Энциклопедия
Строго говоря, источник тока — это элемент электрической цепи, поддерживающий в этой цепи ток заданного значения, не зависящего от сопротивления прочих элементов цепи. Это — идеальный источник тока.
Идеальный источник тока (токовый генератор) существует лишь в воображении. В реальности источник тока всегда имеет ограничение — лишь в некотором строго определенном диапазоне значений он может максимально приближенно имитировать поведение идеального источника тока.
Реальный источник тока — устройство, которое лишь старается поддерживать в цепи, к которой он подключен, ток заданного уровня, пока это позволяют его возможности (максимальный выходной ток и напряжение).
Именно максимальные ток и напряжение источника определяют диапазон значений тока, в котором прибор способен имитировать идеальный источник тока. А точность такой имитации определяет параметр Transient Responce — время реакции на изменение нагрузки. Чем оно меньше, тем реальный источник более приближен к идеальному источнику тока.
Практически все модели, описанные в разделе источники постоянного тока, могут использоваться в зависимости от выбранного режима и как источники тока, и как источники напряжения.
Источники электрического тока
Источники электрического тока — это устройства, которые производят или поддерживают электрический ток в электрической цепи. Источники тока работают за счет преобразования различных видов энергии в электрическую энергию, а также за счет разделения положительно и отрицательно заряженных частиц.
Существуют разные виды источников тока, которые можно классифицировать по разным критериям. Вот некоторые из них:
По виду энергии, которая преобразуется в электрическую энергию, различают следующие виды источников тока:
- Механические — генераторы, которые преобразуют механическую энергию вращения вала в электрическую энергию.
- Тепловые — термопары и термогенераторы, которые преобразуют тепловую энергию в электрическую энергию за счет разности температур.
- Световые (фотоэлектрические) — солнечные батареи и фотоэлементы, которые преобразуют энергию фотонов света в электрическую энергию за счет фотоэффекта.
- Химические — гальванические элементы и аккумуляторы, которые преобразуют химическую энергию реакций в электрическую энергию за счет электрохимических процессов.
По способу получения электрического тока, различают следующие виды источников тока:
- Первичные — источники тока, которые не могут быть восстановлены после истощения их энергетических ресурсов, например, гальванические элементы.
- Вторичные — источники тока, которые могут быть восстановлены путем подачи электрического тока от другого источника, например, аккумуляторы.
- Переменные — источники тока, которые дают во внешнюю цепь ток, меняющий свое направление и величину, например, генераторы переменного тока.
- Постоянные — источники тока, которые дают во внешнюю цепь ток, не меняющий свое направление и величину, например, генераторы постоянного тока.
Электрический ток — как его создавать и поддерживать
Электрическим током называется упорядоченное движение заряженных частиц. Чтобы получить электрический ток в проводнике надо создать в нем электрическое поле. Если заряженное тело соединить проводником с землей, то в проводнике возникает кратковременный электрический ток. Для того чтобы получить и поддерживать в проводнике электрическое поле, применяют источники электрического тока .
Во всяком источнике тока совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц. Разделенные частицы накапливаются на полюсах источника. Между полюсами образуется электрическое поле. Если соединить их проводником, то поле возникает в проводнике.
В электрической машине разделение зарядов производится с помощью механической энергии. При этом она превращается в электрическую. В термоэлементе внутренняя энергия превращается в электрическую. Атомные батареи преобразуют атомную энергию в электрическую.
Фотоэлемент превращает световую энергию в электрическую. Из фотоэлементов составляют солнечные батареи. Их используют там, где световая энергия является самой доступной.
Энергию рек, угля, нефти, атома превращают в электрическую энергию на электростанциях. Наиболее распространенные источники электрического тока — гальванические элементы и аккумуляторы.
Чем отличаются источник тока от источников напряжения
Источник тока и источник напряжения — это два разных типа источников электрической энергии, которые имеют разные свойства и характеристики.
Основное различие между ними заключается в том, что источник тока поддерживает постоянный ток в электрической цепи, независимо от напряжения на его зажимах, а источник напряжения поддерживает постоянное напряжение на своих зажимах, независимо от тока в цепи.
Источник тока можно представить как идеальный генератор тока, который имеет бесконечно большое сопротивление, а источник напряжения — как идеальный генератор напряжения, который имеет нулевое сопротивление.
В реальности такие идеальные источники не существуют, и все источники имеют некоторое внутреннее сопротивление, которое влияет на их работу.
В зависимости от соотношения внутреннего сопротивления и сопротивления нагрузки, источники могут быть ближе к источнику тока или к источнику напряжения.
Источник тока и источник напряжения могут быть созданы из разных видов энергии, таких как механическая, тепловая, световая, химическая и другие.
Например, генератор, который преобразует механическую энергию вращения вала в электрическую энергию, может быть источником тока или источником напряжения в зависимости от его конструкции и режима работы.
Термопара, которая преобразует тепловую энергию разности температур в электрическую энергию, является источником напряжения.
Солнечная батарея, которая преобразует энергию фотонов света в электрическую энергию, является источником тока. Гальванический элемент, который преобразует химическую энергию реакций в электрическую энергию, может быть источником тока или источником напряжения в зависимости от его типа и состояния.
Гальваническим элементом называются источники электрического тока, в которых химическая энергия превращается в электрическую.
Так устроен простейший гальванически элемент.
Первый гальванический элемент был изобретен Вольтом в 1799 году. Из отдельных элементов он сконструировал батарею, которую назвали «вольтов столб». В гальваническом элементе электроды обязательно должны по-разному взаимодействовать с раствором, поэтому электроды делают из различных материалов.
Цинковая пластинка в элементе Вольта заряжается отрицательно, а медная — положительно.
А так устроен сухой гальванический элемент. Вместо жидкости в нем используют густой клейстер:
Из нескольких элементов можно составить батарею:
От гальванических элементов работают лампочки в электрических фонарях, а также другие различные переносные электроприборы и детские игрушки. Когда электроды в гальваническом элементе израсходуются, элемент заменяю новым.
Аккумуляторами называют химические источники электрического тока, в которых электроды не расходуются. Простейший аккумулятор состоит из двух свинцовых пластин, погруженных в раствор серной кислоты.
Такой аккумулятор еще не дает тока. Перед использованием его надо зарядить. Для этого соединяют полюсы аккумулятора с такими же полюсами какого-либо источника тока.
Ток, который идет через аккумулятор во время зарядки, изменяет химический состав его пластин. Химическая энергия аккумулятора увеличивается.
Разряжаясь аккумулятор превращает химическую энергию в электрическую. Разрядившийся аккумулятор можно заряжать снова.
Из отдельных аккумуляторов собирают батареи.
Кроме аккумуляторов кислотных (свинцовых), применяют аккумуляторы щелочные (железо-никелевые).
В настоящее время широко применяются также никель-кадмиевые и никель-металл-гидридные аккумуляторы. В авиации и космосе используют серебряно-цинковые аккумуляторы. Новые типы аккумуляторов: литий-ионные, литий-полимерные используются в мобильных телефонах, планшетах и другой современной переносной технике.
Аккумуляторы применяют в тех случаях, когда источник электрического тока выгоднее перезаряжать, чем заменять новым. В автомобиле аккумулятор служит для запуска двигателя и работы различных приборов. В космосе аккумулятор заряжается от солнечных батарей. Разряжаясь, он питает радиопередатчики и аппаратуру.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Что такое источник тока? Какова его роль в электрической цепи?
Нужна помощь эксперта?
Мы здесь, чтобы помочь вам!
Теоретические вопросы
Сообщений 2
Что такое источник тока? Какова его роль в электрической цепи?
Источники тока — устройство, которое преобразует различную энергию в электрическую. Источник тока в электрической цепи осуществляет генерацию тока, не зависящего от сопротивления нагрузки.
Поделиться
Согласие на обработку персональных данных
Данные, которые вы предоставляете, будут использованы Обществом с ограниченной ответственностью «Электропоставщик» (ИНН 9710008385) (далее – Оператор) для достижения следующих целей обработки персональных данных: обеспечение соблюдения требований законодательства Российской Федерации; ведение переговоров; заключение и исполнение договора; информирование о статусе заказа; осуществление доставки продукции; возврат продукции; предоставление актуальной информации по продукции, проходящим акциям и специальным предложениям; анализ качества предоставляемого Оператором сервиса и улучшению качества обслуживания клиентов Оператора.
Совокупность операций обработки включает сбор, запись, систематизацию, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передачу (предоставление, доступ), обезличивание, блокирование, удаление, уничтожение Данных.
Перечень персональных данных, на обработку которых дается согласие субъекта персональных данных, отражено в Политике в отношении обработки персональных данных Оператора.
Обработка вышеуказанных персональных данных будет осуществляться путем смешанной обработки персональных данных.
Оператор вправе поручить обработку Данных субъектов Данных третьим лицам с согласия субъекта Данных, на основании заключаемого с этими лицами договора. Лица, осуществляющие обработку Данных на основании заключаемого с Оператором договора (поручения оператора), обязуются соблюдать принципы и правила обработки и защиты Данных, предусмотренные Законом. Для каждого третьего лица в договоре определяются перечень действий (операций) с Данными, которые будут совершаться третьим лицом, осуществляющим обработку Данных, цели обработки, устанавливается обязанность такого лица соблюдать конфиденциальность и обеспечивать безопасность Данных при их обработке, указываются требования к защите обрабатываемых Данных в соответствии с Законом.
Настоящее согласие на обработку персональных данных действует с момента его представления оператору на период исполнения обязательств по Договору и может быть отозвано в любое время путем подачи оператору заявления в простой письменной форме. Сроки обработки (хранения) персональных данных определяются исходя из целей обработки персональных данных, в соответствии со сроком действия договора с субъектом персональных данных, требованиями федеральных законов, требованиями операторов персональных данных, по поручению которых Оператор осуществляет обработку персональных данных, основными правилами работы архивов организаций, сроками исковой давности.
Персональные данные субъекта подлежат хранению в течение сроков, установленных законодательством Российской Федерации.
Персональные данные субъекта подлежат хранению в течение сроков, установленных законодательством Российской Федерации. Персональные данные уничтожаются: по достижению целей обработки персональных данных; при ликвидации или реорганизации оператора; на основании письменного обращения субъекта персональных данных с требованием о прекращении обработки его персональных данных (оператор прекратит обработку таких персональных данных в течение 3 (трех) рабочих дней, о чем будет направлено письменное уведомление субъекту персональных данных в течение 10 (десяти) рабочих дней.
Согласие на получение рассылки рекламно-информационных материалов
В соответствии с Федеральным законом от 13.03.2006 № 38-ФЗ «О рекламе» и Федеральным законом от 07.07.2003 г. № 126-ФЗ «О связи», настоящим я, действуя по своей волей и в своем интересе, даю свое согласие Обществу с ограниченной ответственностью «Электропоставщик» (ИНН 9710008385) (далее – Компания) на направление мне на указанные мной на сайте https://cable.ru/ контактные данные (номер телефона и/или электронную почту) сообщений в информационных, рекламно-информационных целях об услугах (сервисах) Компании, а именно: рассылок уведомлений об изменении заказов, предложений и другой информации; новостной рассылки и иных сведений от имени Компании, в виде sms-сообщений, и/или электронных писем, и/или сообщений в мессенджерах, и/или push-уведомлений, и/или посредством телефонных звонков.
Я согласен(а) с тем, что текст данного мной по собственной воле и в моих интересах согласия хранится в электронном виде в базе данных и подтверждает факт согласия на обработку персональных данных в соответствии с вышеизложенными положениями и беру на себя ответственность за достоверность предоставления персональных данных
Я подтверждаю, что владею информацией о том, что в любой момент в течение всего срока действия настоящего согласия, я вправе отозвать согласие и отписаться от получения рассылок путем перехода по соответствующей ссылке, существующей в любом письме
Также я информирован(-а), что при возникновении вопросов относительно отказа от рассылки, я могу обратиться за помощью, отправив письмо в службу технической поддержки Компании.
Настоящее согласие предоставляется на неограниченный срок при отсутствии сведений о его отзыве.
Настоящим подтверждаю, что мои конклюдентные действия является достаточной формой согласия и позволяет подтвердить сторонам факт получения такого согласия, при этом иных доказательств для дополнительного подтверждения моего свободного волеизъявления не потребуется.
Химия и ток
В современной жизни химические источники тока окружают нас повсюду: это батарейки в фонариках, аккумуляторы в мобильных телефонах, водородные топливные элементы, которые уже используются в некоторых автомобилях. Бурное развитие электрохимических технологий может привести к тому, что уже в ближайшее время вместо машин на бензиновых двигателях нас будут окружать только электромобили, телефоны перестанут быстро разряжаться, а в каждом доме будет свой собственный электрогенератор на топливных элементах. Повышению эффективности электрохимических накопителей и генераторов электроэнергии посвящена одна из совместных программ Уральского федерального университета с Институтом высокотемпературной электрохимии УрО РАН, в партнерстве с которыми мы публикуем эту статью.
На сегодняшний день существует множество разных типов батареек, среди которых все сложнее ориентироваться. Далеко не каждому очевидно, чем аккумулятор отличается от суперконденсатора и почему водородный топливный элемент можно использовать, не опасаясь нанести вред окружающей среде. В этой статье мы расскажем о том, как для получения электроэнергии используются химические реакции, в чем разница между основными типами современных химических источников тока и какие перспективы открываются перед электрохимической энергетикой.
Химия как источник электричества
Сначала разберемся, почему химическую энергию вообще можно использовать для получения электричества. Все дело в том, что при окислительно-восстановительных реакциях происходит перенос электронов между двумя разными ионами. Если две половины химической реакции разнести в пространстве, чтобы окисление и восстановление проходили отдельно друг от друга, то можно сделать так, чтобы электрон, который отрывается от одного иона, не сразу попадал на второй, а сначала прошел по заранее заданному для него пути. Такую реакцию можно использовать как источник электрического тока.
Впервые эта концепция была реализована еще в XVIII веке итальянским физиологом Луиджи Гальвани. Действие традиционного гальванического элемента основано на реакциях восстановления и окисления металлов с разной активностью. Например, классической ячейкой является гальванический элемент, в котором происходит окисление цинка и восстановление меди. Реакции восстановления и окисления проходят, соответственно, на катоде и аноде. А чтобы ионы меди и цинка не попадали на «чужую территорию», где они могут прореагировать друг с другом непосредственно, между анодом и катодом обычно помещают специальную мембрану. В результате между электродами возникает разность потенциалов. Если соединить электроды, например, с лампочкой, то в получившейся электрической цепи начинает течь ток и лампочка загорается.
Помимо материалов анода и катода, важной составляющей химического источника тока является электролит, внутри которого движутся ионы и на границе которого с электродами протекают все электрохимические реакции. При этом электролит не обязательно должен быть жидким — это может быть и полимерный, и керамический материал.
Основным недостатком гальванического элемента является ограниченное время его работы. Как только реакция пройдет до конца (то есть будет полностью израсходован весь постепенно растворяющийся анод), такой элемент просто перестанет работать.
Возможность перезарядки
Первым шагом к расширению возможностей химических источников тока стало создание аккумулятора — источника тока, который можно перезаряжать и поэтому использовать многократно. Для этого ученые просто предложили использовать обратимые химические реакции. Полностью разрядив аккумулятор в первый раз, с помощью внешнего источника тока прошедшую в нем реакцию можно запустить в обратном направлении. Это восстановит исходное состояние, так что после перезарядки батарею можно будет использовать заново.
На сегодня создано много различных типов аккумуляторов, которые отличаются типом происходящей в них химической реакции. Наиболее распространенными типами аккумуляторов являются свинцово-кислотные (или просто свинцовые) аккумуляторы, в основе которых лежит реакция окисления-восстановления свинца. Такие устройства обладают довольно длительным сроком службы, а их энергоемкость составляет до 60 ватт-часов на килограмм. Еще более популярными в последнее время являются литий-ионные аккумуляторы, основанные на реакции окисления-восстановления лития. Энергоемкость современных литий-ионных аккумуляторов сейчас превышает 250 ватт-часов на килограмм.
Основными проблемами литий-ионных аккумуляторов являются их небольшая эффективность при отрицательных температурах, быстрое старение и повышенная взрывоопасность. А из-за того, что металлический литий очень активно реагирует с водой с образованием газообразного водорода и при горении аккумулятора выделяется кислород, самовозгорание литий-ионного аккумулятора очень тяжело поддается традиционным способам пожаротушения. Для того чтобы повысить безопасность такого аккумулятора и ускорить время его зарядки, ученые предлагают модифицировать материал катода, воспрепятствовав образованию дендритных литиевых структур, а в электролит добавить вещества, которые блокируют образование взрывоопасных структур, и компоненты, подавляющие возгорание на ранних стадиях.
Твердый электролит
В качестве другого менее очевидного способа повышения эффективности и безопасности батарей, химики предложили не ограничиваться в химических источниках тока жидкими электролитами, а создать полностью твердотельный источник тока. В таких устройствах вообще нет жидких компонентов, а есть слоистая структура из твердого анода, твердого катода и твердого же электролита между ними. Электролит при этом одновременно выполняет и функцию мембраны. Носителями заряда в твердом электролите могут быть различные ионы — в зависимости от его состава и тех реакций, которые проходят на аноде и катоде. Но всегда ими являются достаточно маленькие ионы, которые могут относительно свободно перемещаться по кристаллу, например протоны H + , ионы лития Li + или ионы кислорода O 2- .
Водородные топливные элементы
Возможность перезарядки и специальные меры безопасности делают аккумуляторы значительно более перспективными источниками тока, чем обычные батарейки, но все равно каждый аккумулятор содержит внутри себя ограниченное количество реагентов, а значит, и ограниченный запас энергии, и каждый раз аккумулятор необходимо заново заряжать для возобновления его работоспособности.
Чтобы сделать батарейку «бесконечной», в качестве источника энергии можно использовать не те вещества, которые находятся внутри ячейки, а специально прокачиваемое через нее топливо. Лучше всего в качестве такого топлива подойдет вещество, максимально простое по составу, экологически чистое и имеющееся в достатке на Земле.
Наиболее подходящее вещество такого типа — газообразный водород. Его окисление кислородом воздуха с образованием воды (по реакции 2H2 + O2 → 2H2O) является простой окислительно-восстановительной реакцией, а транспорт электронов между ионами тоже можно использовать в качестве источника тока. Протекающая при этом реакция является своего рода обратной реакцией к реакции электролиза воды (при котором под действием электрического тока вода разлагается на кислород и водород), и впервые такая схема была предложена еще в середине XIX века.
Но несмотря на то, что схема выглядит довольно простой, создать основанное на этом принципе эффективно работающее устройство — совсем не тривиальная задача. Для этого надо развести в пространстве потоки кислорода и водорода, обеспечить транспорт нужных ионов через электролит и снизить возможные потери энергии на всех этапах работы.
Схема работающего водородного топливного элемента очень похожа на схему химического источника тока, но содержит в себе дополнительные каналы для подачи топлива и окислителя и отвода продуктов реакции и избытка поданных газов. Электродами в таком элементе являются пористые проводящие катализаторы. К аноду подается газообразное топливо (водород), а к катоду — окислитель (кислород из воздуха), и на границе каждого из электродов с электролитом проходит своя полуреакция (окисление водорода и восстановление кислорода соответственно). При этом, в зависимости от типа топливного элемента и типа электролита, само образование воды может протекать или в анодном, или в катодном пространстве.
Если электролит является протонпроводящей полимерной или керамической мембраной, раствором кислоты или щелочи, то носителем заряда в электролите являются ионы водорода. В таком случае на аноде молекулярный водород окисляется до ионов водорода, которые проходят через электролит и там реагируют с кислородом. Если же носителем заряда является ион кислорода O 2– , как в случае твердооксидного электролита, то на катоде происходит восстановление кислорода до иона, этот ион проходит через электролит и окисляет на аноде водород с образованием воды и свободных электронов.
Кроме реакции окисления водорода для топливных элементов предложено использовать и другие типы реакций. Например, вместо водорода восстановительным топливом может быть метанол, который кислородом окисляется до углекислого газа и воды.
Эффективность топливных элементов
Несмотря на все преимущества водородных топливных элементов (такие как экологичность, практически неограниченный КПД, компактность размеров и высокая энергоемкость), они обладают и рядом недостатков. К ним относятся, в первую очередь, постепенное старение компонентов и сложности при хранении водорода. Именно над тем, как устранить эти недостатки, и работают сегодня ученые.
Повысить эффективность топливных элементов в настоящее время предлагается за счет изменения состава электролита, свойств электрода-катализатора, и геометрии системы (которая обеспечивает подачу топливных газов в нужную точку и снижает побочные эффекты). Для решения проблемы хранения газообразного водорода используют материалы, содержащие платину, для насыщения которых предлагают использовать, например, графеновые мембраны.
В результате удается добиться повышения стабильности работы топливного элемента и времени жизни его отдельных компонентов. Сейчас коэффициент преобразования химической энергии в электрическую в таких элементах достигает 80 процентов, а при определенных условиях может быть и еще выше.
Огромные перспективы водородной энергетики связывают с возможностью объединения топливных элементов в целые батареи, превращая их в электрогенераторы с большой мощностью. Уже сейчас электрогенераторы, работающие на водородных топливных элементах, имеют мощность до нескольких сотен киловатт и используются как источники питания транспортных средств.
Альтернативные электрохимические накопители
Помимо классических электрохимических источников тока, в качестве накопителей электроэнергии используют и более необычные системы. Одной из таких систем является суперконденсатор (или ионистор) — устройство, в котором разделение и накопление заряда происходит за счет образования двойного слоя вблизи заряженной поверхности. На границе электрод-электролит в таком устройстве в два слоя выстраиваются ионы разных знаков, так называемый «двойной электрический слой», образуя своеобразный очень тонкий конденсатор. Емкость такого конденсатора, то есть количество накопленного заряда, будет определяться удельной площадью поверхности электродного материала, поэтому в качестве материала для суперконденсаторов выгодно брать пористые материалы с максимальной удельной площадью поверхности.
Ионисторы являются рекордсменами среди зарядно-разрядных химических источников тока по скорости заряда, что является несомненным преимуществом данного типа устройств. К сожалению, они также являются рекордсменами и по скорости разряда. Энергоплотность ионисторов в восемь раз меньше по сравнению со свинцовыми аккумуляторами и в 25 раз меньше по сравнению с литий-ионными. Классические «двойнослойные» ионисторы не используют электрохимическую реакцию в своей основе, и к ним наиболее точно применим термин «конденсатор». Однако в тех вариантах исполнения ионисторов, в основе которых используется электрохимическая реакция и накопление заряда распространяется в глубину электрода, удается достичь более высоких времен разрядки при сохранении быстрой скорости заряда. Усилия разработчиков суперконденсаторов направлены на создание гибридных с аккумуляторами устройств, сочетающих в себе плюсы суперконденсаторов, в первую очередь высокую скорость заряда, и достоинства аккумуляторов — высокую энергоемкость и длительное время разряда. Представьте себе в ближайшем будущем аккумулятор-ионистор, который будет заряжаться за пару минут и обеспечивать работу ноутбука или смартфона в течение суток или более!
Несмотря на то, что сейчас плотность энергии суперконденсаторов пока в несколько раз меньше плотности энергии аккумуляторов, их используют в бытовой электронике и для двигателей различных транспортных средств, в том числе и в самых современных разработках.
Таким образом, на сегодня существует большое количество электрохимических устройств, каждое из которых перспективно для своих конкретных приложений. Для повышения эффективности работы этих устройств ученым необходимо решить ряд задач как фундаментального, так и технологического характера. Большинством этих задач в рамках одного из прорывных проектов занимаются в Уральском федеральном университете, поэтому о ближайших планах и перспективах по разработке современных топливных элементов мы попросили рассказать директора Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН, профессора кафедры технологии электрохимических производств химико-технологического института Уральского федерального университета Максима Ананьева.
N + 1: Ожидается ли в ближайшем будущем какая-то альтернатива наиболее популярным сейчас литий-ионным аккумуляторам?
Максим Ананьев: Современные усилия разработчиков аккумуляторов направлены на замену типа носителя заряда в электролите с лития на натрий, калий, алюминий. В результате замены лития можно будет снизить стоимость аккумулятора, правда при этом пропорционально возрастут массо-габаритные характеристики. Иными словами, при одинаковых электрических характеристиках натрий-ионный аккумулятор будет больше и тяжелее по сравнению с литий-ионным.
Кроме того, одним из перспективных развивающихся направлений совершенствования аккумуляторов является создание гибридных химических источников энергии, основанных на совмещении металл-ионных аккумуляторов с воздушным электродом, как в топливных элементах. В целом, направление создания гибридных систем, как уже было показано на примере суперконденсаторов, по-видимому, в ближайшей перспективе позволит увидеть на рынке химические источники энергии, обладающие высокими потребительскими характеристиками.
Уральский федеральный университет совместно с академическими и индустриальными партнерами России и мира сегодня реализует шесть мегапроектов, которые сфокусированы на прорывных направлениях научных исследований. Один из таких проектов — «Перспективные технологии электрохимической энергетики от химического дизайна новых материалов к электрохимическим устройствам нового поколения для сохранения и преобразования энергии».
Группа ученых стратегической академической единицы (САЕ) Школа естественных наук и математики УрФУ, в которую входит Максим Ананьев, занимается проектированием и разработкой новых материалов и технологий, среди которых — топливные элементы, электролитические ячейки, металлграфеновые аккумуляторы, электрохимические системы аккумулирования электроэнергии и суперконденсаторы.
Исследования и научная работа ведутся в постоянном взаимодействии с Институтом высокотемпературной электрохимии УрО РАН и при поддержке партнеров.
Какие топливные элементы разрабатываются сейчас и имеют наибольший потенциал?
Одними из наиболее перспективных типов топливных элементов являются протонно-керамические элементы. Они обладают преимуществами перед полимерными топливными элементами с протонно-обменной мембраной и твердооксидными элементами, так как могут работать при прямой подаче углеводородного топлива. Это существенно упрощает конструкцию энергоустановки на основе протонно-керамических топливных элементов и систему управления, а следовательно, увеличивает надежность работы. Правда, такой тип топливных элементов на данный момент является исторически менее проработанным, но современные научные исследования позволяют надеяться на высокий потенциал данной технологии в будущем.
Какими проблемами, связанными с топливными элементами, занимаются сейчас в Уральском федеральном университете?
Сейчас ученые УрФУ совместно с Институтом высокотемпературной электрохимии (ИВТЭ) Уральского отделения Российской академии наук работают над созданием высокоэффективных электрохимических устройств и автономных генераторов электроэнергии для применений в распределенной энергетике. Создание энергоустановок для распределенной энергетики изначально подразумевает разработку гибридных систем на основе генератора электроэнергии и накопителя, в качестве которых выступают аккумуляторы. При этом топливный элемент работает постоянно, обеспечивая нагрузку в пиковые часы, а в холостом режиме заряжает аккумулятор, который может сам выступать резервом как в случае высокого энергопотребления, так и в случае внештатных ситуаций.
Наибольших успехов химики УрФУ и ИВТЭ достигли в области разработки твердо-оксидных и протонно-керамических топливных элементов. Начиная с 2016 года на Урале вместе с ГК «Росатом» создается первое в России производство энергоустановок на основе твердо-оксидных топливных элементов. Разработка уральских ученых уже прошла «натурные» испытания на станции катодной защиты газотрубопроводов на экспериментальной площадке ООО «Уралтрансгаз». Энергоустановка с номинальной мощностью 1,5 киловатта отработала более 10 тысяч часов и показала высокий потенциал применения таких устройств.
В рамках совместной лаборатории УрФУ и ИВТЭ ведутся разработки электрохимических устройств на основе протонпроводящей керамической мембраны. Это позволит в ближайшем будущем снизить рабочие температуры для твердо-оксидных топливных элементов с 900 до 500 градусов Цельсия и отказаться от предварительного риформинга углеводородного топлива, создав, таким образом, экономически эффективные электрохимические генераторы, способные работать в условиях развитой в России инфраструктуры газоснабжения.