический ток возникает вследствие перемещения ионов от одного электрода к другому.  [c.279]

Устройство, состоящее из модулей ТЭ, систем подачи топлива и окислителя, отвода продуктов реакции и автоматики, называют электрохимическим генератором (ЭХГ). Энергоустановка на основе ТЭ кроме ЭХГ включает в себя следующие системы подготовки и переработки топлива и окислителя, преобразования постоянного тока в переменный (инвертор), переработки продуктов реакции и утилизации их теплоты.  [c.544]

Примерами первого направления могут служить работы по созданию электрохимических и термоядерных преобразователей. Ко второму направлению можно отнести работы, связанные с использованием известных возобновляемых источников энергии (солнца, ветра, морских приливов и др.). Новые способы преобразования энергии реализуются также в термоэлектрических, термоэмиссионных устройствах и в МГД-генераторах.  [c.478]

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ И ЭНЕРГОУСТАНОВКИ  [c.528]

Электрохимический генератор (ЭХГ). Он состоит из батареи ТЭ и систем, обеспечивающих ее работу.  [c.530]

Электрохимический генератор входит в состав электрохимической энергоустановки (ЭЭУ), которая включает систему хранения и обработки топлива и окислителя, устройства для преобразования (например, инвертор) и регулирования тока и напряжения, а иногда и общую систему терморегулирования и автоматики. Простейшая структурная схема электрохимической энергоустановки приведена на рис. 9.45.  [c.530]

ХАРАКТЕРИСТИКИ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ГЕНЕРАТОРОВ  [c.531]

Г —генератор синусоидальных колебаний 21—3—импедансы плечей моста zпостоянного тока Ф — фильтр, препятствующий проникновению переменного тока в цепь потенциометра.  [c.141]

Электрохимическая защита подземных трубопроводов может быть осуществлена в двух вариантах применением внешних источников постоянного тока (установки катодной защиты с выпрямителями, генераторами постоянного тока, химическими элементами МОЭ-1000 и т. п.) и внутренних источников — протекторов. При присоединении к трубопроводу протектора, изготовленного из металла с более отрицательным электродным потенциалом по отношению к стали, образуется гальванический элемент.  [c.166]

Конечно, самый радикальный способ борьбы за чистоту воздуха на наших улицах — замена двигателя внутреннего сгорания электрохимическими генераторами тока (топливными элементами), которые преобразуют химическую энергию непосредственно в электрическую и питают электроэнергией тяговый электродвигатель. Но, несмотря на усилия ученых, пока не созданы дешевые, экономичные и мощные электрохимические генераторы. Возможно также использование аккумуляторов электроэнергии, которые заряжаются от городской сети, а затем при езде питают электродвигатель, приводящий в движение автомобиль. Электромобили за рубежом  [c.234]

Радикальным способом борьбы с загрязнением воздуха отработавшими газами автомобилей является замена двигателя внутреннего сгорания на электрохимические генераторы тока (топливные элементы), которые преобразуют химическую энергию непосредственно в электрическую и питают электроэнергией тяговый электродвигатель. Но в настоящее время пока не созданы дешевые, экономичные и мощные электрохимические генераторы.  [c.395]

Для ускорения электрохимических процессов предусмотрено реверсирование тока, которое в ванне электрохимического обезжиривания производится изменением полярности в обмотке возбуждения генератора (с помощью двух моторных реле времени и двух магнитных пускателей). Обезжириваемые детали четыре минуты находятся на катоде и одну минуту на аноде. В ванне электролитического цинкования реверсированием тока управляет электронное реле времени. Соотношение катодного и анодного периода 10 I.  [c.331]

Соответствующие устройства, в которых осуществляется превращение химической энергии в электрическую, называются термоэлектрическими генераторами, термоэмиссионными преобразователя.ми, магнитогндродина-мическими (МГД) генераторами, электрохимическими генераторами или топливными элементами, солнечными батарея.ми.  [c.515]

В сочетании с электрохимической катодной заш,итой, которая весьма экономична в комбинации с высококачественным защитным покрытием. Электрохимическая катодная защита осуществляется в двух вариантах а) с использованием внешних источников тока (аккумуляторных батарей, селеновых выпрямителей, генераторов постоянного тока) б) с применением протекторов из металлов с электродным потенциалом более отрицательным, чем у стали (магний, цинк, алюминий или их сплавы).  [c.394]

Из шести типов прямых преобразователей энергии, в которых энергия тел преобразуется в энергию электрического тока (электрохимические генераторы, фотоэлек-1рические преобразователи, термоэмиссионные преобразователи, магнитогидродинамические генераторы, термоэлектрические преобразователи, квантовые преобразователи) только первые два являются в полной мере прямыми преобразователями. В полезную внешнюю работу в электрохимических генераторах превращается внутренняя энергия рабочих тел, а в фотоэлектрических преобразователях — лучистая энергия Солнца, причем это превращение (т. е. рабочий процесс) протекает при постоянной температуре.  [c.568]

Рис 39 Схема электрического моста для измерения импеданса полимерного покрытия Z/, Z — нмпедансы плеч электрического моста Zj — регулируемый импеданс Z4 — импеданс электрохимической ячейки О осциллограф Г — генератор переменной частоты  [c.65]

ТэлГ — термоэлектрический электро(полупроводниковый) генератор ТЭмГ — термоэмиссионный генератор ТИГ — термоионный электрогенератор ТУ — турбинная установка ТЭС — тепловая электростанция ЭАБ — электрохимическая аккумуляторная батарея ЭГДГ — электрогазв(гидро)динамический (электро)генератор ЭДС — электродвижущая сила ЭУ — энергетическая установка  [c.194]

Опыты проводили (совместно с И. Г. Абдуллиным) в специальной электрохимической ячейке, снабженной платиновыми электродами и устройством для механического нагружения образца. Резистометрическая установка была собрана на основе потенцио-, метрической схемы и включала генератор звуковой частоты (20 кГц) со стабилизирующим дискриминатором, потенциометр, детектор и самописец с усилителем постоянного тока типа Н37. Платиновые электроды располагались в непосредственной близости к поверхности образца, что позволило проводить измерения в нестационарных условиях диффузионной кинетики.  [c.36]

Для очистки окалины во вторых термических и инструментально-термических цехах применяются простые немеханизированные и конвейерные установки электрохимического травления с мотор-генераторами постоянного тока. Установки включают баки травильные с подводом тока для горячей и холодной промывки и нейтрализационные. При травлении с осаждением свинца дополнительно включается бак для снятия свинца с подводом тока.  [c.613]

Исследования тепловых и химических свойств электрического тока, проводившиеся физиками Э. Карлейлам, В. Никольсоном, В. В. Петровым, Г. Дэви, М. Фарадеем, Э. X. Ленцем, Д. П. Джоулем, Б. С. Якоби, заложили научные основы практической электрохимии и электротермии. Промышленная электрохимия началась с освоения гальванотехнических процессов рафинирования меди и добычи электролитическим путем кислорода и водорода. Первоначально источниками электричества служили гальванические батареи. Отсутствие экономичных и достаточно мощных генераторов тормозило внедрение в практику электрохимических и электротермических процессов. Лишь появление в начале 70-х годов динамомашины дало заметный толчок развитию электрохимии и электрометаллургии. Еще больший размах эти отрасли получили с введением централизованного электроснабжения. К концу XIX в. электролитическим лутем производили в широких масштабах рафинированную медь, бертолетову соль, хлор, некоторые щелочи, озон (для стерилизации и очистки воды). Развивалась и совершенствовалась гальванотехника. Использование электрической энергии привело к появлению и развитию новых способов производства искусственных удобрений для сельского хозяйства. В это же время возник ряд электрометаллургических и электрохимических производств, основанных на применении электрических печей. Был изобретен и стал применяться на практике новый способ обработки металлов — электросварка.  [c.64]

Большое внимание уделяется уравновешиванию роторов в точном приборостроении. Предлагается способ обнаружения статической неуравновешеиностн тонкостенных роторов но из.ме-ненню частоты собственных колебаниГ в подвесе. Показано развитие методов авто.матнчсского уравновешивания роторов с компенсацией дисбалансов способом взрывающихся проволочек, электрохимическим способом, с по.мощью оптического квантового генератора или электронного луча. Описаны методы экспериментального исследования процесса автоматического уравновешивания с использованием ЭВМ.  [c.8]

Генератор развивает напряжение (при отсутствии регулятора последнего), пропорциональное оборотности сила тока гаропорциональна напряжению, т. е. опять оборотности мощность при омической (осветительной, электрохимической) нагрузке пропорциональна и напряжению и силе тока, т. е. квадрату оборотности момент пропорционале оборотности. Отсюда следует, что линии Мс прямые и исходят иэ начала координат.  [c.215]

---

Развитие энергетических технологий с использованием электрохимических генераторов на топливных элементах

[ребования’ которь|м должен удовлетворять твердь:й электролит,

достаточно вь!соки: он дол)кен иметь тонцю электролитную структуру и

минимальную электричесцю проводимость, бь:ть механически прочнь!м

и химически стойким при вь!соких темперацрах и не вредить

электродам. [1адение напряхения на нем долхно бь:ть минимальнь!м и

обуславливаться только омическим сопротивлением.

[4оннь:м проводником в элементе с твердооксиднь|м

электролитом (тэтоэ) является диоксид циркония, стабилизированньпй

оксидом иттрия — 7г6.65\’ »Ф’.,’э («нернстовое тело» или элемент

.[автяна). 3ти электролить! характери3уются анионной проводимостью

по о’-. 1ак как удельная электрическая проводимость невелика

(о : 10 ..’ 14 Фм ].м’), то применяют тонкие их 9лои (о,2 … 0,5 мм) и

они работают при темперащрах близких к ] 000,6. йатериалами для

анода слркат никель, кобальт, некоторь!е оксиднь!е полупроводники, а

катода — полупроводниковь[е оксидь! |в]. с целью улучшения

характеристик современнь!х тэтоэ на основе 7гФ2,

ста6илизированного 8о/о }’Ф., в его состав предлохено [16] вводить

А!2оз (до 2Фо/о массовь]х долей). 1акой компо3иционнь:й материал имеет

прочность 31 кгс| мм’, вь!дерхивает бьпстрьпй нагрев до 150ос,

обеспечивает увеличение о от о,12 до ],0 Фм-1 .см-‘ при рабоней

температуре до ‘1000ос и позволяет доотичь 3нач ений плотностей тока

до нескольких А/см2.

( настоящему времени разработано два основнь!х типа 13193:

трубнатой и планарной конструкции (рис. 8, 9).

в тэ трубнатой конструкции [17] (рис. 8,а) топливо, напримеР Ё:,

подают в топливнь!е каналь: (() 7 нерез трубки (т) ]0 в направлении

стрелок А. [1ротивополохнь1е конць! к 3аглушень!’ т не доходит до

конца (, и отработавшее топливо вь|ходит из ( в направлении стрелок

с. Фкислитель, например Ф’, посцпает чере3 аналогичнь!е каналь! с

противополохной сторонь! 13 нерез т 2о в направлении стрелок 8 и

вь!ходит в направлении стрелок о. к образовань: гофрированнь]ми

перегородками’ состоящими и3 пленки топливного электрода 4, слоя

твердого электролита 5 и кислородного электрода 6. €верху и снизу (

закрь!вают блоками 50, исполь3уемь]ми для пооледовательного

соединения тэ и состоящими и3 кислородного электрода 1,

промехуточного слоя 2 и топливного электрода з. (ислороднь]е

элекгродь: 1 и 6 изготавливаются и3 материала типа !-а\4п@3, 6айпФ3,

[-а\!Ф3, !-а€оФ3, !-а€гФ3. 8 основном применяют !-а1м!пФ3 с добавкой $г.

!ля топливнь!х электродов з и 4 применяют компо3иционнь!е

материаль] на основе смесей 7гФ2 и ш] или 7гФ2 и 6о’ }вердь:м

электролитом слркит пленка из 1’Ф., ста6илизированная 7г0″‘ 1 10 и

2о, а та]о(е ребра ‘1 1 предпочтительно и3готавливаются и3 того хе

материала’ что и соответствующие электродь!.

.0,анная конструкция 13 мохет бь:ть и3менена и упрощена (рис.

в,б), если 3акрепить составнь!е элементь| 13 на непропускающей га3

опоре !в] (оп) 1, сделанной и3 А!2оз, стабилизированного 7г92, и

имеющей толщину 3 мм. к оп крепят пористь!е подлохки 2 толщиной

0.5 мм. [‘!одлохки делают из такой хе, как и материал Ф[‘ керамики’ и

они имеют поперечное сечение в форме полудуг или многогранников.

[1одлохки 2 образуют каналь! з для подачи топлива. 3атем на оп

наносят шинь] 7 из материала на основе !-а6гФ.. Ёа подложки наносят

26-

ТОПАЗ — вечная батарейка. Как это работает?

2035: in progress > Ликбез-блокнот

01.02.2019

Многие десятилетия компактными источниками электроэнергии по умолчанию считались батарейки и аккумуляторы. Эдакий своеобразный символ, который мы видим даже в фильме «Матрица». Однако эти технологии дошли до своего предела и уже давно не соответствуют современным требованиям.

Серьезной заявкой на прорыв в этой области стали изобретенные российскими учеными новые топливные элементы, которые превысили показатели энергоемкости привычных нам литиевых аккумуляторов в 10 раз! Недавно проект «ТОПАЗ» был представлен Владимиру Путину. Ntinews.ru расспросил руководителя проекта Алексея Кашина, в чем уникальность технологии и какое место мирового рынка носителей энергии она способна занять.

•         В чем принцип работы «Топаза» и уникальность технологии?

•         Отличие от двигателя внутреннего сгорания

•         Почему за рубежом не смогли?

•         Где будет применяться?

•         Сможет ли «накормить» квантовые компьютеры?

•         Сможет ли технология занять долю на мировом рынке?

•         Кто участвовал в разработке? 

•         История вопроса

 

---

—  Алексей, в чем принцип работы ТОПАЗа и в чем уникальность технологии? 

—  Это устройство позволяет преобразовывать углеводородное топливо, например, пропан, в электроэнергию с высоким КПД и – что важно – технология позволяет делать это в компактных размерах устройства. Это так называемый микротрубчатый топливный элемент, который позволяет из пропана или бутана извлечь максимальное количество энергии. Удельная энергоемкость пропана 12,7 кВт*ч на килограмм. Мы стремимся к показателю в 3000 Вт*ч на килограмм на изделие уже с учетом КПД топливного элемента. Что более, чем в 10 раз превышает удельную энергоемкость литиевых аккумуляторных батарей. Литий на сегодня – это 200-250 Вт*ч на килограмм, с перспективой до 300-400. У нас нет сомнений в достижимости показателя энерговооруженности в 2000 Вт*ч/кг, так что ТОПАЗ — это источник энергии, который будет более чем на порядок лучше литиевых батарей. 

---

 —  А если сравнить с двигателями внутреннего сгорания? 

 —  По сравнению с ДВС у нас нет движущихся и трущихся деталей, нет системы смазки, нет громкого звука и нет выхлопа. То есть наше изделие компактнее, эффективнее, экологичнее, малозаметнее (если мы говорим про военное применение). Компактных ДВС не бывает, вы не можете сделать карманный ДВС для зарядки планшета. Двигатели внутреннего сгорания не масштабируются «вниз» — и это первое ограничение, которое мы снимаем. Например, это вспомогательная энергоустановка в робототехнике. Она может заряжать аккумулятор на роботе. ДВС такого не бывает, а если бывает, то он сильно шумит, работает недолго и плохо пахнет. При этом КПД у ТОПАЗа выше, чем у ДВС. Если сравнивать с маленькими двигателями внутреннего сгорания, то КПД выше в два-три раза.

---

—  Две зарубежные компании, которые пытались сделать то же самое, потерпели неудачу. Что не смогли сделать они, и что смогли преодолеть вы?

 —  Дело в том, что у нас речь идет о сочетании нескольких технологий. Существуют так называемые твердооксидные топливные элементы – это высокотемпературные изделия, проводимость которых в твердом электролите работает в диапазоне 700-900 градусов Цельсия. Эти элементы бывают разные. Конструктивно они бывают либо трубчатые либо плоские – планарные. Больше всего распространены плоские топливные элементы, которые для массивных энергоустановок позволяют получить лучшие характеристики. Но для миниатюрных устройств они подходят плохо. Так что первая наша история – это особая, микротрубчатая технология изготовления керамического топливного элемента как таковая.

Второе – это высокоэффективный предварительный риформинг (температурные превращения углеводородов – прим. ntinews) или переход на технологию так называемого внутреннего риформинга, следующая фаза проекта. Когда мы пойдем в большую серию, именно эта — вторая технология у нас будет применяться. За счет оптимального сочетания двух технологий мы упрощаем конструкцию и снижаем требования к материалам.

Таким образом, у нас сочетается, по сути, микротрубчатая конструкция топливного элемента и реализация эффективного риформинга. Соединить воедино эти элементы в портативном устройстве не удалось пока никому. 

---

 —  Какие основные ниши применения ТОПАЗа? 

—  На самом деле, ТОПАЗ — это не одно изделие, а платформа. У нас есть линейка из трех устройств. Первое – это портативное зарядное устройство. Тут все понятно, у нас очень высокая удельная энергоемкость, мы с собой на каждый килограмм веса можем взять больше ватт-часов, чем при любом другом способе хранения или получения энергии в компактном устройстве. Это компактная носимая электростанция на органическом топливе.

Второе – вспомогательная силовая установка для робототехники. Эта штука, установленная в роботе, летающем, ползающем, плавающем, может обеспечивать его электроприводы энергией. Мы агрегируемся с буферным аккумулятором, который снимает пики нагрузки и в постоянном режиме вырабатываем нужную электроэнергию для перемещения дрона. Это принципиально снимает барьеры по энерговооруженности подвижных комплексов – и это революционная технология. Те роботы, которые у нас работали 20 минут, теперь могут работать 200 минут – это принципиальное улучшение, особенно для летающих дронов. При этом мы отказываемся от использования сложных систем, а топливо доступно в любом ларьке – баллончик с пропаном для зажигалок нам подойдет.

---

—  Если заглянуть в будущее, то и для потребляющих огромное количество энергии квантовых компьютеров это подойдет? 

 —  В каком-то смысле, да. Дело в том, что повысив на порядок энерговооруженность дрона, мы тем самым можем революционно изменить его функциональность. Потому что теперь мы можем ставить на роботы вычислитель, компьютер и избавить его от необходимости очень мощного канала связи. Ведь как сейчас поступают – если нам, например, нужно снять какую-то картинку и распознать ее, например, в гео-информационных системах, мы не можем ставить на дрон компьютер, который достаточно мощный, чтобы заняться распознаванием изображений, мы передаем данные для обработки оператору (вот тут нам нужен широкий канал), а на земле уже происходит распознавание. Сейчас мы можем производить обработку данных непосредственно на роботе, и нам не нужен очень мощный канал связи.

Третья наша история — это портативные квазистационарные энергосистемы, или совсем малая распределенная энергетика, инфраструктура интернета вещей. Это любые датчики, которые стоят «в поле». Например, камеры видеофиксации где-то совсем далеко. Какие у нас варианты? Ставить двигатель с ресурсом менее 500 часов до замены масла? Ставить 2-3 тонны аккумуляторов, чтобы хватило на неделю? Камера маломощная, но ДВС-генераторов настолько маломощных просто нет. Всяческие сенсоры с малым потреблением энергии – это как раз наш рынок. Сюда же относятся средства неинвазивного контроля, диагностики дорожного покрытия, и прочая, и прочая. В том числе, ретрансляторы, спутниковая связь и так далее. На сегодня этот рынок не очень виден как раз потому, что основной барьер в нем – это отсутствие адекватных источников энергии. Так что мы нашим устройством снимаем барьеры глобальных рынков.

---

—  Вы сразу же нацелены на мировой рынок? 

 —  Да, конечно. Мы видим себя глобальной компанией. Наша стратегия – выносить сертификацию на стратегического партнера в конкретные страны, который будет заниматься развитием за рубежом, а базовую технологию мы хотим оставить в России, у нас тут сильный R&D, и наша задача усиливать его и заниматься опережающим развитием в этой области. Как у Intel. Мозг компании останется в России, а то, что вовне лучше лицензировать – в том числе, и из-за санкций. В БРИКС мы займемся и прямыми продажами, а начнем с России, конечно. 

---

—  И последний вопрос: правильно ли я понимаю, что ваша разработка имеет корни в Институте проблем химической физики в Черноголовке (на базе одной из лабораторий), в котором появился Центр компетенций НТИ?

 —  Да, мы выросли из науки. Наш основной партнер, это, конечно ИПХФ РАН, кроме этого – Институт высокотемпературной электрохимии и Институт химии твердого тела из Екатеринбурга, Институт катализа, институт Химии твердого тела и механохимии из Новосибирска. Всего у нас 10 совместных лабораторий – восемь из которых совместно с РАН. Благодаря этому сотрудничеству мы имеем возможность влиять на глобальные технологические траектории в области электрохимических технологий.

Беседовал Алексей Паевский

Фото ГК «Инэнерджи»

СПРАВКА

ТОПАЗ расшифровывается как ТвердоОксидная Перспективная Автономная Зарядка. 

В 2016 году группа компаний «Инэнерджи», которая занимается разработкой высокоэнергоемких установок, работающих на органическом топливе (углеводородном), приняла решение выделить разработку ТОПАЗа в ведение отдельной компании. Так появился одноименный научно-исследовательский центр – резидент Сколково.

Объясняется это тем, что технология создания электрохимического генератора на микротрубчатых ТОТЭ очень наукоемкая и практически никем в мире не реализована.  Сейчас ООО «НИЦ «ТОПАЗ» имеет собственный Центр исследований и разработок с 45 сотрудниками, из них 12 – с учеными степенями.

Команда ведущих ученых и специалистов в рамках глобального стратегического видения ГК «ИнЭнерджи» развивает технологию, которая будет воплощена в линейке из 4 продуктов:

1.       Малогабаритная портативная энергоустановка мощностью до 30 Вт.

2.       Автоматизированная малообслуживаемая энергоустановка для распределенной энергетики мощностью до 300 Вт.

3.       Мобильная энергоустановка для робототехники и беспилотных авиационных систем мощностью до 1000 Вт.

4.       Учебно-методический стенд «Высокотемпературные трубчатые топливные элементы» для образовательных учреждений.

#ЭнерджиНет, #Energinet, #топаз, #Кашин, #генератор энергии, #аккумулятор, #АвтоНет, #AutoNet

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

---

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

---

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

---

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

топливных элементов | Министерство энергетики

Топливный элемент использует химическую энергию водорода или другого топлива для экологически чистого и эффективного производства электроэнергии. Если водород является топливом, единственными продуктами являются электричество, вода и тепло. Топливные элементы уникальны с точки зрения разнообразия их потенциальных применений; они могут использовать широкий спектр видов топлива и сырья и могут обеспечивать электроэнергией системы величиной с коммунальная электростанция и такими маленькими, как портативный компьютер.

Зачем изучать топливные элементы

Топливные элементы могут использоваться в широком диапазоне приложений, обеспечивая питание для приложений в различных секторах, включая транспорт, промышленные / коммерческие / жилые здания и долгосрочное хранение энергии для сети в обратимых системах.

Топливные элементы имеют несколько преимуществ по сравнению с традиционными технологиями сжигания, которые в настоящее время используются на многих электростанциях и транспортных средствах. Топливные элементы могут работать с более высокой эффективностью, чем двигатели внутреннего сгорания, и могут преобразовывать химическую энергию топлива непосредственно в электрическую энергию с эффективностью, превышающей 60%. Топливные элементы имеют более низкие или нулевые выбросы по сравнению с двигателями внутреннего сгорания. Водородные топливные элементы выделяют только воду, решая критические проблемы климата, поскольку нет выбросов углекислого газа.Также отсутствуют загрязнители воздуха, которые создают смог и вызывают проблемы со здоровьем во время работы. Топливные элементы работают бесшумно, поскольку в них мало движущихся частей.

Как работают топливные элементы

Топливные элементы работают как батареи, но они не разряжаются и не нуждаются в подзарядке. Пока есть топливо, они производят электроэнергию и тепло. Топливный элемент состоит из двух электродов — отрицательного электрода (или анода) и положительного электрода (или катода), расположенных вокруг электролита.На анод подается топливо, например водород, а на катод — воздух. В водородном топливном элементе катализатор на аноде разделяет молекулы водорода на протоны и электроны, которые идут к катоду разными путями. Электроны проходят через внешнюю цепь, создавая электрический ток. Протоны мигрируют через электролит к катоду, где они соединяются с кислородом и электронами, образуя воду и тепло. Узнать больше о:

Просмотрите анимацию топливных элементов Управления по технологиям производства водорода и топливных элементов, чтобы увидеть, как работает топливный элемент.

Цели исследований и разработок

Министерство энергетики США (DOE) тесно сотрудничает со своими национальными лабораториями, университетами и отраслевыми партнерами для преодоления серьезных технических препятствий на пути разработки топливных элементов. Стоимость, производительность и долговечность по-прежнему являются ключевыми проблемами в отрасли топливных элементов. Просмотрите ссылки по теме, которые предоставляют подробную информацию о деятельности по топливным элементам, финансируемой Министерством энергетики США.

• Стоимость —Исследования, разработка и демонстрация (НИОКР) сосредоточены на разработке недорогих батарей топливных элементов и сбалансированных компонентов завода (BOP), а также передовых подходов к крупносерийному производству для снижения общей стоимости системы.Платина представляет собой один из самых дорогостоящих компонентов топливного элемента с мембраной из полимерного электролита, работающего на прямом водороде, поэтому особое внимание уделяется подходам, которые повысят активность и использование, а также уменьшат содержание нынешних катализаторов из металлов платиновой группы (МПГ) и сплавов МПГ, поскольку а также подходы к использованию катализаторов без МПГ для долгосрочного применения.
• Производительность — Для повышения эффективности и производительности топливных элементов НИОКР фокусируется на инновационных материалах и стратегиях интеграции.Усилия включают разработку ионообменных мембранных электролитов с повышенной эффективностью и долговечностью при меньших затратах; улучшение мембранных электродных сборок (МЭБ) с высокой удельной мощностью за счет интеграции современных компонентов МЭБ; моделирование для понимания конструкции системы и условий эксплуатации; и разработка стеков с высокой эффективностью при номинальной мощности и высокопроизводительных компонентов противовыбросового превентора, таких как компоненты системы управления воздухом с низкими паразитными потерями.
• Долговечность — Применения топливных элементов обычно требуют адекватной производительности для поддержания в течение длительного периода времени.Министерство энергетики поставило конечные цели по сроку службы топливных элементов в реальных условиях эксплуатации: 8 000 часов для легковых автомобилей, 30 000 часов для тяжелых грузовиков и 80 000 часов для распределенных энергосистем. В наиболее требовательных приложениях надежность и устойчивость системы требуются в динамических и суровых условиях эксплуатации. Реалистичные рабочие условия включают запуск и останов, замерзание и оттаивание, примеси в топливе и воздухе, влажность и циклы динамической нагрузки, которые приводят к нагрузкам на химическую и механическую стабильность материалов и компонентов системы топливных элементов.НИОКР сосредоточены на выявлении и понимании механизмов деградации топливных элементов, а также на разработке материалов и стратегий для смягчения их последствий.

Технические мишени

Загрузите раздел «Топливные элементы» Многолетнего плана исследований, разработок и демонстраций Управления технологий водородных и топливных элементов для получения полной информации о технических задачах. Основное обновление этого документа находится в стадии разработки.

Электрохимический генератор, содержащий цилиндрические алюминиево-воздушные ячейки

1.

СТО 56947007-29.120.40.041-2010. Операционные системы постоянного тока подстанций. Технические требования (ФСК ЕЭС, Москва, 2010).

2.

Попель О. С., Тарасенко А. Б. Современные виды накопителей электроэнергии и их применение в автономных и централизованных энергосистемах // Теплоэнергетика. Англ. 58 , 883–893 (2011).

Артикул Google ученый

3.

Передача Электро Восток.http://www.tev.ru/products/ibp/dizel_rotor/. По состоянию на 27 сентября 2017 г.

4.

А. А. Чернявский, «Использование солнечной энергии на юге России — возможности и перспективы», Energy Fresh, № 1 , 10–13 (2010).

Google ученый

5.

К. Онда, Т. Кьякуно, К. Хаттори и К. Ито, «Прогнозирование мощности производства водорода под высоким давлением с помощью электролиза воды под высоким давлением», J. Power Sources 132 , 64 –70 (2004).

Артикул Google ученый

6.

Илюхина А.В., Клейменов Б.В., Жук А.З. Разработка и исследование алюминиево-воздушного электрохимического генератора и его основных компонентов // Источники энергии 342 , 741–749 (2017). По состоянию на 2 октября 2017 г. doi 10.1016 / j.jpowsour.2016.12.105

Article Google ученый

7.

Y.-J. Чо, И.-Дж. Парк, Х.-Дж.Ли и Ж.-Г. Ким, «Алюминиевый анод для алюминиево-воздушной батареи. Часть I: Влияние чистоты алюминия», J. Power Sources, 277 , 370–378 (2015).

Артикул Google ученый

8.

Д. Р. Иган, К. Понсе де Леон, Р. Дж. К. Вуд, Р. Л. Джонс, К. Р. Стокс и Ф. К. Уолш, «Разработки электродных материалов и электролитов для алюминиево-воздушных батарей», J. Power Sources 236 , 293–310 (2013).

Артикул Google ученый

9.

Шейндлин А. Э., Школьников Э. И., Жук А. З., Клейменов Б. В., Власкин М. С. Особенности использования алюминия в электроэнергетике // Изв. Росс. Акад. Наук. Энергетика. 2011. № 6. С. 3–30.

Google ученый

10.

Прабал Сапкота и Ким. Хонггон, «Цинково-воздушный топливный элемент, потенциальный кандидат для альтернативной энергетики», J. Ind. Eng. Chem. 15 , 445–450 (2009).

Артикул Google ученый

11.

W. P. Lin, Патент США № 2011/0117455 A1 (2011).

Google ученый

12.

Т. А. Догерти, А. П. Карпински, Дж. Х. Станнард, В. Халлиоп и С. Уорнер, «Алюминий – воздух: состояние технологии и приложений», в Proc. 31-я Межобщественная конференция по преобразованию энергии, Вашингтон, округ Колумбия, 11–16 августа 1996 г. (IEEE, Piscataway, NJ, 1996), стр. 1176–1180.

Google ученый

13.

М. Пино, К. Куадрадо, Х. Чакон, П. Родригес, Э. Фатас и П. Окон, «Электрохимические характеристики промышленных электродов из алюминиевого сплава для алюминиево-воздушных батарей», J. Appl. Электрохим. 44 , 1371–1380 (2014).

Артикул Google ученый

14.

Л. Фан, Х. Лу и Дж. Ленг, «Характеристики тонкоструктурированных алюминиевых анодов в нейтральных и щелочных электролитах для алюминиево-воздушных батарей», Electrochim. Acta 165 , 22–28 (2015).

Артикул Google ученый

15.

Харламов С.М., Бобылев А.В., Галкин П.С., Добросельский К.Г., Власенко М.Г., Маркович Д.М. Влияние алюминиевых анодных сплавов и состава щелочного электролита на характеристики алюминиево-воздушных ячеек портативного применения. Англ. Термофиз. 24 , 313–321 (2015).

Артикул Google ученый

16.

А.В. Илюхина, А.З. Жук, Б.В. Клейменов, А.С. Илюхин, М. Нагаяма, «Влияние температуры и состава на работу алюминиевых анодов для алюминиево-воздушных аккумуляторов», Топливные элементы 16 , 384–394 (2016). .

Артикул Google ученый

17.

ML Doche, F. Novel-Cattin, R. Durand и JJ Rameau, «Характеристика различных марок алюминиевых анодов для алюминиево-воздушных батарей», J. Power Sources 65 , 197–205 ( 1997).

Артикул Google ученый

18.

W. B. O’Callaghan, патент США № 41 (1990).

Google ученый

19.

Клейменов Б.В., Жук А.З., Илюхина А.В., Андросов А.А., Захаров В.П., Усанов А.Б., Зоткина И.Г. Патент РФ № 169334, Бюл. Изобретения, No 8 (2017).

Google ученый

20.

А.З. Жук, Б.В. Клейменов, В.П. Захаров, А.Ю. Чурсин, А.В. Капустин, “Исследование состава и физико-химических свойств щелочного электролита при анодном растворении алюминия в алюминиевых топливных элементах”, Альт. Energ. Экол., № 4 , 108–115 (2012).

Google ученый

21.

Габдерахманова Т.С., Директор Л. Б., Попель О. С., Тарасенко А. Б. Сравнительный анализ электрохимических накопителей энергии.Energ. Экол., № 23 , 184–195 (2015).

Google ученый

22.

Интернет-магазин «Ваш Солнечный Дом». http://shop.solarhome.ru. По состоянию на 30 октября 2017 г.

23.

Ф. Дэвид Доти, Реалистичный взгляд на прогнозы цен на водород (Doty Sci., Columbia, 2004). http://www.dotynmr.com/PDF/Doty_h3Price.pdf, 2013.

Google ученый

24.

Жук А.З., Бузоверов Е.А., Шейндлин А.Е. Распределенные системы накопления энергии на базе парка электромобилей // Теплоэнергетика. Англ. 62 , 1–6 (2015). doi 10.1134 / S0040601515010127

Статья Google ученый

Последние достижения в области автономных электрохимических систем

Электрохимия, одна из важнейших исследовательских и производственных технологий, широко применяется в различных областях.Однако потребность во внешнем источнике энергии является серьезной проблемой для его развития. Для решения этой проблемы крайне желательна разработка электрохимической системы с автономным питанием (SPES), которая может работать за счет сбора энергии из окружающей среды. Изобретение трибоэлектрического наногенератора (TENG), который может преобразовывать механическую энергию в электричество, является многообещающим подходом к созданию SPES путем интеграции с электрохимией. С этой точки зрения всесторонне рассмотрены последние репрезентативные достижения SPES на основе TENG.За счет сбора различной механической энергии построены пять SPES, включая электрохимическую очистку загрязняющих веществ, электрохимический синтез, электрохимический датчик, электрохромную реакцию и антикоррозионную систему, в зависимости от области применения. Кроме того, обсуждается перспектива развития SPES.

1. Введение

Электрохимия, которая относится к взаимосвязи электрических и химических эффектов, играет решающую роль в устойчивом развитии и инновациях промышленных процессов, включая химическую промышленность, медицину, материалы, энергию, коррозию металлов и окружающую среду. наука [1–5].Электрохимический процесс сильно зависит от внешнего источника питания, что усугубляет кризис дефицита энергии и проблемы загрязнения окружающей среды в современном обществе. Для решения этих проблем разработка электрохимической системы с автономным питанием (SPES), которая может работать за счет интеграции электрохимической системы с технологией сбора энергии для сбора энергии из окружающей среды [6–10], является одним из многообещающих подходов. Из-за достаточной доступности механической энергии преобразование ее из окружающей среды в электричество вызвало широкое внимание.В последнее время появились сообщения о многих технологиях извлечения механической энергии, таких как электромагнитный генератор [11] и пьезоэлектрический наногенератор [6]. Однако низкая эффективность преобразования энергии электромагнитного генератора на низкой частоте и низкая выходная мощность пьезоэлектрического наногенератора ограничивают их практическое применение.

Основанный на сочетании трибоэлектрификации и электростатической индукции, трибоэлектрический наногенератор (TENG), также известный как Wang, генераторы , был изобретен для извлечения энергии из различных окружающих механических движений, таких как звук, водные волны и механическая вибрация [12 –15].TENG обладает множеством уникальных преимуществ, включая простоту конструкции, разнообразие материалов и высокую эффективность преобразования [16]. Кроме того, TENG демонстрирует свои потенциальные применения в источниках питания микро / нано [17, 18], датчиках с автономным питанием (SP) [19, 20], крупномасштабных источниках синей энергии [21, 22] и прямых источниках питания высокого напряжения. [22, 23]. Чтобы способствовать практическому применению TENG, большие исследования были сосредоточены на улучшении его выходных характеристик за счет изучения основных принципов [24], увеличения поверхностной плотности заряда [25–30] и управления мощностью [31–33]; таким образом, было достигнуто 500 Вт · м ⁻² удельной мощности по площади и> 50% эффективности преобразования, соответственно [34].Ввиду этих преимуществ, TENG может служить многообещающим альтернативным источником энергии для сбора энергии для интеграции с электрохимией для электрохимических операций. В настоящее время разработано множество SPES на основе TENG, которые будут более подробно описаны ниже. По сравнению с традиционными электрохимическими системами, SPES могут управлять электрохимическим процессом без внешнего источника питания, что в значительной степени способствует устойчивому развитию электрохимических систем.

Здесь кратко излагаются последние достижения и практическое применение SPES на основе TENG.Согласно заявке, SPES подразделяется на пять основных приложений, включая очистку от загрязняющих веществ, электрохимический синтез, датчики SP, электрохромную реакцию и антикоррозионную систему (рис. 1), соответственно. Кроме того, предлагаются перспективы и задачи для содействия развитию SPES. Нам бы очень хотелось, чтобы эта статья значительно продвинула развитие TENG в области электрохимии и предложила направление для будущих исследований в SPES.

2.Электрохимическая система с автономным питанием

SPES разработана на основе комбинации электрохимии и технологии TENG, где электрохимический процесс может осуществляться посредством TENG, который производит электроэнергию из окружающей среды. В качестве сборщика механической энергии недавняя разработка TENG была рассмотрена от механизма до потенциальных приложений [35, 36]. Классифицированные в соответствии с направлением движения и изменением емкости, с момента его первого изобретения в 2012 году [37–41] были предложены четыре основных режима работы ТЭНов, которые можно разделить на два типа, включая ТЭН с разделением контактов и скользящего типа.Под воздействием внешней силы повторяющееся изменение расстояния между двумя плоскостями и размера контактной области вызовет изменение емкости TENG, что приведет к разнице потенциалов в двух электродах. Для уравновешивания разности потенциалов электроны будут перемещаться вперед и назад во внешней цепи и, таким образом, генерировать альтернативный выходной ток. Для управления электрохимическим процессом в текущих исследованиях SPES всегда используется постоянный ток, где выход переменного тока TENG должен сначала преобразовываться в выход постоянного тока с помощью выпрямительного устройства, а затем управлять электрохимическим процессом.

Фундаментальный физический механизм TENG происходит из тока смещения Максвелла [42, 43], который определяется как где « и — полная плотность тока смещения, вектор электрического смещения, поле поляризации и электрическое поле соответственно. Ток смещения () представляет собой поверхностный интеграл от: где, и — поверхность среды, распределение свободных зарядов и полные свободные заряды на электроде. Согласно уравнению, выходной контур TENG содержит две части, включая внутреннюю цепь в TENG, которая управляется током смещения и наблюдаемым током во внешней цепи.Таким образом, ядром физики для производства тока является внутренняя движущая сила, которая называется термином Ванга в токе смещения [43], а внешним проявлением смещения является наблюдаемый ток емкостной проводимости во внешней цепи.

3. Применение автономной электрохимической системы

3.1. Обработка загрязнителей

Благодаря современной промышленной деятельности тревожный рост токсичных загрязнителей в окружающей среде, вызванный деятельностью человека, привел к серьезным экологическим проблемам, таким как загрязнение воды и воздуха, которые являются наиболее важным экологическим фактором болезней и преждевременных родов. смерть в современном мире [44].В условиях растущей угрозы, связанной с загрязнением окружающей среды, крайне желательна стратегия высокоэффективной обработки загрязнителей для обеспечения чистой окружающей среды и здоровья человека. Благодаря высокой эффективности удаления, универсальности, простоте использования и отличной экологической совместимости, электрохимическая технология получила широкое развитие как многообещающий метод очистки окружающей среды от загрязняющих веществ [45, 46]. Однако потребность во внешнем источнике питания стала серьезной проблемой для практического применения электрохимической технологии.В связи с изобретением TENG путем сбора механической энергии из окружающей среды, SPES был предложен в качестве кандидата для обработки окружающей среды [47]. Кроме того, с постепенным увеличением производительности TENG, много усилий было направлено на удаление загрязнителей окружающей среды из воды и воздуха.

Загрязняющие воду вещества в основном состоят из неорганических, органических и биологических загрязнителей. Являясь одним из наиболее токсичных загрязнителей, ионы тяжелых металлов могут биологически накапливаться при кумулятивном воздействии, которое не является биоразлагаемым, и, таким образом, угрожать здоровью человека по всей пищевой цепочке [48].Стремясь удалить ионы тяжелых металлов из окружающей среды, Li et al. сообщили о TENG с водным приводом для извлечения кинетической энергии из потока сточных вод, который используется для запуска электрохимической реакции для удаления Pb ²⁺ и Cu ²⁺ [49]. Благодаря использованию интегрированной системы SP 97,4% ионов двух металлов было удалено из сточных вод за 100 мин. Сравнивая электрохимические свойства Cr (VI), возбуждаемого постоянным постоянным током (CDC) и импульсным постоянным током (PDC), Zhou et al. подтвердили повышенную эффективность удаления Cr (VI) под PDC, чем у CDC, благодаря лучшему использованию иона двухвалентного железа, более низкой пассивации электрода и более высокой скорости диффузии ионов во время процесса реакции [50].Поэтому они предложили SPES на основе TENG с выходом PDC для улучшения электрохимических характеристик обработки ионами тяжелых металлов. Конструкции поворотных ТЭНГ и СПЭС показаны на рисунках 2 (а) и 2 (б). Расход заряда при различных источниках питания показан на Рисунке 2 (c). При равных зарядах, потребляющих 0,048 ° C, эффективность удаления, обеспечиваемая PDC, была увеличена на 53,5% по сравнению с эффективностью CDC.

Органические загрязнители в воде также вызывают серьезную озабоченность из-за их наиболее токсичных и потенциально канцерогенных свойств; поэтому большие усилия были направлены на удаление органических загрязнителей из сточных вод.Электроокисление SP — это обычный процесс очистки органических загрязнителей с использованием образующихся хлора и гипохлорита. Ли и др. предложили уникальную систему электроокисления SP для удаления фенола путем творческого использования β -циклодекстрина для увеличения трибоэлектрификации [51]. В условиях волны сточных вод со скоростью 1,4 м с ^-1 и начальной концентрации фенола 80 мг. Л ^-1 , 90% фенола было удалено генерируемой мощностью за 320 мин. Gao et al.сообщили о автономном режиме TENG, интегрированном с электрокаталитической технологией для разложения 4-аминоазобензола [52]. При использовании стандартной алюминиевой панели в качестве статора удельная мощность достигала 2,28 Вт · м ^-2 . Под действием TENG 4-аминоазобензол может подвергаться электрохимическому разложению до низкомолекулярных полимеров путем разумного регулирования потенциалов электрохимического окисления. Используя губку для улучшения плотности контакта и инжекцию предварительного заряда для увеличения поверхностных зарядов в диэлектрической пленке, Gao et al.улучшил удельную мощность многослойной связи TENG до 7,4 Вт · м ^-2 , которая использовалась для управления электрохимическим катализом разложения метилового красного [53]. Благодаря многослойной связи TENG процент разложения метилового красного был почти 100% через 160 минут с изменением цвета с красного на бесцветный. Кроме того, Chen et al. изготовили многофункциональную систему SP, которая может одновременно осуществлять удаление ионов тяжелых металлов и органических загрязнителей с помощью вращающегося ТЭН [54]. Иллюстрации поворотного ТЭНа и системы показаны на рисунках 2 (d) и 2 (e).После ректификации 100% родамина B и 97,3% иона двухвалентной меди были удалены через 3 часа обработки (Фигуры 2 (f) и 2 (g)). Кроме того, Ян и др. сообщили об электрокаталитической системе SP, содержащей гибридную энергетическую ячейку, включающую TENG, для разложения метилового оранжевого, которая может дополнительно обеспечить более высокие характеристики [55]. В этой системе генерируемая энергия может непосредственно приводить в действие электроразложение метилового оранжевого или накапливаться в накопителе энергии перед использованием для обработки метилового оранжевого, где эффективность удаления метилового оранжевого достигает 80% через 144 часа.

Благодаря достоинствам экологически чистой и особенно эффективной, для удаления органических загрязнителей из воды предлагается усовершенствованная электрохимическая система окисления SP, такая как процесс SP electro-Fenton [56–58]. Feng et al. интегрировал вращающийся TENG с электрохимической ячейкой, чтобы построить электро-фентоновую систему SP для удаления красителей [59]. В этой работе модифицированный катод из графитового войлока использовался для производства H ₂ O ₂ вместе с • OH, а анод из платинового листа применялся для выработки активного хлора, который может использоваться для окисления органических загрязнителей.За счет управления питанием электрическая мощность интегрированного вращающегося ТЭНа увеличилась в 3,5 раза для запуска электрохимической реакции. Управляемая ветровым потоком со скоростью 6,2 м / с ^-1 , система электро-Fenton SP может эффективно разлагать красители без аэрации кислорода, и была достигнута эффективность удаления 87,5% в течение 120 минут. В сочетании с методами 3D-печати Tian et al. подготовили напечатанный на 3D-принтере эластичный TENG, чтобы сформировать электро-фентоновую систему SP для удаления метиленового синего, из которой 97,0% метиленового синего было удалено в течение 140 мин [60].

Биологические загрязнители, такие как вредные бактерии и цветение водорослей, вызванные неконтролируемым сбросом сточных вод, являются другими видами загрязнителей воды. Jiang et al. сообщили об электрохимической системе очистки воды SP на основе аркообразного ТЭНа для очистки сточных вод от водорослей и стерилизации [61]. За счет извлечения энергии водных волн большинство обработанных бактерицидами и водорослями очищалось произведенным Cl ₂ и восстановленным оксидом графена. При использовании SPES была достигнута высокая эффективность удаления трех модельных бактерий и смешанных морских водорослей.

Загрязнение воздуха, включая мелкодисперсные твердые частицы (ТЧ) и газообразные загрязнители, является серьезным токсичным веществом, вызываемым деятельностью человека. Как правило, воздействие загрязнения воздуха связано со многими хроническими заболеваниями, такими как легочные и сердечно-сосудистые заболевания [62]. Для очистки PM 2.5 Guo et al. сообщили о трибоэлектрическом генераторе отрицательных аэроионов SP, работающем от TENG [63]. При питании от TENG напряжение на электродах из углеродного волокна превышало 2 000 В, что можно было использовать для образования отрицательных аэроионов в этих электродах (рис. 2h).Для демонстрации способности очищать PM 2,5 были получены NAI с использованием MSNG размером с ладонь, и PM 2,5 с начальной концентрацией 999 мкМ г м ^-3 был быстро уменьшен до 0 мкМ г м ^-3 за 80 с при 0,25 Гц. Кроме того, наблюдаемые процессы очистки тяжелого смога показаны на рисунках 2 (i) и 2 (j), которые продемонстрировали высокую эффективность MSNG для продувки воздухом.

Первичные загрязняющие вещества в виде газообразных загрязняющих веществ возникают в результате прямого выброса исходных загрязняющих веществ в атмосферу из источника, в основном включая оксисульфид, оксинитрид и органические соединения [64].Для удаления диоксида серы (SO ₂ ) и пыли Chen et al. сообщили о системе очистки воздуха СП на основе роторного ТЭНа [65]. Приводимый природным ветром, вращающийся TENG генерировал высокое напряжение около 300 В, которое подавалось для электрохимического окисления SO ₂ без побочных продуктов, таких как озон и NOx, чем при обычном электростатическом осаждении. Для очистки оксинитрида Han et al. предложена система поглощения и деградации SP NO _X на основе системы TENG в форме радиального двигателя [66].Собирая энергию победы, система SP синхронно добивалась удаления NO _X . Для очистки от формальдегида в помещении Feng et al. продемонстрировали электростатический фильтр SP путем интеграции TENG с технологией фотокатализа [67]. В этой работе одноэлектродный TENG использовался в качестве источника питания для создания сильного электрического поля в фильтрующей сети. Следовательно, было продемонстрировано, что электростатический фильтр SP очищает формальдегид как за счет эффекта электростатической адсорбции, вызванного TENG, так и за счет увеличения фотокаталитического эффекта фотокатализатора на сетях фильтров SP, где концентрация формальдегида снижается до 60% в течение 250 минут, а также увеличивается втрое эффективность было достигнуто удаление формальдегида.

3.2. Самостоятельная система электрохимического синтеза

Преобразование энергии окружающей среды в легко хранимые химические источники энергии, такие как водород и муравьиная кислота, привлекло внимание общественности как альтернативная технология для обеспечения экологически чистого и устойчивого энергоснабжения [68]. Как правило, процесс производства чистого топлива требует внешнего источника энергии, где для производства чистого топлива применялись возобновляемые источники энергии, такие как солнечная, ветровая, геотермальная и гидроэнергетика, а также углекислый газ и вода [69].Благодаря способности собирать окружающую механическую энергию, электрохимическая система SP на основе TENG была продемонстрирована как перспективная технология для получения чистого топлива [70–73]. Tang et al. впервые предложил полностью SP систему разделения воды для производства водорода [74], которая объединяет вращающийся ТЭНГ с блоком разделения воды (Рисунки 3 (a) и 3 (b)). При приводе в действие вращающимся TENG с частотой 10 Гц степень производства водорода составляла не менее ^-1 мл в 30% (мас.) Растворе гидроксида калия.Как показано, в электроде наблюдались явные пузыри (Рисунки 3 (c) и 3 (d)). Для повышения скорости производства водорода внедрение гибридной ячейки для увеличения выходной мощности системы разделения воды SP является многообещающей стратегией [75]. Ян и др. спроектировали систему разделения воды SP на основе гибридной энергетической ячейки, в которой скорость производства водорода была увеличена до мл с ^-1 [76].

Как другой тип чистого топлива, муравьиная кислота с характеристиками высокой объемной емкости, низкой токсичности и воспламеняемости в условиях окружающей среды привлекла большое внимание [77].Leung et al. представили систему сокращения выбросов углекислого газа SP, которая собирает энергию из океанской волны для преобразования углекислого газа в муравьиную кислоту (рис. 3 (е)) [78]. При оптимальном значении напряжения разряда (2,4 В) для каждого цикла система реализовала почти 100% -ную фарадеевскую эффективность по превращению диоксида углерода в муравьиную кислоту. Управляемая TENG под моделированными волнами с площадью водной поверхности 0,04 м ² , система генерировала 2,798 мкм M муравьиной кислоты в день.

Аммиак (NH ₃ ) играет решающую роль в производстве продуктов питания, промышленном производстве и является предсказуемым идеальным носителем энергии в будущем [79].В промышленности процесс Хабера-Боша обычно используется для производства NH ₃ при наличии водорода и внешнего источника энергии, где из-за суровых условий увеличивается стоимость производства [80]. Благодаря управляемой работе в мягких условиях с использованием механической энергии с помощью TENG, система электрокаталитического синтеза NH ₃ SP на основе TENG представляет собой многообещающий кандидат для преобразования N ₂ в NH ₃ . Gao et al. сообщили об устойчивой безметалловой производственной системе NH ₃ SP, основанной на многослойном напорном TENG с помощью технологии 3D-печати, которая может эффективно преобразовывать N ₂ в NH ₃ [81].Максимальная удельная мощность 6,7 Вт м ^-2 была реализована с помощью печатного TENG, который использовался для производства NH ₃ . Используя углеродные материалы из меламиновой губки в качестве безметаллового электрокатализатора, собранная производственная система SP NH ₃ может достичь выхода NH ₃ 36,41 мкм г в час ^-1 мг ^-1 _кат. . Введя высокопроизводительную конфигурацию с двумя TENG, Хан и др. сконструировал SP электрокаталитическую систему синтеза NH ₃ для одновременного достижения азотфиксации и электрокаталитического восстановления с воздухом в качестве источника N ₂ [82].Система электрокаталитического синтеза NH ₃ в основном состояла из трех частей, включая ТЭНГ-1, игольную пластину и ТЭНГ-2. В частности, TENG-1 использовался для выработки высокого напряжения, игольная пластина использовалась для фиксации азота и образования NO _X , который затем перетекал в резервуар для воды с образованием NO ₃ ^— и NO ₂ ^— , и TENG-2 использовался для генерации импульсного постоянного тока, который запускал реакцию производства аммиака (Рисунки 3 (f) и 3 (g)).Управляемое потоком газа, было достигнуто высокое напряжение 7 кВ, подаваемое TENG-1, и выходная мощность 3,1 В и 8,9 мА для реакции ячейки, подаваемой TENG-2, соответственно (рис. 3h). При использовании системы электрокаталитического синтеза NH ₃ SP на основе вышеупомянутого двойного TENG, 2,4 мк г ч ^-1 NH ₃ было успешно синтезировано (рис. 3 (i) и 3 (j)).

Помимо вышеупомянутых работ, некоторые другие SPES, такие как система электрохимического окисления SP и система электроосаждения SP, также были разработаны для электрохимического синтеза [83–86].Zheng et al. сообщили о системе электрохимического окисления SP на основе сконструированного сшитого TENG для синтеза полианилина [85]. Что касается поперечно-сшитого TENG, была достигнута высокая емкость 69,9 мк A и 845,6 В. За счет сбора энергии вибрации система электрохимического окисления SP использовалась в качестве источника электроэнергии для преобразования ароматических аминов в полианилин. Wang et al. создали автономную систему электроосаждения для синтеза полипиррола, где полипиррол в качестве электродного материала TENG был произведен компанией TENG [86].

3.3. Система электрохимических датчиков с автономным питанием

На основе TENG было предложено множество электрохимических датчиков SP для обнаружения химических веществ. По механизму зондирования электрохимический сенсор SP можно разделить на два типа, включая электрохимический пассивный сенсор SP и электрохимический активный сенсор SP [47, 87].

Пассивный электрохимический датчик

SP заключается в том, что обычные датчики приводятся в действие TENG для сбора механической энергии из окружающей среды.Zhang et al. предложили биосенсор глюкозы SP на основе контактно-разделительного типа TENG в сочетании с литий-ионным аккумулятором [88]. Гибкий TENG, изготовленный из узорчатой ​​пленки из полидиметилсилоксана (PDMS), может извлекать энергию из движения хлопка в ладоши; таким образом, батарея с повышенным зарядным напряжением с 400 мВ до 800 мВ была получена через более чем два часа, что было успешно продемонстрировано для питания биосенсора глюкозы. Стремясь добровольно контролировать качество воды, Bai et al. сообщили о системе обнаружения SP, которая может преобразовывать энергию водных волн в электричество на основе тандемного диска TENG [89].Благодаря радиальной решетчатой ​​дисковой конструкции с качающимися блоками массы тандемный диск TENG, приводимый в движение волнами на воде, может осуществлять преобразование низкочастотных движений водных волн в высокочастотный выходной сигнал; таким образом, была достигнута средняя плотность мощности 7,3 Вт · м ^-3 . Благодаря выпрямлению и хранению энергии электричество, производимое TENG, можно использовать для управления электроникой для контроля качества воды.

Что касается электрохимического активного датчика SP, TENG разработан для активной генерации электрического сигнала для ответа на стимуляцию химических молекул или факторов окружающей среды, таких как этанол, фенол, катехин и pH, где выходные характеристики TENG и цели показывают линейная зависимость [51, 90–92].Zhang et al. продемонстрировали сенсоры SP на основе ТЭНов, изготовленных из полиамидной (PA) пленки и политетрафторэтиленовой (PTFE) пленки для обнаружения жидкого / газообразного этанола [90]. TENG в основном состоял из двух пластин, на которых слой пленки PA или PTFE был наклеен на медную фольгу в качестве заднего электрода, а алюминиевая фольга, модифицированная нанопорами, использовалась в качестве трибоэлектрического электрода. Из-за степени смачиваемости пленок ПА и ПТФЭ этанолом выходное напряжение датчика SP логарифмически уменьшалось с увеличением концентрации этанольных растворов с 20% до 80%, а также выходной сигнал уменьшался с увеличением этанола. концентрация газа от 40% до 80%.Lin et al. предложили ТЭН с разделением контактов в качестве наносенсора SP для обнаружения катехинов [91]. Для этого TENG, пленка PTFE и слой массива наноматериалов TiO ₂ (нанопроволока и нанолист) использовались в качестве пары трибоэлектрических материалов. Благодаря сильному взаимодействию между атомами Ti наноматериала TiO ₂ и ендиольной группой катехина были достигнуты высокая чувствительность (предел обнаружения 5 мкм M) и линейный диапазон от 10 M до 0,5 мМ наносенсора SP. демонстрируя большой потенциал для определения концентраций катехинов в реальных образцах.Wu et al. сообщили о трибоэлектрическом датчике SP, основанном на скользящем типе TENG, для определения значения pH от периодического движения контакта / разделения [92]. Для трибоэлектрического датчика SP была разработана вилко-пальцевая конструкция, состоящая в основном из фторированной этилен-пропиленовой пленки (FEP) и металлических электродов. Возвратно-поступательное движение между трибоэлектрическим датчиком SP и буферным раствором приводило к переносу заряда между соседними нижними медными электродами, создавая переменное напряжение во внешней цепи. Выходное напряжение трибоэлектрического датчика SP увеличивается с увеличением значения pH из-за увеличения концентрации ионов.Следовательно, значение pH буферного раствора можно активно контролировать в режиме реального времени, считывая выходное напряжение. Ли и др. предложили активный сенсор SP для мониторинга ионов Hg ²⁺ на основе TENG, в котором в качестве распознающего элемента использовались наночастицы золота, модифицированные 3-меркаптопропионовой кислотой [93]. В этой системе использовался ТЭН с разделением контактов, который показал слоистую структуру на основе двух пластин (рис. 4 (а)). Выходные характеристики TENG и концентрация ионов Hg ²⁺ демонстрируют линейную зависимость, поскольку разность химических потенциалов между различными трибоэлектрическими слоями определяет эффекты трибоэлектрификации.Как показано на вставке к рисунку 4 (b), выходные характеристики TENG снижались с повышением концентрации ионов Hg ²⁺ , где коэффициент тока короткого замыкания был пропорционален концентрации ионов Hg ²⁺ . в диапазоне от 100 нМ до 5 000 нМ. Из-за высокой селективности 3-меркаптопропионовой кислоты по отношению к ионам Hg ²⁺ ион Hg ²⁺ может быть определенно обнаружен с помощью предлагаемой сенсорной системы (рис. 4 (b)). Jie et al. продемонстрировали трибоэлектрический датчик SP для мониторинга дофамина в щелочных условиях на основе TENG, который состоял из ПТФЭ с массивами наночастиц и алюминиевой пленкой (рисунки 4 (c) и 4 (d)) [94].Так как наностик ПТФЭ демонстрирует сильное взаимодействие с дофамином, выходные характеристики TENG были обратно пропорциональны концентрации дофамина в диапазоне 10 мкМ M-1 000 мкл M (Рисунок 4 (e)) . В данной работе предел обнаружения дофамина составил 0,5 мкМ M, что позволило предложить эффективное средство электрохимического сенсора SP для обнаружения дофамина. Wen et al. представила газовый датчик SP на основе выдувного ТЭНа, в котором применялся вращающийся ТЭН, как показано на Рисунке 4 (f) [95].Изображение анализатора дыхания SP показано на Рисунке 4 (g). При продувке через рот выходное напряжение датчика было пропорционально только концентрации спирта в потоке воздуха (рис. 4 (h)). На основе выдувного TENG активный анализатор алкоголя в выдыхаемом воздухе показал высокую чувствительность детектируемого газа ~ 34 в оптимизированных условиях. Кроме того, когда TENG с выдувным приводом был взорван тестером без употребления алкоголя, падение напряжения на датчике было почти нулевым из-за низкого сопротивления датчика (рис. 4 (i)).В то время как воздушный поток тестера, пропущенный через датчик, будет генерироваться повышенное напряжение и, таким образом, может вызвать срабатывание системы предупреждения (рис. 4 (j)), что было вызвано резко увеличившимся сопротивлением датчика в датчике. выдыхаемый пары спирта.

3.4. Электрохромная система с автономным питанием

Электрохромные устройства могут обратимо изменять свои оптические свойства за счет электрохимической окислительно-восстановительной реакции под действием внешнего электрического поля [96]. Примененный TENG в качестве источника электроэнергии для обеспечения постоянного напряжения, электрохромное устройство SP было реализовано для замены батарей, что обеспечивает многообещающее устойчивое энергетическое решение [97, 98].

Управляемый двухрежимным TENG для сбора энергии ветра и дождевых капель, Yeh et al. реализована система умных окон SP [99]. Двухрежимный TENG включал одноэлектродный TENG в верхней части интеллектуального окна SP для сбора энергии от движений капель дождя и контактный TENG, собранный с помощью упругих пружин под вышеупомянутым одноэлектродным TENG для сбора энергии от энергия ветра. Оба TENG состояли из тонкой пленки PDMS, приклеенной к проводящей подложке, которая была приклеена к электрохромному устройству с подложкой для изготовления системы SP (рис. 5 (а)).Электрохромное устройство в основном состояло из наночастиц берлинской сини (PB) и нанокубов гексацианоферрата цинка (ZnHCF) в качестве электрохромного материала и слоя накопления ионов. С помощью фотолитографии и процесса формования по шаблону пленка PDMS имеет структуру пирамидального массива с микрорельефом для улучшения гидрофобных свойств и увеличения площади контакта поверхности. Благодаря двойному TENG коэффициент пропускания электрохромного элемента претерпевал обратимые изменения. Чтобы получить более интуитивное представление об изменении оптических свойств, коэффициент пропускания электрохромного устройства был измерен от 400 до 800 нм как до, так и после процесса окрашивания.Как показано на Рисунке 5 (b), коэффициент пропускания снизился во всем диапазоне во время процесса окрашивания, и наибольшее изменение было обнаружено на длине волны 695 нм, в то время как коэффициент пропускания снизился с 53,5% до 20,9%. Эти изменения пропускания можно наблюдать с помощью визуализации, когда цвет электрохромного устройства изменился с прозрачного в обесцвеченном состоянии на темно-синий в окрашенном состоянии (рис. 5 (c)). В этой работе 32,4% максимального изменения коэффициента пропускания было достигнуто на длине волны 695 нм, что близко к значению 32.6% от обычного электрохимического источника питания.

Ян и др. сообщили об электрохромном устройстве на основе WO ₃ , интегрированном с TENG, для изготовления электрохромного устройства SP [100]. Электрохромное устройство SP имело многослойную структуру, которая показана на рисунке 5 (d). В качестве подложки использовалось товарное стекло, на котором в качестве электродов использовался слой тонких пленок FTO. Сопротивление листа и коэффициент пропускания пленки FTO составляли 35-45 Ом на кв.и 80% соответственно. Между двумя электродами находился ряд ячеек и слой пленки WO ₃ (рис. 5 (е)), а расстояние между двумя электродами составляло около 20 мм. Ячейки были заполнены полиэлектролитом, а пленка WO ₃ имела толщину около 250 нм, которая представляла собой плотно упакованные наночастицы. Как показано на Рисунке 5 (f), полностью упакованное электрохромное устройство SP все еще имело коэффициент пропускания более 70%. Как показано на Рисунке 5 (g), при питании от TENG, коэффициент пропускания электрохромной ячейки снижался в процессе окрашивания (Рисунок 5 (g), (I)).Когда соединение реверсивного переключателя было изменено, электрохромная ячейка вернулась к прозрачности (рис. 5 (g), (II)). По сравнению с электрохромным устройством SP, коэффициент пропускания устройства значительно снизился, и относительно стабильная разница в 17% сохранялась для длины волны в диапазоне от 450 до 650 нм (рис. 5 (h)), что указывает на чувствительность и применимо к широкому диапазону длин волн света.

Для эффективного сбора акустической энергии Qiu et al. интегрированный ТЭН с сэндвич-структурой с электрохромным устройством для обратимого изменения цвета [101].TENG состоял из трех слоев, включая пену Cu, нановолокно из поливинилиденфторида (PVDF) и нейлоновую ткань. Между нейлоновой тканью и нановолокнами PVDF был толстый разделительный слой, чтобы создать большую пространственную вибрацию для мембраны. Управляемый звуком, для разработанного TENG были достигнуты высокие выходы 25,01 мА · м ^-2 и 20,91 мк C s ^-1 . Высокая производительность TENG позволила ему питать электрохромное устройство. В этой системе реверсивные переключатели контролировали процесс окисления и восстановления и, таким образом, контролировали изменение цвета.Под действием TENG цвет электрохромной пленки менялся с прозрачного белого на темно-синий, что контролировалось переключателем.

3.5. Автономная антикоррозионная система

Коррозия материалов — давняя проблема во многих инженерных приложениях [102]. Катодная защита — один из самых надежных методов защиты материалов от коррозии, который включает в себя систему катодной защиты протекторного анода (SACPS) и систему катодной защиты наложенным током (ICCPS) [103–105].В отличие от SACPS, ICCPS может защищать сталь катодным током от источника постоянного тока без какого-либо ущерба для электродных материалов [106]. Однако требование внешнего электроснабжения ограничивает его практическое применение. Для решения этой проблемы многие работы были сосредоточены на антикоррозионной системе SP путем интеграции TENG с химической антикоррозионной защитой [107–111].

Wang et al. реализовал антикоррозионную систему SP для стального листа, приводимую в действие высокоэффективным TENG [112].Используя изготовленные наноструктуры и метод инжекции предварительного заряда, плотности заряда были улучшены на 48% и 53% соответственно. Схематическое изображение антикоррозионной системы SP показано на рисунке 6 (а). С целью изучения влияния антикоррозионной системы SP ионная сталь была пропитана 3,5% -ным раствором NaCl в течение 2 часов, и соответствующая морфология поверхности показана на рисунке 6 (b). Как показано, при использовании TENG практически не наблюдалось изменений в листе железа, в то время как тонкая пленка ржавчины образовывалась без TENG.Этот результат показал хорошие антикоррозионные свойства системы SP, которая показала хорошие перспективы защиты материалов от ржавчины с низкими затратами энергии.

Учитывая, что коррозия металла более вероятна в условиях окружающей среды океана, Li et al. разработал систему SP на основе сетевого ТЭНГ и суперконденсатора для преобразования водяной волны в электричество для защиты металлов от коррозии [113]. Чтобы получить стабильный и непрерывный выход, гибкий TENG интегрирован с гибким двухслойным суперконденсатором для сбора энергии волны и последующего накопления энергии в суперконденсаторе.Структура и рабочий механизм системы SP показаны на Рисунке 6 (c). Управляемая водной волной в условиях 0,2 м с ^-1 и 1 Гц, защищенные стали, вводимые в электроны, исходят от TENG, что приводит к катодной поляризации. В этой работе снижение потенциала стального электрода с -0,35 В до -0,6 В показало, что сталь стала более стабильной в защите разработанной системы SP. При погружении в раствор хлорида натрия с концентрацией 0,5 М на стали остался тонкий слой ржавчины без защиты системы SP, а при работе системы SP на стали было несколько коррозионных ямок (Рисунок 6 (Рис. г)).Эти результаты продемонстрировали, что система SP значительно снизила скорость коррозии, что можно было использовать при морской коррозии.

Zhu et al. разработал систему катодной защиты SP на основе гибкого TENG, который может собирать энергию от естественных капель дождя и ветра для управления процессом катодной защиты [110]. TENG с разделением контактов в основном состоял из пленки PDMS и ITO, которые действовали как пара трибоэлектрических слоев (рис. 6 (е)). Принципиальная схема системы катодной защиты металлической поверхности SP показана на Рисунке 6 (f).При стимуляции с частотой 1 Гц выходной ток TENG составлял более 130 мк А, а напряжение достигало около 500 В. В этой системе катодной защиты SP защищенный металл, который был погружен в электролит, действовал как катод, а в качестве анода использовался угольный стержень. Результаты сравнения оставшихся образцов с системой катодной защиты SP и без нее показаны на рисунке 6 (g). Для образцов, защищенных системой катодной защиты SP, на поверхности образцов появилось несколько серых распределительных областей.Эти области увеличиваются с увеличением коррозии, но на этих образцах не наблюдалось видимой коррозии. Что касается образца без системы катодной защиты SP с питанием от TENG, на трех поверхностях образцов были обнаружены многочисленные коррозионные ямки, а на образце, который подвергся коррозии в имитирующем электролите в течение 72 часов, возникли более крупные ямки.

4. Резюме и перспективы

Электрохимия внесла потрясающие изменения в нашу жизнь и стала технологией для производства и исследований во многих областях.Наиболее многообещающей стратегией является объединение электрохимической системы с TENG для формирования SPES для снятия ограничения внешнего источника питания для электрохимической операции. В соответствии с последними достижениями, SPES можно разделить на пять основных областей, включая обработку загрязняющих веществ, электрохимический синтез, электрохимический сенсор, электрохромную реакцию и антикоррозию металлов, соответственно. Несмотря на то, что в исследованиях SPES был достигнут значительный прогресс, для дальнейшего развития этой области необходимо решить следующие вопросы: (1) Высокая выходная мощность и долговечность TENG .Выходная мощность и долговечность TENG — два ключевых момента для достижения высокой производительности SPES. Для улучшения выходной мощности TENG предлагается дальнейшее повышение плотности поверхностного заряда и широкомасштабная интеграция существующих методов. Для повышения долговечности TENG, введение жидкостной смазки на границе раздела [114] и разработка материалов с наиболее надежной механической прочностью и стабильностью могут быть многообещающими стратегиями (2) Power Circuit Management of TENG . TENG имеет характеристики высокого выходного напряжения и низкого выходного тока, в то время как производительность электрохимического процесса демонстрирует положительную корреляцию с плотностью тока и отрицательное влияние, такое как эффект пассивного электрода и вторичная реакция, вызванная высоким потенциалом.Для достижения высокой производительности SPES очень желательно, чтобы управление силовой цепью TENG соответствовало соответствующему электрохимическому процессу. (3) Уменьшение пассивного состояния электрода имеет решающее значение для продления срока службы электродов, повышения электрохимической эффективности и обеспечения стабильной работы. Сообщается, что TENG с импульсным выходным сигналом снижает пассивный эффект электрода; однако наложение фаз TENG, вызванное множеством параллельных электродов, затрудняет реализацию тока полной формы импульса.Следовательно, рациональное проектирование структуры TENG, такое как регулировка отношения углов между центрами вращения между каждым вращателем и статором для получения тока полной формы импульса, будет многообещающей стратегией для оптимизации процессов SPES. Сообщалось, что переменный ток обладает многими достоинствами, такими как более низкое потребление энергии, улучшенная характеристика массопереноса и отложенная пассивация электродов по сравнению с постоянным током в электрохимической системе [115]; таким образом, использование переменного тока TENG для создания системы электродов SP является другим методом уменьшения пассивного электрода и улучшения электрохимических характеристик. (4) Электрод играет ключевую роль в электрохимической реакции.Следовательно, материалы электродов являются наиболее важными факторами, определяющими свойства электрохимической реакции. Новые электродные материалы, такие как наноразмерные электродные материалы и металлоорганические каркасные материалы, обладающие высокой проводимостью, высокой удельной площадью поверхности, высокой активностью и циклической стабильностью, должны быть подготовлены для дальнейшего повышения производительности SPES (5) Новое приложение SPES . Благодаря улучшенным характеристикам TENG, его можно использовать в качестве источника электроэнергии для питания некоторых новых электрохимических реакций, таких как электрокоагуляция для удаления масла из воды, электродиализ для опреснения и повторного использования воды, а также электрофорез для разделения белка для создания SPES для преодоления проблема внешнего источника питания.Помимо традиционной электрохимии, основанной на электролитической ячейке, которая требует высокой плотности тока, взаимосвязь электрического и химического воздействия также может быть реализована с помощью электростатического разряда высокого напряжения. Используя TENG, на самом деле довольно легко добиться электростатического разряда высокого напряжения. Таким образом, интеграция TENG с электрохимической системой для создания электрохимической системы разряда SP для удаления загрязняющих веществ, таких как PM [63], открывает новые горизонты для ее применения.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Вклад авторов

Линлин Чжоу и Ди Лю внесли равный вклад в эту работу.

Благодарности

Этот обзор был поддержан Национальным ключевым научно-исследовательским проектом Министерства науки и технологий (2016YFA0202701), Национальным фондом естественных наук Китая (гранты №№ 61774016, 21773009, 51432005, 5151101243 и 51561145021), а также Пекинская муниципальная комиссия по науке и технологиям (Z171100000317001, Z171100002017017 и Y3993113DF).

Двойные электродные системы с решеткой микроэлектродов для электрохимических измерений

Ссылки

Aguiar, F. A .; Галлант, А. Дж .; Розамонд, М. С .; Rhodes, A .; Wood, D .; Катаки, Р. Матрицы конических утопленных золотых микроэлектродов, полученные с помощью фотолитографических методов: характеристика и причины. Electrochem. Commun. 2007 , 9 , 879–885. Поиск в Google Scholar

Aguiar, F. A .; Розамонд, М. С .; Wood, D .; Катаки, Р.На пути к многофункциональным решеткам микроэлектродов. Analyst 2008 , 133 , 1060–1063. Поиск в Google Scholar

Amatore, C .; Savéant, J.M .; Тессье, Д. Перенос заряда на частично заблокированных поверхностях: модель для микроскопических активных и неактивных сайтов. J. Electroanal. Chem. Interfacial Electrochem. 1983 , 147 , 39–51. Искать в Google Scholar

Aoki, K .; Morita, M .; Niwa, O .; Табей, Х. Количественный анализ регулируемых обратимой диффузией токов редокс-растворимых веществ на встречно-штыревых электродах в стационарных условиях. J. Electroanal. Chem. 1988 , 256 , 269–282. Искать в Google Scholar

Aoki, A .; Matsue, T .; Учида, И. Электрохимический отклик на электродах микрочипов в проточных потоках и определение катехоламинов. Анал. Chem. 1990 , 62 , 2206–2210. Поиск в Google Scholar

Bard, A. J .; Crayston, J. A .; Киттлесен, Г. П .; Varco Shea, T .; Райтон, М.С. Цифровое моделирование измеренного электрохимического отклика обратимых окислительно-восстановительных пар на решетках микроэлектродов: последствия, возникающие из-за близко расположенных ультрамикроэлектродов. Анал. Chem. 1986 , 58 , 2321–2331. Поиск в Google Scholar

Bard, A. J .; Fan, F. R. F .; Kwak, J .; Лев, О. Сканирующая электрохимическая микроскопия. Введение и принципы. Анал. Chem. 1989 , 61 , 132–138. Искать в Google Scholar

Barnes, E. O .; Льюис, Г. Э. М .; Dale, S. E. C .; Marken, F .; Комптон, Р.Г. Двойные электродные системы генератор-коллектор: обзор. Аналитик 2012 , 137 , 1068–1081.Искать в Google Scholar

Bartlett, P. N .; Тейлор, С. Л. Точная имитационная модель микродисков для утопленных микродисковых электродов. J. Electroanal. Chem. 1998 , 453 , 49–60. Искать в Google Scholar

Basha, C. A .; Раджендран, Л. Теории ультрамикродисковых электродов: обзорная статья. Внутр. J. Electrochem. Sc. 2006 , 1 , 268–282. Искать в Google Scholar

Ben-Amor, S .; Vanhove, E .; Белаиди, Ф.S .; Шарло, С .; Colin, D .; Rigoulet, M .; Девин, А .; Sojic, N .; Launay, J .; Temple-Boyer, P .; Арбо, С. Улучшенное обнаружение перекиси водорода с помощью платинированных массивов микроэлектродов для анализа активности митохондрий. Электрохим. Acta 2014 , 126 , 171–178. Поиск в Google Scholar

Buss, G .; Schoning, M. J .; Luth, H .; Шульце, Дж. У. Модификации и характеристики массива микроэлектродов на основе кремния. Электрохим. Acta 1999 , 44 , 3899–3910.Искать в Google Scholar

Bustin, D .; Mesaros, S .; Tomčík, P .; Rievaj, M .; Тварозек, В. Применение повышенного тока окислительно-восстановительного цикла на встречно-гребенчатом электроде для определения следов железа в сверхчистом спектральном углероде. Анал. Чим. Acta 1995 , 305 , 121–125. Искать в Google Scholar

Bustin, D .; Юрса, С .; Томчик, П. Титрование электрогенерированными галогенами в диффузионном слое встречно-штыревой матрицы микроэлектродов. Аналитик 1996 , 121 , 1795–1799.Искать в Google Scholar

Cahill, P. S .; Уокер, К. Д.; Finnegan, J.M .; Mickelson, G.E .; Travis, E. R .; Вайтман, Р. М. Микроэлектроды для измерения катехоламинов в биологических системах. Анал. Chem. 1996 , 68 , 3180–3186. Искать в Google Scholar

ChenMing, L .; HongBin, C .; YuPing, L .; Йи, З. Применение метода амперометрии с тройным потенциалом для количественного электроанализа. Подбородок. Sci. Бык. 2007 , 52 , 2771–2774.Искать в Google Scholar

Chidsey, C.E .; Feldman, B.J .; Lundgren, C .; Мюррей, Р. В. Платиновый встречно-гребенчатый электрод с микрометровыми интервалами: изготовление, теория и начальное использование. Анал. Chem. 1986 , 58 , 601–607. Искать в Google Scholar

Chow, K. F .; Mavre, F .; Crooks, J. A .; Chang, B. Y .; Крукс, Р. М. Крупномасштабный беспроводной электрохимический биполярный электродный микрочип. JACS 2009 , 131 , 8364–8365.Искать в Google Scholar

Dam, V.A.T .; Olthuis, W .; ван ден Берг, А. Редокс-циклирование с встречно-штыревыми матричными электродами как метод селективного обнаружения редокс-видов. Аналитик 2007 , 132 , 365–370. Поиск в Google Scholar

Davies, T. J .; Комптон, Р. Г. Циклическая и линейная вольтамперометрия регулярных и случайных массивов микродисковых электродов: теория. J. Electroanal. Chem. 2005 , 585 , 63–82.Искать в Google Scholar

Davies, T. J .; Ward-Jones, S .; Бэнкс, К. Э .; дель Кампо, Дж .; Mas, R .; Munoz, F. X .; Комптон, Р. Г. Циклическая и линейная вольтамперометрия регулярных массивов микродисковых электродов: подгонка экспериментальных данных. J. Electroanal. Chem. 2005 , 585 , 51–62. Поиск в Google Scholar

del Campo, F. J .; Абад, Л .; Illa, X .; Prats-Alfonso, E .; Borrise, X .; Cirera, J.M .; Bai, H. Y .; Цай, Ю. С. Определение констант скорости гетерогенного переноса электронов на встречно-штыревых нанополосных электродах, изготовленных методом оптического согласования. Сенсорный привод B-Chem. 2014 , 194 , 86–95. Искать в Google Scholar

Engstrom, R.C .; Штрассер, В. А. Характеристика электрохимически предварительно обработанных стеклоуглеродных электродов. Анал. Chem. 1984 , 56 , 136–141. Искать в Google Scholar

Fagan, D. T .; Ху, И. Ф .; Кувана, Т. Вакуумная термообработка для активации стеклоуглеродных электродов. Анал. Chem. 1985 , 57 , 2759–2763.Искать в Google Scholar

Feeney, R .; Кунавес, С. П. Микро-сборные матрицы ультрамикроэлектродов: разработки, достижения и применения в анализе окружающей среды. Электроанализ 2000 , 12 , 677–684. Искать в Google Scholar

Feeney, R .; Herdan, J .; Nolan, M. A .; Tan, S. H .; Тарасов, В. В .; Кунавес, С. П. Аналитическая характеристика микролитографически изготовленных матриц ультрамикроэлектродов на основе иридия. Электроанализ 1998 , 10 , 89–93.Искать в Google Scholar

Feldman, B.J .; Feldberg, S.W .; Мюррей, Р. В. Электрохимический эксперимент по времени пролета. J. Phys. Chem. 1987 , 91 , 6558–6560. Поиск в Google Scholar

Fiaccabrino, G.C .; Куделка-Хеп М. Тонкопленочное микропроизводство электрохимических преобразователей. Электроанализ 1998 , 10 , 217–222. Искать в Google Scholar

Goluch, E.D .; Wolfrum, B .; Сингх, П. С .; Зевенберген, М.A. G .; Lemay, S.G. Редокс-циклирование в наножидкостных каналах с использованием встречно-штыревых электродов. Анал. Биоанал. Chem. 2009 , 394 , 447–456. Поиск в Google Scholar

Guo, J. D .; Линднер, Э. Циклические вольтамперограммы на компланарных и неглубоких утопленных массивах электродов микродисков: руководство по проектированию и эксперименту. Анал. Chem. 2009 , 81 , 130–138. Поиск в Google Scholar

Hasnat, M. A .; Гросс, А. Дж .; Дейл, С.E .; Barnes, E. O .; Compton, R.G .; Маркен, Ф. Двухпластинчатый датчик микротраншеи генератора-коллектора ITO-ITO: активация поверхности, пространственное разделение и подавление необратимых помех кислорода и аскорбата. Аналитик 2014 , 139 , 569–575. Поиск в Google Scholar

Hayashi, K .; Iwasaki, Y .; Horiuchi, T .; Sunagawa, K .; Тейт, А. Селективное обнаружение катехоламина против электроактивных помех с использованием встречно-штыревого гетерометричного электрода, состоящего из металлооксидного электрода и металлического ленточного электрода. Анал. Chem. 2005 , 77 , 5236–5242. Искать в Google Scholar

Hayashi, K .; Takahashi, J.-I .; Horiuchi, T .; Iwasaki, Y .; Хага, Т. Разработка наноразмерного встречно-гребенчатого электрода в качестве платформы электрохимического датчика для высокочувствительного обнаружения биомолекул. J. Electrochem. Soc. 2008 , 155 , J240–J243. Искать в Google Scholar

Horiuchi, T .; Niwa, O .; Morita, M .; Табей, Х. Количественный анализ установившихся токов обратимых окислительно-восстановительных частиц на матричном электроде микродисков, встроенном в поверхностный электрод. J. Electroanal. Chem. 1990 , 295 , 25–40. Искать в Google Scholar

Horiuchi, T .; Niwa, O .; Morita, M .; Табей, Х. Ограничение увеличения тока за счет самоиндуцированного окислительно-восстановительного цикла на микромакро-двойном электроде. J. Electrochem. Soc. 1991 , 138 , 3549–3553. Искать в Google Scholar

Horiuchi, T .; Niwa, O .; Morita, M .; Табей, Х. Десорбционная вольтамперометрия обратимых окислительно-восстановительных соединений путем самоиндуцированного окислительно-восстановительного цикла. Анал. Chem. 1992 , 64 , 3206–3208. Поиск в Google Scholar

Hu, M. J .; Фрич, И. Поведение окислительно-восстановительного цикла индивидуальных и бинарных смесей катехоламинов на массивах золотых микрополосных электродов. Анал. Chem. 2015 , 87 , 2029–2032. Поиск в Google Scholar

Huang, X. J .; O’Mahony, A.M .; Комптон, Р. Г. Матрицы микроэлектродов для электрохимии: подходы к изготовлению. Малый 2009 , 5 , 776–788.Искать в Google Scholar

Huang, X.-J .; Aldous, L .; O’ahony, A.M .; дель Кампо, Ф. Дж .; Комптон, Р. Г. К безмембранным амперометрическим газовым сенсорам: подход на основе матрицы микроэлектродов. Анал. Chem. 2010 , 82 , 5238–5245. Поиск в Google Scholar

Huske, M .; Stockmann, R .; Offenhausser, A .; Вольфрум, Б. Редокс-циклирование в нанопористых электрохимических устройствах. Nanoscale 2014 , 6 , 589–598. Искать в Google Scholar

Jia, W.-Z .; Wang, K .; Песня, Ю.-Я .; Ся, X.-H. Микроустройство типа «зонд в трубке» на основе диффузионного слоя для селективного анализа электроактивных частиц. Electrochem. Commun. 2007 , 9 , 1553–1557. Искать в Google Scholar

Kang, S .; Mathwig, K .; Лемей, С. Г. Время отклика наножидкостных электрохимических сенсоров. Lab on a Chip 2012 , 12 , 1262–1267.Поиск в Google Scholar

Kim, S.K .; Hesketh, P.J .; Li, C.M .; Томас, Дж.ЧАС.; Halsall, H.B .; Heineman, W.R. Изготовление гребенчатой ​​решетки встречно-гребенчатых электродов (IDA) для электрохимической системы анализа на основе микрошариков. Biosen. Биоэлектрон. 2004 , 20 , 887–894. Искать в Google Scholar

Kokkinos, C .; Эконому, А .; Raptis, I .; Спелиотис, Т. Одноразовые матрицы висмутовых микроэлектродов, изготовленные литографически, для вольтамперометрического обнаружения металлических следов. Electrochem. Commun. 2011 , 13 , 391–395.Искать в Google Scholar

Kokkinos, C .; Эконому, А .; Раптис, И. Микро-изготовленные одноразовые сенсоры «лаборатория на кристалле» со встроенными матрицами висмутовых микроэлектродов для вольтамперометрического определения металлических примесей. Анал. Чим. Acta 2012 , 710 , 1–8. Искать в Google Scholar

Köster, O .; Schuhmann, W .; Vogt, H .; Моква, В. Контроль качества матриц ультра-микроэлектродов с использованием циклической вольтамперометрии, спектроскопии электрохимического импеданса и сканирующей электрохимической микроскопии. Сенсорный привод B-Chem. 2001 , 76 , 573–581. Искать в Google Scholar

Kwak, J .; Бард, А. Дж. Сканирующая электрохимическая микроскопия. Теория режима обратной связи. Анал. Chem. 1989 , 61 , 1221–1227. Поиск в Google Scholar

Lee, H.J .; Beriet, C .; Ferrigno, R .; Жиро, Х. Х. Циклическая вольтамперометрия на массиве обычных микродисковых электродов. J. Electroanal. Chem. 2001 , 502 , 138–145.Искать в Google Scholar

Liu, F .; Колесов, Г .; Паркинсон, Б. А. Время пролета электрохимии: измерения коэффициента диффузии с использованием электродов с встречно-штыревой решеткой (IDA). J. Electrochem. Soc. 2014 , 161 , h4015–h4019. Искать в Google Scholar

Loget, G .; Кун, А. Формирование и исследование микро- и наномира с помощью биполярной электрохимии. Анал. Биоанал. Chem. 2011 , 400 , 1691–1704. Искать в Google Scholar

Lowinsohn, D.; Перес, Х. Э. М .; Косминский, Л .; Paixao, T .; Ferreira, T. L .; Рамирес-Фернандес, Ф. Дж .; Бертотти, М. Дизайн и изготовление матрицы микроэлектродов для количественного определения йодата в малых объемах образцов. Сенсорный привод B-Chem. 2006 , 113 , 80–87. Искать в Google Scholar

Ma, C .; Контенто, Н. М .; Гибсон, Л. Р .; Bohn, P. W. Редокс-циклирование в массивах электродов с кольцевыми дисками и дисками, утопленных в нанометровом масштабе, для повышения электрохимической чувствительности. ACS Nano 2013 , 7 , 5483–5490.Искать в Google Scholar

Ma, C. X .; Zaino, L.P .; Bohn, P.W. Самоиндуцированная свечение, связанное с окислительно-восстановительным циклом, на дисковых биполярных электродах с разномасштабными дисками, утопленными в нанопоры. Chem. Sci. 2015 , 6 , 3173–3179. Искать в Google Scholar

Меньшыков, Д .; О Махони, А. М .; дель Кампо, Ф. Дж .; Munoz, F. X .; Комптон, Р. Г. Микромассивы дисковых электродов с кольцом в переходном режиме генератор-коллектор: теория и эксперимент. Анал. Chem. 2009 , 81 , 9372–9382.Искать в Google Scholar

Меньшыков, Д .; Cortina-Puig, M .; дель Кампо, Ф. Дж .; Munoz, F. X .; Комптон, Р. Г. Плоские утопленные дисковые электроды и их массивы в переходном режиме генератор-коллектор: измерение скорости химической реакции электрохимически генерируемых частиц. J. Electroanal. Chem. 2010 , 648 , 28–35. Поиск в Google Scholar

Moraes, F. C .; Cesarino, I .; Коэльо, Д .; Педроса, В. А .; Мачадо, С.А.С. Анализ высокочувствительных нейротрансмиттеров в матрице платина-ультрамикроэлектроды. Электроанализ 2012 , 24 , 1115–1120. Поиск в Google Scholar

Morita, M .; Ивасаки, Ю. Электрохимические измерения с встречно-гребенчатыми микроэлектродами. Curr. Сентябрь 1995 , 14 , 2–8. Поиск в Google Scholar

Nagale, M. P .; Фрич, И. Индивидуально адресуемые электродные решетки с субмикронным диапазоном. 1. Изготовление из многослойных материалов. Анал. Chem. 1998 , 70 , 2902–2907.Искать в Google Scholar

Niwa, O .; Табей, Х. Вольтамперометрические измерения обратимых и квазиобратимых окислительно-восстановительных частиц с использованием встречно-штыревых решетчатых микроэлектродов на основе углеродной пленки. Анал. Chem. 1994 , 66 , 285–289. Искать в Google Scholar

Niwa, O .; Morita, M .; Табей, Х. Изготовление и характеристики вертикально разделенных встречно-гребенчатых электродов. J. Electroanal. Chem. 1989 , 267 , 291–297.Искать в Google Scholar

Niwa, O .; Morita, M .; Табей, Х. Электрохимическое поведение обратимых окислительно-восстановительных частиц на встречно-штыревых матричных электродах с различной геометрией: рассмотрение окислительно-восстановительного цикла и эффективность сбора. Анал. Chem. 1990 , 62 , 447–452. Искать в Google Scholar

Niwa, O .; Morita, M .; Табей, Х. Высокочувствительное и селективное вольтамперометрическое обнаружение дофамина с вертикально разделенными встречно-гребенчатыми электродами. Электроанализ 1991 , 3 , 163–168. Искать в Google Scholar

Niwa, O .; Morita, M .; Табей, Х. Высокоселективное электрохимическое обнаружение дофамина с использованием встречно-гребенчатых электродов, модифицированных слоистой пленкой нафиона / полиэфирного иономера. Электроанализ 1994 , 6 , 237–243. Искать в Google Scholar

Odell, D. M .; Бойер, У. Дж. Изготовление решеток ленточных микроэлектродов из металлической фольги и термосвариваемой фторполимерной пленки. Анал. Chem. 1990 , 62 , 1619–1623. Поиск в Google Scholar

Odijk, M .; Olthuis, W .; Dam, V.A.T .; ван ден Берг, А. Моделирование явлений окислительно-восстановительного цикла на встречно-штыревых электродах (IDA): усиление и селективность. Электроанализ 2008 , 20 , 463–468. Искать в Google Scholar

Oleinick, A. I .; Battistel, D .; Daniele, S .; Свирь, И .; Аматоре, К. Простое и ясное доказательство ограничения положительной обратной связи биполярным поведением во время сканирующей электрохимической микроскопии несмещенных проводников. Анал. Chem. 2011 , 83 , 4887–4893. Искать в Google Scholar

Oleinick, A .; Zhu, F .; Yan, J .; Mao, B .; Свирь, И .; Аматоре, С. Теоретическое исследование массивов микролунок генератор-коллектор для улучшения электроаналитической селективности: применение для селективного обнаружения дофамина в присутствии аскорбиновой кислоты. ChemPhysChem 2013 , 14 , 1887–1898. Искать в Google Scholar

Oleinick, A .; Yan, J .; Мао, Б.; Свирь, И .; Аматоре, С. Теория решеток микролунок, работающих как генераторы-коллекторы на основе одного биполярного плоского электрода. ChemElectroChem 2015 , DOI: 10.1002 / celc.201500321 Поиск в Google Scholar

Ordeig, O .; Бэнкс, К. Э .; Дель Кампо, Ф. Дж .; Munoz, F. X .; Комптон, Р. Г. Электроанализ бромата, йодата и хлората на решетках платиновых микроэлектродов, модифицированных оксидом вольфрама. Электроанализ 2006a , 18 , 1672–1680.Искать в Google Scholar

Ordeig, O .; Бэнкс, К. Э .; Дэвис, Т. Дж .; Кампо, Дж .; Mas, R .; Muoz, F. X .; Комптон, Р. Г. Регулярные массивы микродисковых электродов: моделирование позволяет количественно оценить долю «мертвых» электродов. Analyst 2006b , 131 , 440–445. Поиск в Google Scholar

Ordeig, O .; дель Кампо, Дж .; Muñoz, F. X .; Бэнкс, К. Э .; Комптон, Р. Г. Электроанализ с использованием массивов электродов амперометрических микродисков. Электроанализ 2007 , 19 , 1973–1986.Искать в Google Scholar

Orozco, J .; Suarez, G .; Fernandez-Sanchez, C .; McNeil, C .; Хименес-Хоркера, С. Характеристика матриц ультрамикроэлектродов, сочетающая электрохимические методы и визуализацию оптической микроскопии. Электрохим. Acta 2007 , 53 , 729–736. Поиск в Google Scholar

Paeschke, M .; Wollenberger, U .; Köhler, C .; Lisec, T .; Schnakenberg, U .; Хинтше, Р. Свойства матриц встречно-штыревых электродов различной геометрии. Анал. Чим. Acta 1995a , 305 , 126–136. Искать в Google Scholar

Paeschke, M .; Hintsche, R .; Wollenberger, U .; Jin, W .; Шеллер, Ф. Динамический окислительно-восстановительный цикл цитохрома c. J. Electroanal. Chem. 1995b , 393 , 131–135. Искать в Google Scholar

Paixao, T .; Matos, R.C .; Бертотти, М. Титрование дипирона в диффузионном слое в фармацевтических препаратах на двухзонной электрохимической ячейке. Таланта 2003 , 61 , 725–732.Искать в Google Scholar

Pang, S .; Yan, J .; Zhu, F .; Он, Д .; Mao, B .; Oleinick, A .; Свирь, И .; Amatore, C. Новая стратегия устранения помех от механизма EC ’во время аналитических измерений, основанная на матричных микродисках с плоскими утопленными полосами. Electrochem. Commun. 2014 , 38 , 61–64. Искать в Google Scholar

Partel, S .; Kasemann, S .; Чолева, П .; Dincer, C .; Kieninger, J .; Урбан, Г. А. Новый процесс изготовления субмикронных встречно-штыревых электродов для высокочувствительного электрохимического обнаружения. Сенсорный привод B-Chem. 2014 , 205 , 193–198. Искать в Google Scholar

Penner, R.M .; Мартин, К. Р. Приготовление и электрохимическая характеристика ансамблей ультрамикроэлектродов. Анал. Chem. 1987 , 59 , 2625–2630. Искать в Google Scholar

Postlethwaite, T. A .; Hutchison, J.E .; Мюррей, Р .; Fosset, B .; Amatore, C. Взаимно-гребенчатый электрод в качестве альтернативы вращающемуся кольцево-дисковому электроду для определения продуктов реакции восстановления дикислорода. Анал. Chem. 1996 , 68 , 2951–2958. Поиск в Google Scholar

Qiao, J. X .; Luo, H. Q .; Ли, Н. Б. Электрохимическое поведение мочевой кислоты и адреналина на электрохимически активированном стеклоуглеродном электроде. Colloids Surf. B: Biointerfaces 2008 , 62 , 31–35. Поиск в Google Scholar

Rahimi, M .; Миккельсен, С. Р. Циклическая биамперометрия. Анал. Chem. 2010 , 82 , 1779–1785.Искать в Google Scholar

Rahimi, M .; Миккельсен, С. Р. Циклическая биамперометрия на штыревых микроэлектродах. Анал. Chem. 2011 , 83 , 7555–7559. Поиск в Google Scholar

Rahman, A .; Guiseppi-Elie, A. Конструктивные соображения при разработке и применении массивов микродисковых электродов (MDEA) для имплантируемых биосенсоров. Biomed. Microdevices 2009 , 11 , 701–710. Искать в Google Scholar

Ramaswamy, R.; Шеннон, С. Скрининг оптических свойств градиентов сплава Ag-Au, образованных биполярным электроосаждением, с использованием спектроскопии комбинационного рассеяния с усилением поверхности. Langmuir 2011 , 27 , 878–881. Искать в Google Scholar

Read, T. L .; Bitziou, E .; Joseph, M. B .; Macpherson, J. V. Контроль локального pH на месте с использованием дискового электрода с алмазным кольцом, легированного бором: оптимизация обнаружения тяжелых металлов (ртути). Анал. Chem. 2014 , 86 , 367–371.Искать в Google Scholar

Сайто Ю. Теоретическое исследование диффузионного тока на неподвижных электродах круглого и узкополосного типов. Ред. Полярогр. 1968 , 15 , 177–187. Искать в Google Scholar

Sanderson, D. G .; Андерсон, Л. Б. Филарные электроды: установившиеся токи и спектроэлектрохимия на сдвоенных встречно-штыревых электродах. Анал. Chem. 1985 , 57 , 2388–2393. Искать в Google Scholar

Sandison, M.E .; Anicet, N .; Glidle, A .; Купер, Дж. М. Оптимизация геометрии и пористости матриц микроэлектродов для проектирования датчиков. Анал. Chem. 2002 , 74 , 5717–5725. Искать в Google Scholar

Seddon, B.J .; Shao, Y .; Жиро, Х. Х. Печатная матрица микроэлектродов и амперометрический датчик для мониторинга окружающей среды. Электрохим. Acta 1994 , 39 , 2377–2386. Искать в Google Scholar

Suzuki, A .; Ивандини, Т.А .; Йошими, К .; Fujishima, A .; Oyama, G .; Nakazato, T .; Hattori, N .; Kitazawa, S .; Эйнага, Ю. Изготовление, характеристика и применение алмазных микроэлектродов, легированных бором, для обнаружения дофамина in vivo . Анал. Chem. 2007 , 79 , 8608–8615. Искать в Google Scholar

Tabei, H .; Horiuchi, T .; Niwa, O .; Морита, М. Высокочувствительное обнаружение обратимых видов с помощью самоиндуцированного окислительно-восстановительного цикла. J. Electroanal. Chem. 1992 , 326 , 339–343.Искать в Google Scholar

Thiagarajan, S .; Tsai, T.-H .; Чен, С.-М. Легкая модификация стеклоуглеродного электрода для одновременного определения аскорбиновой кислоты, дофамина и мочевой кислоты. Biosens. Биоэлектрон. 2009 , 24 , 2712–2715. Искать в Google Scholar

Tomčík, P. Решетки микроэлектродов с перекрывающимися диффузионными слоями в качестве электроаналитических детекторов: теория и основные приложения. Датчики 2013 , 13 , 13659–13684.Искать в Google Scholar

Tomčík, P .; Бустин, Д. Вольтамперометрическое определение йодида с использованием встречно-штыревой матрицы микроэлектродов. Fresenius J. Anal. Chem. 2001 , 371 , 562–564. Искать в Google Scholar

Tomčík, P .; Юрса, С .; Месарош, Ш .; Бустин, Д. Титрование As (III) электрогенерированным йодом в диффузионном слое встречно-штыревой матрицы микроэлектродов. J. Electroanal. Chem. 1997 , 423 , 115–118.Искать в Google Scholar

Tomčík, P .; Mesaros, S .; Бустин, Д. Титрование электрогенерированным гипобромитом в диффузионном слое встречно-штыревой матрицы микроэлектродов. Анал. Чим. Acta 1998 , 374 , 283–289. Искать в Google Scholar

Tomčík, P .; Крайчикова, М .; Бустин, Д. Определение фармацевтических лекарственных форм путем титрования диффузионного слоя на встречно-гребенчатой ​​матрице микроэлектродов. Таланта 2001 , 55 , 1065–1070.Искать в Google Scholar

Wang, K .; Xu, J.-J .; Sun, D.-C .; Wei, H .; Ся, X.-H. Селективное определение глюкозы на основе концепции электрохимического истощения электроактивных частиц в диффузионном слое. Biosens. Биоэлектрон. 2005a , 20 , 1366–1372. Искать в Google Scholar

Wang, K .; Zhang, D .; Чжоу, Т .; Ся, X. Х. Подход с двумя электродами для высокоселективного обнаружения глюкозы на основе теории диффузионного слоя: эксперименты и моделирование. Chem. Евро. J. 2005b , 11 , 1341–1347. Искать в Google Scholar

Wang, J .; Bian, C .; Тонг, Дж .; Sun, J .; Ся, С. Микросенсорный чип, интегрированный с матрицей ультрамикроэлектродов, модифицированных наночастицами золота, для улучшенного электроаналитического измерения ионов меди. Электроанализ 2013 , 25 , 1713–1721. Искать в Google Scholar

Wang, J .; Bian, C .; Тонг, Дж .; Sun, J .; Hong, W .; Xia, S. Композитный модифицированный ультрамикроэлектродный массив с уменьшенными карбоксильными наночастицами графена и палладия и его применение в биохимическом микродатчике потребности в кислороде. Электрохим. Acta 2014 , 145 , 64–70. Искать в Google Scholar

Wightman, R.M. Микровольтамперометрические электроды. Анал. Chem. 1981 , 53 , 1125A–1134A. Поиск в Google Scholar

Wightman, R.M .; May, L.J .; Майкл, А. С. Обнаружение динамики дофамина в головном мозге. Анал. Chem. 1988 , 60 , 769A–779A. Поиск в Google Scholar

Wipf, D. O .; Вайтман, Р. М.Быстрые реакции расщепления галогенароматических анион-радикалов, измеренные с помощью циклической вольтамперометрии с быстрым сканированием. J. Phys. Chem. 1989 , 93 , 4286–4291. Искать в Google Scholar

Wolfrum, B .; Зевенберген, М .; Lemay, S. Нанофлюидная окислительно-восстановительная циклическая амплификация для селективного обнаружения катехолов. Анал. Chem. 2008 , 80 , 972–977. Искать в Google Scholar

Wollenberger, U .; Paeschke, M .; Hintsche, R. Микроэлектроды с встречно-штыревой решеткой для определения активности ферментов. Аналитик. 1994 , 119 , 1245–1249. Поиск в Google Scholar

Wu, S .; Pan, D .; Ю, З .; Канг, Q .; Шен, Д. Золото Электроды на основе массивов микроэлектродов для определения микропримесей меди в морской воде. 2014 , 9 , 2741–2744.Поиск в Google Scholar

Xu, X .; Liu, C .; Jia, J .; Лю, Б .; Ян, X .; Донг, С. Простой и недорогой метод изготовления матрицы ультрамикроэлектродов и его применение для обнаружения растворенного кислорода. Электроанализ 2008 , 20 , 797–802. Искать в Google Scholar

Yang, X .; Чжан, Г. Вольтамперометрические характеристики встречно-штыревых электродов с различными константами скорости электронного переноса. Сенсорные приводы B: Chem. 2007 , 126 , 624–631. Искать в Google Scholar

Зарецкий, М. С .; Mouayad, L .; Мельчер, Дж. Р. Свойства континуума на основе диэлектрометрии встречно-штыревого электрода. IEEE Trans. Избрать. Insul. 1988 , 23 , 897–917. Искать в Google Scholar

Zhu, F .; Yan, J .; Лу, М .; Zhou, Y .; Ян, Й .; Мао Б. Стратегия селективного обнаружения, основанная на истощении интерферентов и циклическом окислительно-восстановительном цикле с использованием плоских утопленных электродов в виде массива микродисков. Электрохим. Acta 2011 , 56 , 8101–8107. Искать в Google Scholar

Zhu, F .; Yan, J .; Pang, S .; Zhou, Y .; Mao, B.-W .; Oleinick, A .; Свирь, И .; Аматоре, С. Стратегия увеличения плотности электродов массива микроэлектродов за счет использования биполярного поведения металлической пленки. Анал. Chem. 2014 , 86 , 3138–3145. Поиск в Google Scholar

Zoski, C.G .; Simjee, N .; Guenat, O .; Куделка-Хеп, М. Адресные массивы микроэлектродов: характеризация путем визуализации с помощью сканирующей электрохимической микроскопии. Анал. Chem. 2004 , 76 , 62–72. Искать в Google Scholar

Щелочно-металлические тепловые электрические генераторы AMTEC

Щелочно-металлический термоэлектрический преобразователь (AMTEC)

AMTEC — это электрохимическое устройство для прямого преобразования тепла в электроэнергия.Используется рециркуляционный рабочая жидкость из щелочного металла (натрия или калия), проходящая через твердый электролит в замкнутом контуре для получения поток электронов во внешней нагрузке.

Устройства

AMTEC зависят от уникальных свойств некоторых твердых керамических электролитов, таких как β «или P» оксид алюминия, которые благодаря своей кристаллической структуре очень хороши. проводники ионов, но плохие проводники электронов.

Рабочая жидкость приводится в движение по замкнутому термодинамическому циклу между источником тепла и теплоотводом, поддерживаемым при разных температурах, а во время паровой фазы цикла — доступная работа за счет изотермического расширения рабочего тела при его прохождении через электролит. преобразуется непосредственно в электрическую энергию.

Принцип работы AMTEC

На схеме ниже показаны основные компоненты системы.

Термодинамический цикл работает следующим образом:

• Твердоэлектролитная ОСНОВА, являющаяся проводником положительные ионы, но изолятор для электронов расположены в контуре натриевой рабочей жидкости, и в нем поддерживается высокая разница температур.
• Тепло добавляется на стороне анода, повышая температуру натрия до более чем 1000 ° K, в результате чего он испаряется, а его давление повышается до более чем 20 килопаскалей.
• На холодной стороне устройства тепло отводится, так что температура падает ниже 700 ° K, а давление, соответственно, ниже 100 Па. Несмотря на то, что это «холодная» сторона, температура все еще относительно высока, потому что натрий должен храниться в жидкой форме.
• На анодной поверхности BASE нейтральные атомы натрия в паре ионизируются, высвобождая электроны. (Окисление — атом теряет электрон) Образующиеся ионы натрия поглощают скрытую теплоту испарения.
• Из-за большого перепада давления на BASE и ее дифференциальная проводимость между электронами и ионами, положительные ионы натрия диффундируют через BASE к катоду, в то время как электроды обеспечивают путь проводимости для свободных электронов, которые вместо этого проходят через внешнюю нагрузку, выполняя полезную работу на своем пути к катоду где они рекомбинируются с ионами натрия для преобразования нейтрализованных паров металлического натрия.(Редукция — ион набирает электрон)
• На холодной стороне пар выделяет скрытую теплоту испарения и конденсируется в жидкий натрий, который транспортируется обратно на горячую сторону с помощью электромагнитного насоса или в небольших системах с помощью простого пассивного фитильного механизма.
• Вернувшись к горячей стороне, натрий снова испаряется в испарителе, и цикл начинается снова.

Выходное напряжение между электродами находится в пределах 1.4 и 1,6 В постоянного тока.

В системе нет движущихся частей, и она будет продолжать вырабатывать электроэнергию до тех пор, пока в систему поступает тепло и поддерживается разность температур на БАЗЕ.

КПД

Цикл AMTEC нагрева пара натрия для увеличения его давления с последующим его расширением и падением давления в твердом электролите и последующим охлаждением может рассматриваться как тепловой двигатель, максимальная теоретическая (идеальная) эффективность преобразования энергии или КПД Карно. цикла задается как (1-T _c / T _h ) * 100% , где T _h — температура на горячей стороне устройства, а T _c — это температура на горячей стороне устройства. температура на холодной стороне устройства.В приведенном выше примере КПД Карно равен (1-700/1000) * 100, что составляет 30%, хотя 40% теоретически возможно при более высокой рабочей температуре.

Однако на практике самый высокий КПД преобразования, который был достигнут с устройствами AMTEC, составляет чуть более 20%, и это очень выгодно отличается от альтернативных устройств прямого преобразования энергии, таких как матрицы полупроводниковых термопар (ТЭГ), которые обычно имеют КПД от 5% до 7%. Это особенно важно для батарей, таких как радиоизотопные термоэлектрические генераторы (RTG), используемых в космических аппаратах, поскольку масса радиоактивного источника тепла, необходимого устройству AMTEC для производства заданного количества электроэнергии, будет составлять только четверть массы, необходимой для эквивалентный термопарный преобразователь энергии.Это приводит к огромной экономии массы системы, количества топлива и стоимости.

Поскольку устройство AMTEC не имеет движущихся частей и использует замкнутый тепловой цикл, его общая эффективность преобразования также выгодно отличается от обычных систем преобразования энергии паровых турбин и двигателей внутреннего сгорания (ДВС), которые имеют значительную неэффективность сгорания, потери на трение и в случае ДВС , насосные потери. В то время как эффективность всех трех систем страдает из-за потерь тепла, системы паровых турбин и ДВС должны работать в гораздо более высоких диапазонах температур, чтобы достичь достаточно высокого КПД Карно, чтобы компенсировать дополнительные потери.См. Также КПД теплового двигателя.

См. Также Прямое преобразование тепловой энергии в электрическую (1) Термоэлектричество

История

Вернуться к Обзор электроэнергетики

Электрохимический генератор, содержащий цилиндрические алюминиево-воздушные ячейки

Аннотация

В статье рассмотрены вопросы оптимизации конструкции и технологии алюминиево-воздушных электрохимических генераторов для аварийного и резервного электроснабжения различных потребителей.Кратко описаны физико-химические принципы, используемые для создания таких генераторов. Благодаря отсутствию саморазряда в режиме накопления энергии, алюминиево-воздушные генераторы могут оставаться в режиме ожидания более длительное время по сравнению с электрохимическими аккумуляторными батареями или водородно-воздушными топливными элементами. Источник активируется добавлением к нему воды. Для получения лучших удельных параметров алюминиево-воздушных ячеек и повышения их технологичности предложена конструкция ячеек цилиндрической формы. Одноразовые элементы и батарея были разработаны, изготовлены и испытаны.Полученные результаты сравниваются с данными тестирования батареи и элементов плоской конструкции. Показана возможность получения существенно лучших удельных характеристик за счет перехода к цилиндрической конструкции. Благодаря предложенной конструкции было достигнуто более эффективное использование алюминия наряду с упрощением системы поддержания теплового баланса элемента и батареи. В статье представлены результаты испытаний одиночного алюминиево-воздушного элемента и четырехэлементной батареи, которые показали необходимость регулирования концентрации электролита в элементах и ​​батареях этого типа.Полученные данные сравниваются с результатами испытаний ранее изготовленных алюминиево-воздушных элементов классической плоской конструкции. Для определения перспектив использования генераторов данного типа проведено сравнение их технико-экономических характеристик с характеристиками основных конкурирующих источников аварийного и резервного электроснабжения, включая свинцово-кислотные и литий-ионные аккумуляторные батареи, а также с водородно-воздушными электрохимическими генераторами. . Определены характерные времена работы источника питания и частота его включения, при которых экономически оправдано применение алюминиево-воздушных электрохимических генераторов, и даны рекомендации по расширению диапазона этих параметров.

.