Паливний елемент своїми руками вдома. Паливні елементи: види, принцип роботи та особливості Водневий акумулятор своїми руками

Відразу хочу попередити, що цей топік не зовсім за тематикою Хабра, але в коментарях до посту про розроблений в MIT елемент ідею начебто підтримали, тому нижче я опишу деякі міркування про біотоливні елементи.
Робота, на основі якої написано цей топік, виконувалась мною в 11 класі, і зайняла друге місце на міжнародній конференції INTEL ISEF.

Паливний елемент - хімічне джерело струму, в якому хімічна енергія відновника (палива) і окислювача, що безперервно і окремо подаються до електродів, безпосередньо перетворюється на електричну.
енергію. Принципова схема паливного елемента (ТЕ) представлена ​​нижче:

ТЕ складається з анода, катода, іонного провідника, анодної та катодної камери. На даний момент потужності біопаливних елементів недостатньо для використання в промішлених масшатабах, але БТЕ з невеликою потужністю можуть використовуватися для медичних цілей як чутливі датчики, оскільки сила струму в них пропорційна кількості палива, що переробляється.
Наразі запропоновано велику кількість конструктивних різновидів ТЕ. У кожному даному випадку конструкція ТЕ залежить від призначення ТЕ, типу реагенту та іонного провідника. У особливу групу виділяють біопаливні елементи, у яких використовуються біологічні каталізатори. Важливою відмінністю біологічних систем є їх здатність до селективного окислення різних палив при низькій температурі.
Найчастіше в біоелектрокаталізі використовують іммобілізовані ферменти, тобто. ферменти, виділені з живих організмів і закріплені на носії, але зберегли при цьому каталітичну активність (частково або повністю), що дозволяє їх повторно використовувати. Розглянемо з прикладу біопаливний елемент, у якому ферментативна реакція пов'язані з електродної під час використання медіатора. Схема біопаливного елемента на основі глюкозооксидази:

Біопаливний елемент складається з двох інертних електродів із золота, платини або вуглецю, занурених у буферний розчин. Електроди розділені іонообмінною мембраною: анодне відділення продувається повітрям, катодне азотом. Мембрана дозволяє просторово розділити реакції, які у електродних відділеннях елемента, й у водночас забезпечує обмін протонами з-поміж них. Придатні для біосенсорів мембрани різних типів випускаються у Великій Британії багатьма фірмами (ВДН, ВІРОКТ).
Введення глюкози в біопаливний елемент, що містить глюкозооксидазу та розчинний медіатор, при 20 °С призводить до виникнення потоку електронів від ферменту до анода через медіатор. По зовнішньому ланцюгу електрони йдуть до катода, де у ідеальних умовах у присутності протонів і кисню утворюється вода. Результуючий струм (без насичення) пропорційний добавці швидковизначаючого компонента (глюкози). Вимірюючи стаціонарні струми, можна швидко (5с) визначити навіть малі концентрації глюкози – до 0,1 мМ. Як сенсор, описаний біопаливний елемент, має певні обмеження, пов'язані з присутністю медіатора та певними вимогами до кисневого катода та мембрани. Остання має утримувати фермент і водночас пропускати низькомолекулярні компоненти: газ, медіатор, субстрат. Іонообмінні мембрани, як правило, задовольняють цим вимогам, хоча їх дифузійні властивості залежать від буферного рН розчину. Дифузія компонентів через мембрану призводить до зниження ефективності перенесення електрона внаслідок побічних реакцій.
На сьогоднішній день є лабораторні моделі паливних елементів із ферментними каталізаторами, які за своїми характеристиками не відповідають вимогам їхнього практичного застосування. Основні зусилля в найближчі кілька років будуть спрямовані на доопрацювання біопаливних елементів і подальше застосування біопаливного елемента буде пов'язано більшим ступенем з медициною, наприклад: біопаливний елемент, що вживається, використовує кисень і глюкозу.
При використанні ферментів в електрокаталізі головною проблемою, що потребує вирішення, є проблема поєднання ферментативної реакції з електрохімічною, тобто забезпечення ефективного транспортування електронів з активного центру ферменту на електрод, що може досягатися такими шляхами:
1. Перенесення електронів з активного центру ферменту на електрод за допомогою низькомолекулярного переносника – медіатора (медіаторний біоелектрокаталіз).
2. Безпосереднє, пряме окислення та відновлення активних центрів ферменту на електроді (прямий біоелектрокаталіз).
При цьому медіаторне сполучення ферментативної та електрохімічної реакції у свою чергу можна здійснити чотирма способами:
1) фермент і медіатор знаходяться в об'ємі розчину та медіатор дифундує до поверхні електрода;
2) фермент знаходиться на поверхні електрода, а медіатор об'єм розчину;
3) фермент та медіатор іммобілізовані на поверхні електрода;
4) медіатор пришитий до поверхні електрода, а фермент знаходиться в розчині.

У цьому роботі каталізатором катодної реакції відновлення кисню служила лакказу, а каталізатором анодної реакції окислення глюкози - глюкозооксидаза (РОК). Ферменти використовувалися у складі композитних матеріалів, створення яких одна із найважливіших етапів створення біопаливних елементів, одночасно виконують функцію аналітичного датчика. Біокомпозитні матеріали в даному випадку повинні забезпечувати селективність і чутливість визначення субстрату і в той же час мати високу біоелектрокаталітичну активність, що наближається до ферментативної.
Лакказа являє собою Cu-вміст оксидоредуктазу, основною функцією якої в нативних умовах є окислення органічних субстратів (феноли та їх похідні) киснем, який при цьому відновлюється до води. Молекулярна маса ферменту становить 40 000 г/моль.

На цей час показано, що лакказа є найактивнішим електрокаталізатором відновлення кисню. У її присутності на електроді в атмосфері кисню встановлюється потенціал, близький до рівноважного кисневого потенціалу, і відновлення кисню протікає безпосередньо до води.
Як каталізатор катодної реакції (відновлення кисню) використовували композитний матеріал на основі лаккази, ацетиленової сажі АД-100 і нафіону. Особливістю композиту є структура, що забезпечує орієнтацію молекули ферменту по відношенню до електронної матриці, необхідну для прямого перенесення електрона. Питома біоелектрокаталітична активність лаккази в композиті наближається до спостережуваної ферментативному каталізі. Спосіб поєднання ферментативної та електрохімічної реакції у разі лаккази, тобто. спосіб перенесення електрона від субстрату через активний центр ферменту лаккази на електрод - прямий біелектрокаталіз.

Глюкозокооксидаза (РІК) – фермент класу оксидоредуктаз, має дві субодиниці, кожна з яких має свій активний центр – (Флавінаденіндінуклеотид) ФАД. РІК є ферментом, селективним по відношенню до донора електронів – глюкозі, а як акцептори електронів може використовувати багато субстратів. Молекулярна маса ферменту становить 180 000 г/моль.

У роботі використовували композитний матеріал на основі РІК та ферроцену (Фц) для анодного окислення глюкози за медіаторним механізмом. Композитний матеріал включає РІК, високодисперсний колоїдний графіт (ВКГ), Фц та нафіон, що дозволило отримати електронопровідну матрицю з високорозвиненою поверхнею, забезпечити ефективний транспорт реагентів у зону реакції та стабільні характеристики композитного матеріалу. Спосіб поєднання ферментативної та електрохімічної реакцій, тобто. забезпечення ефективного транспорту електронів від активного центру РІК на електрод – медіаторний, у своїй фермент і медіатор були іммобілізовані лежить на поверхні електрода. Як медіатор - акцептор електронів - використовували фероцен. При окисленні органічного субстрату - глюкози, фероцен відновлюється, а потім окислюється на електроді.

Якщо комусь цікаво, я можу докладно описати процес отримання покриття електородів, але краще пишіть у личку. А в топіці я просто опишу отриману структуру.

1. АТ-100.
2. Лакказ.
3. гідрофобна пориста підкладка.
4. нафіон.

Після того, як електорди отримані, ми перейшли безпосередньо до експериментальної частини. Ось так виглядав наш робочий осередок:

1. електрод порівняння Ag/AgCl;
2. робочий електрод;
3. допоміжний електрод – Рt.
У досліді з глюкозооксидазою – продування аргоном, з лакказою – киснем.

Відновлення кисню на сажі без лаккази відбувається при потенціалах нижче нуля і відбувається у дві стадії: через проміжне утворення перекису водню. На малюнку представлена ​​поляризаційна крива електровідновлення кисню лакказою іммобілізованою на АТ-100, отримана в атмосфері кисню в розчині з рН 4,5. У цих умовах встановлюється стаціонарний потенціал, близький до рівноважного кисневого потенціалу (0,76 В). При потенціалах катодніше 0,76 на ферментному електроді спостерігається каталітичне відновлення кисню, яке протікає за механізмом прямого біоелектрокаталізу безпосередньо до води. В області потенціалів катодніше 0,55 на кривій спостерігається плато, яке відповідає граничному кінетичному струму відновлення кисню. Величина граничного струму становила близько 630 мкА/см2.

Електрохімічну поведінку композитного матеріалу, на основі РІК нафіону, ферроцену та ВКГ, досліджували методом циклічної вольтамперометрії (ЦВА). Стан композитного матеріалу у відсутності глюкози у фосфатно-буферному розчині контролювали за кривими заряджання. На кривій зарядження при потенціалі (-0,40) В спостерігаються максимуми, що відносяться редокс-перетворенням активного центру РІК - (ФАД), а при 0,20-0,25 В максимуми окислення та відновлення ферроцену.

З отриманих результатів випливає, що на основі катода з лакказою, як каталізатор кисневої реакції, і анода на основі глюкозооксидази для окислення глюкози, існує принципова можливість створення біопаливного елемента. Правда на цьому шляху є безліч перешкод, наприклад, піки активності ферментів спостерігаються при різному pH. Це призвело до необхідності додавати в БТЕ іонообмінну мембрану. Мембрана дозволяє просторово розділити реакції, що протікають в електродних відділеннях елемента, і в той же час забезпечує обмін протонами між ними. В анодне відділення надходить повітря.
Введення глюкози в біопаливний елемент, що містить глюкозооксидазу та медіатор, призводить до виникнення потоку електронів від ферменту до анода через медіатор. По зовнішньому ланцюгу електрони йдуть до катода, де у ідеальних умовах у присутності протонів і кисню утворюється вода. Результуючий струм (без насичення) пропорційний добавці швидковизначаючого компонента - глюкози. Вимірюючи стаціонарні струми, можна швидко (5с) визначити навіть малі концентрації глюкози – до 0,1 мМ.

На жаль довести ідею цього БТЕ до практичного застосування мені вдалося, т.к. відразу після 11 класу я пішов вчитися на програміста, чим дбайливо займаюся і сьогодні. Дякую всім, хто подужав.

Власники патенту UA 2379795:

Винахід відноситься до спиртових паливних елементів прямої дії, що використовують тверді кислотні електроліти та каталізатори внутрішнього риформінгу. Технічним результатом винаходу є підвищені питома потужність та напруга елемента. Згідно винаходу паливний елемент включає анод, катод, твердий кислотний електроліт, газодифузійний шар та каталізатор внутрішнього риформінгу. Каталізатор внутрішнього риформінгу може становити будь-який відповідний риформер і він розташований по сусідству з анодом. У цій конфігурації тепло, що генерується в екзотермічних реакціях на каталізаторі в паливному елементі, і омічне нагрівання електроліту паливного елемента є рушійною силою для ендотермічної реакції риформінгу палива, що перетворює спиртове паливо водень. Можливе використання будь-якого спиртового палива, наприклад метанолу або етанолу. 5 н. та 20 з.п. ф-ли, 4 іл.

Область техніки

Винахід відноситься до спиртових паливних елементів прямої дії, що використовують тверді кислотні електроліти

Рівень техніки

Спирти нещодавно були піддані інтенсивним дослідженням як потенційні палива. Особливо бажаними як палив є спирти, такі як метанол і етанол, оскільки вони характеризуються питомими енергіями, що у п'ять-сім разів перевищують відповідні характеристики для стандартного стиснутого водню. Наприклад, один літр метанолу енергетично еквівалентний 5,2 літра водню, стиснутого до 320 атм. Крім того, один літр етанолу енергетично еквівалентний 7,2 літра водню, стиснутого до 350 атм. Бажаними такі спирти є також тому, що вони прості в обігу, зберіганні та транспортуванні.

Метанол та етанол були предметом багатьох досліджень з погляду спиртового палива. Етанол можна отримувати в результаті ферментації рослин, що містять цукор та крохмаль. Метанол можна отримувати внаслідок газифікації деревини або відходів деревини/зернових рослин (соломи). Проте ефективнішим є синтез метанолу. Дані спирти, крім іншого, є відновлюваними ресурсами і тому вони, ймовірно, відіграють важливу роль як у зменшенні виділення газів, що викликають парниковий ефект, так і в зменшенні залежності від копалин.

Паливні елементи були запропоновані як пристрої, що перетворюють хімічну енергію таких спиртів на електричну енергію. У цьому відношенні інтенсивним дослідженням було піддано спиртові паливні елементи прямої дії, що мають мембрани з полімерного електроліту. Говорячи конкретно, дослідженням були піддані метанольні паливні елементи прямої дії та етанольні паливні елементи прямої дії. Однак дослідження етанольних паливних елементів прямої дії проводилися обмежено внаслідок відносної проблеми окиснення етанолу в порівнянні з окисненням метанолу.

Незважаючи на ці зусилля у проведенні великих досліджень експлуатаційні характеристики спиртових паливних елементів прямої дії залишаються незадовільними головним чином внаслідок кінетичних обмежень, що накладаються електродними каталізаторами. Наприклад, типові метанольні паливні елементи прямої дії характеризуються питомою потужністю, що дорівнює приблизно 50 мВт/см 2 . Були отримані і більш високі рівні питомої потужності, наприклад 335 мВт/см 2 але тільки в надзвичайно суворих умовах (Nafion®, 130°C, кисень 5 атм і метанол 1 М для витрати 2 куб. см/хв при тиску 1,8 атм). Подібним чином етанольний паливний елемент прямої дії характеризується питомою потужністю 110 мВт/см 2 за подібних надзвичайно суворих умов (Nafion® - діоксид кремнію, 140°С, анод 4 атм, кисень 5,5 атм). Відповідно до цього існує потреба в спиртових паливних елементах прямої дії, що характеризуються високими питомими потужностями без таких екстремальних умов.

Короткий виклад винаходу

Даний винахід відноситься до спиртових паливних елементів, що містять тверді кислотні електроліти та використовують каталізатор внутрішнього риформінгу. Паливний елемент у загальному випадку включає анод, катод, твердий кислотний електроліт та внутрішній риформер. Ріформер забезпечує проходження риформінгу спиртового палива з одержанням водню. Рушійною силою реакції риформінгу є тепло, що генерується в ході екзотермічних реакцій паливного елементу.

Використання твердих кислотних електролітів у паливному елементі уможливлює розміщення риформера безпосередньо по сусідству з анодом. Раніше це не вважалося можливим внаслідок підвищених температур, необхідних для ефективного функціонування відомих матеріалів риформінгу, та чутливості до дії тепла у типових мембран полімерного електроліту. Однак у порівнянні зі звичайними мембранами з полімерних електролітів тверді кислотні електроліти можуть протистояти впливу набагато більш високих температур, що уможливлює розміщення риформера по сусідству з анодом і тому поблизу електроліту. У цій конфігурації відходить тепло, що генерується електролітом, поглинається риформером і служить рушійною силою ендотермічної реакції риформінгу.

Короткий опис креслень

Дані та інші ознаки та переваги цього винаходу буде краще зрозумілі після ознайомлення з наступним далі докладним описом, що розглядається в поєднанні з доданими кресленнями, де:

Фігура 1 являє собою схематичне зображення паливного елемента, що відповідає одному варіанту реалізації цього винаходу;

Фігура 2 являє собою графічне зіставлення кривих залежностей між питомою потужністю та напругою елемента для паливних елементів, отриманих відповідно до прикладів 1 та 2 та порівняльного прикладу 1;

Фігура 3 являє собою графічне зіставлення кривих залежностей між питомою потужністю та напругою елемента для паливних елементів, отриманих відповідно до прикладів 3, 4 та 5 і порівняльним прикладом 2; і

Фігура 4 являє собою графічне зіставлення кривих залежностей між питомою потужністю та напругою елемента для паливних елементів, отриманих відповідно до порівняльних прикладів 2 та 3.

Детальний опис винаходу

Даний винахід відноситься до спиртових паливних елементів прямої дії, що містять тверді кислотні електроліти та використовують каталізатор внутрішнього риформінгу, що знаходиться у фізичному контакті з мембранно-електродним агрегатом (МЕА), призначеним для проведення риформінгу спиртового палива з отриманням водню. Як зазначалося вище, експлуатаційні характеристики паливних елементів, які перетворюють хімічну енергію в спиртах безпосередньо на електричну потужність, залишаються незадовільними внаслідок кінетичних обмежень, обумовлених електродними каталізаторами паливних елементів. Однак добре відомо, що ці кінетичні обмеження значно зменшуються у разі використання водневого палива. Відповідно до цього винаходу використовують каталізатор риформінгу або риформер, призначені для проведення риформінгу спиртового палива з отриманням водню, тим самим забезпечуючи зменшення або усунення кінетичних обмежень, пов'язаних зі спиртовим паливом. Спиртові палива піддають паровому риформінгу відповідно до наступних прикладів реакцій:

Метанол у водень: СН 3 ОН+Н 2 O→3Н 2 +СО 2;

Етанол у водень: C 2 H 5 OH+3Н 2 О→6H 2 +2CO 2 .

Однак реакція риформінгу є сильно ендотермічною. Тому для отримання рушійної сили реакції риформінгу необхідно нагрівати риформер. Необхідна кількість тепла зазвичай становить приблизно 59 кДж на один моль метанолу (еквівалентно спалюванню приблизно 0,25 моль водню) і приблизно 190 кДж на один моль етанолу (еквівалентно спалюванню приблизно 0,78 моль водню).

В результаті проходження електричного струму під час експлуатації паливних елементів відбувається генерація тепла, що відходить, ефективне видалення якого виявляється проблематичним. Однак генерація даного тепла, що відходить, робить розміщення риформера безпосередньо поруч з паливним елементом природним варіантом при виборі. Така конфігурація уможливлює подачу водню з риформера в паливний елемент і охолодження паливного елемента і дозволяє паливному елементу нагрівати риформер і формувати рушійну силу для реакцій у ньому. Така конфігурація використовується в паливних елементах на основі розплавлених карбонатів і для реакцій риформінгу метану, що проходять при температурі приблизно дорівнює 650°С. Однак реакції риформінгу спирту в загальному випадку протікають при температурах в діапазоні приблизно від 200°С до приблизно 350°С, і досі ще не було розроблено ніякого відповідного паливного елемента з використанням риформінгу спирту.

Даний винахід відноситься до такого паливного елемента з використанням риформінг спирту. Як проілюстровано на Фігурі 1, паливний елемент 10, відповідний справжньому винаходу, в загальному випадку включає перший струмознімач/газодифузійний шар 12а, другий струмознімач/газодифузійний шар 14, каталіт 14а 18 і електроліт 16. а 18 мають у своєму розпорядженні по сусідству з анодом 12а. Говорячи більш конкретно, каталізатор риформінгу 18 розташовують між першим газодифузійним шаром 12 і анодом 12а. Можливе використання будь-якого відомого відповідного каталізатора риформінгу 18. Необмежувальні приклади відповідних каталізаторів риформінгу включають суміші оксидів Cu-Zn-Al, суміші оксидів Cu-Co-Zn-Al та суміші оксидів Cu-Zn-Al-Zr.

Можливе використання будь-якого спиртового палива, такого як метанол, етанол та пропанол. На додаток до цього як паливо можливе використання диметилового ефіру.

Історично дана конфігурація не вважалася можливою для спиртових паливних елементів внаслідок ендотермічної природи реакції риформінгу та чутливості електроліту до дії тепла. У типових спиртових паливних елементах використовують мембрани полімерного електроліту, які не можуть витримувати вплив тепла, необхідного для створення рушійної сили для каталізатора риформінгу. Однак електроліти, що використовуються в паливних елементах цього винаходу, містять тверді кислотні електроліти, такі як ті, що описуються в патенті США №6468684, під назвою PROTON CONDUCTING MEMBRANE USING A SOLID ACID, повний вміст якого включається в цей документ для довідки, і одночасно знаходиться на розгляді патентної заявки США з реєстраційним номером 10/139043, під назвою PROTON CONDUCTING MEMBRANE USING A SOLID ACID, повний зміст якої також включається до цього документа для довідки. Одним необмежуючим прикладом твердої кислоти, придатної для використання як електроліт у цьому винаході, є CsH 2 PО 4 . Тверді кислотні електроліти, що використовуються у разі паливних елементів даного винаходу, можуть витримувати вплив набагато вищих температур, що уможливлює розміщення каталізатора риформінгу безпосередньо по сусідству з анодом. Крім того, ендотермічна реакція риформінгу споживає тепло, що генерується в екзотермічних реакціях паливного елементу, формуючи термічно збалансовану систему.

Дані тверді кислоти використовуються у своїх суперпротонних фазах і виступають у ролі протонопровідних мембран у температурному діапазоні приблизно від 100°С до приблизно 350°С. Верхній край даного діапазону температур ідеальний для риформінгу метанолу. Для забезпечення генерації тепла в ступені, достатньої для формування рушійної сили для реакції риформінгу, і для забезпечення протонної провідності твердого кислотного електроліту паливний елемент цього винаходу переважно експлуатують при температурах в діапазоні приблизно від 100°С до 500°С. Однак більш переважно паливний елемент експлуатувати при температурах в діапазоні приблизно від 200°С до приблизно 350°С. На додаток до значного поліпшення експлуатаційних характеристик спиртових паливних елементів щодо високі робочі температури спиртових паливних елементів винаходу можуть уможливити заміщення дорогих металевих каталізаторів, таких як Pt/Ru і Pt на аноді та катоді відповідно менш дорогими матеріалами каталізаторів.

Наступні приклади і порівняльні приклади ілюструють чудові експлуатаційні характеристики спиртових паливних елементів винаходу. Однак дані приклади представлені тільки для цілей ілюстрації і не повинні сприйматися як обмеження винаходу цими прикладами.

Приклад 1. Метанольний паливний елемент

Як анодний електрокаталізатор використовували 13 мг/см 2 Pt/Ru. Як каталізатор внутрішнього риформінгу використовували Сі (30% мacc.) - Zn (20% мас.) - Аl. Як катодний електрокаталізатор використовували 15 мг/см 2 Pt. Як електроліт використовували мембрану з CsH 2 PO 4 з товщиною 160 мкм. Перетворені на пару суміші метанолу і води подавали в анодний простір з витратою 100 мкл/хв. На катод з витратою 50 см 3 /хв (стандартні температура і тиск) подавали 30% зволожений кисень. Співвідношення метанолу: вода становила 25:75. Температуру елемента задавали рівною 260°С.

Приклад 2. Етанольний паливний елемент

Як анодний електрокаталізатор використовували 13 мг/см 2 Pt/Ru. Як каталізатор внутрішнього риформінгу використовували Сі (30% мacc.) - Zn (20% мас.) - Аl. Як катодний електрокаталізатор використовували 15 мг/см 2 Pt. Як електроліт використовували мембрану з CsH 2 PO 4 з товщиною 160 мкм. Перетворені на пару суміші етанолу і води подавали в анодний простір з витратою 100 мкл/хв. На катод з витратою 50 см 3 /хв (стандартні температура і тиск) подавали 30% зволожений кисень. Співвідношення етанол: вода складала 15:85. Температуру елемента задавали рівною 260°С.

Порівняльний приклад 1 - Паливний елемент із використанням чистого Н 2

Як анодний електрокаталізатор використовували 13 мг/см 2 Pt/Ru. Як катодний електрокаталізатор використовували 15 мг/см 2 Pt. Як електроліт використовували мембрану з CsH 2 PO 4 з товщиною 160 мкм. В анодний простір з витратою 100 мкл/хв подавали 3% зволожений водень. На катод з витратою 50 см 3 /хв (стандартні температура і тиск) подавали 30% зволожений кисень. Температуру елемента задавали рівною 260°С.

На фігурі 2 продемонстровані криві залежностей між питомою потужністю і напругою елемента для прикладів 1 і 2 і порівняльного прикладу 1. Як показано, для метанольного паливного елемента (приклад 1) досягається пікова питома потужність 69 мВт/см 2 для етанольного (приклад 2) паливного елемента досягається пікова питома потужність 53 мВт/см 2 а для водневого паливного елемента (порівняльний приклад 1) досягається пікова питома потужність 80

мВт/см 2 . Дані результати показують, що паливні елементи, отримані відповідно до прикладу 1 і порівняльного прикладу 1, дуже схожі, свідчуючи про те, що метанольний паливний елемент, що має риформер, демонструє експлуатаційні характеристики, майже такі ж хороші, як і у водневого паливного елемента, що є суттєвим покращенням. Однак, як показано в наведених далі прикладах і порівняльних прикладах, в результаті зменшення товщини електроліту досягається додаткове збільшення питомої потужності.

Паливний елемент виготовляли в результаті суспензійного осадження CsH 2 PO 4 на пористий носій з нержавіючої сталі, який служив як газодифузійного шару, так і струмознімач. Шар катодного електрокаталізатора спочатку осаджували на газодифузійний шар, а потім спресовували перед осадженням електроліту. Після цього осаджували шар анодного електрокаталізатора з подальшим розміщенням другого газодифузійного електрода як кінцевий шар структури.

В якості анодного електрода використовували суміш CsH 2 PO 4 Pt (50 атомних мас.%) Ru, Pt (40% мacc.) - Ru (20% мас.), нанесених на С (40% мас.), і нафталіну. Співвідношення компонентів у суміші CsH 2 PO 4:Pt-Ru:Pt-Ru-C: нафталін становило 3:3:1:0,5 (мас.). Використовували суміш у кількості 50 мг. Завантаження Pt та Ru становили 5,6 мг/см 2 та 2,9 мг/см 2 відповідно. Площа анодного електрода дорівнювала 1,74 см 2 .

Як катодний електрод використовували суміш CsH 2 PO 4 , Pt, Pt (50% мас.), нанесеної на С (50% мас.), і нафталіну. Співвідношення компонентів у суміші CsH 2 PO 4:Pt:Pt-C: нафталін становило 3:3:1:1 (мас.). Використовували суміш у кількості 50 мг. Завантаження Pt становили 7,7 мг/см 2 . Площа катода дорівнювала 2,3-2,9 см 1 .

Як каталізатор риформінгу використовували СuО (30% мас.) - ZnO (20% мас.) - Аl 2 O 3 , тобто СuО (31% мол.) - ZnO (16% мол.) - Аl 2 O 3 . Каталізатор риформінгу отримували за способом спільного осадження при використанні нітрату розчину міді, цинку і алюмінію (загальна концентрація металу становила 1 моль/л) і водного розчину карбонатів натрію (1,1 моль/л). Осад промивали деіонізованою водою, відфільтровували і висушували на повітрі при 120°С протягом 12 годин. Висушений порошок у кількості 1 г злегка спресовували до товщини 3,1 мм та діаметру 15,6 мм, а після цього прожарювали при 350°С протягом 2 годин.

Як електроліт використовували мембрану з CsH 2 PO 4 з товщиною 47 мкм.

Розчин метанол-вода (43% об. або 37% мас. або 25% мол. або 1,85 М метанолу) подавали через скляний випарник (200°С) з витратою 135 мкл/хв. Температуру елемента задавали рівною 260°С.

Паливний елемент отримували відповідно до наведеного вище прикладу 3, за винятком того, що через випарник (200°С) при витраті 114 мкл/хв подавали не суміш метанол-вода, а суміш етанол-вода (36% об. або 31% мас . або 15% мовляв, або 0,98 М етанолу).

Паливний елемент отримували відповідно до наведеного вище прикладу 3, за винятком того, що при витраті 100 мкл/хв замість суміші метанол-вода подавали горілку (Absolut Vodka, Швеція) (40% об. або 34% мас., або 17% мовляв . етанолу).

Порівняльний приклад 2

Паливний елемент отримували відповідно до наведеного вище прикладу 3, за винятком того, що замість суміші метанол-вода використовували висушений водень у кількості 100 стандартних кубічних сантиметрів за хвилину, зволожений гарячою водою (70°С).

Порівняльний приклад 3

Паливний елемент отримували відповідно до наведеного вище прикладу 3, за винятком того, що ніякого каталізатора риформінгу не використовували, а температуру елемента задавали рівною 240°С.

Порівняльний приклад 4

Паливний елемент отримували відповідно до порівняльного прикладу 2, за винятком того, що температуру елемента задавали рівною 240°С.

На малюнку 3 продемонстровані криві залежностей між питомою потужністю і напругою елемента для прикладів 3, 4 і 5 і порівняльного прикладу 2. Як показано, для метанольного паливного елемента (приклад 3) досягається пікова питома потужність 224 мВт/см 2 , що являє собою значне збільшення питомої потужності в порівнянні з паливним елементом, отриманим відповідно до прикладу 1 і мають набагато товстіший електроліт. Даний метанольний паливний елемент також демонструє різке поліпшення експлуатаційних характеристик у порівнянні з метанольними паливними елементами, що не використовують внутрішнього риформера, що краще продемонстровано на фігурі 4. , Що має товщу мембрану електроліту (приклад 2). Однак, як показано, метанольний паливний елемент (приклад 3) демонструє кращі експлуатаційні характеристики у порівнянні з етанальним паливним елементом (приклад 4). Для горілочного паливного елемента (приклад 5) досягаються питомі потужності, які можна порівняти з відповідними характеристиками етанольного паливного елемента. Як показано на малюнку 3, метанольний паливний елемент (приклад 3) демонструє експлуатаційні характеристики, приблизно такі ж хороші, як і у водневого паливного елемента (порівняльний приклад 2).

На фігурі 4 продемонстровані криві залежностей між питомою потужністю і напругою елемента для порівняльних прикладів 3 і 4. Як показано, для метанольного паливного елемента, що не має риформера, (порівняльний приклад 3) досягаються питомі потужності, значно менші в порівнянні з відповідними характеристиками, що досягаються водневого паливного елемента (порівняльний приклад 4). Крім того, на фігурах 2, 3 і 4 показано, що в порівнянні з метанольним паливним елементом, що не має риформера (порівняльний приклад 3), для метанольних паливних елементів, що мають риформери (приклади 1 і 3), досягаються значно більші питомі потужності.

Попереднє опис було представлено для ознайомлення з кращими на даний момент варіантами реалізації винаходу. Фахівці у відповідній галузі техніки та технології, до якої належить даний винахід, повинні розуміти те, що в описані варіанти реалізації можуть бути внесені зміни та модифікації без значного відхилення від принципів, обсягу та сутності даного винаходу. Відповідно до цього наведений вище опис не повинен сприйматися як відноситься тільки до конкретних описаних варіантів реалізації, але швидше повинно розумітися як узгоджується з наступною далі формулою винаходу, яка містить найбільш повний і найбільш об'єктивний обсяг винаходу, і обгрунтовує її.

1. Паливний елемент, що включає: анодний електрокаталітичний шар, катодний електрокаталітичний шар, шар електроліту, що містить тверду кислоту, газодифузійний шар і каталізатор внутрішнього риформінгу, розташований поруч з анодним електрокаталіти шаром і знаходиться у фізичному контакті з анодним електрокаталітичним шаром.

2. Паливний елемент п.1, де твердий кислотний електроліт містить CsH 2 PO 4 .

3. Паливний елемент за п.1, де каталізатор риформінгу вибирають із групи, що складається з сумішей оксидів Cu-Zn-Al, сумішей оксидів Cu-Co-Zn-Al та сумішей оксидів Cu-Zn-Al-Zr.

4. Спосіб експлуатації паливного елемента, що включає:





подання палива; і експлуатацію паливного елемента при температурі в діапазоні приблизно від 100°С до приблизно 500°С.

5. Спосіб за п.4, де паливом є спирт.

6. Спосіб за п.4, де паливо вибирають із групи, що складається з метанолу, етанолу, пропанолу та диметилового ефіру.

7. Спосіб за п.4, де паливний елемент експлуатують при температурі в діапазоні приблизно від 200°С до приблизно 350°С.

8. Спосіб за п. 4, де каталізатор риформінгу вибирають із групи, що складається з сумішей оксидів Cu-Zn-Al, сумішей оксидів Cu-Co-Zn-Al та сумішей оксидів Cu-Zn-Al-Zr.

9. Спосіб за п. 4, де електроліт містить тверду кислоту.

10. Спосіб за п. 9, де тверда кислота містить CsH 2 PO 4 .

11. Спосіб експлуатації паливного елемента, що включає:
формування анодного електрокаталітичного шару;
формування катодного електрокаталітичного шару;
формування шару електроліту, що містить тверду кислоту;
формування газодифузійного шару та
формування каталізатора внутрішнього риформінгу поряд з анодним електрокаталітичним шаром, так, що каталізатор внутрішнього риформінгу розташований між анодним електрокаталітичним шаром і газодифузійним шаром і знаходиться у фізичному контакті з анодним електрокаталітичним шаром;
подання палива; і експлуатацію паливного елемента при температурі в діапазоні приблизно від 200°С до приблизно 350°С.

12. Спосіб за п.11, де паливом є спирт.

13. Спосіб за п.11, де паливо вибирають із групи, що складається з метанолу, етанолу, пропанолу та диметилового ефіру.

14. Спосіб за п.11, де каталізатор риформінгу вибирають із групи, що складається з суміші оксидів Cu-Zn-Al, сумішей оксидів Cu-Co-Zn-Al та сумішей оксидів Cu-Zn-Al-Zr.

15. Спосіб за п.11, де електроліт містить тверду кислоту.

16. Спосіб за п.15, де тверда кислота містить CsH 2 PO 4 .

17. Спосіб експлуатації паливного елемента, що включає:
формування анодного електрокаталітичного шару;
формування катодного електрокаталітичного шару;
формування шару електроліту, що містить тверду кислоту;
формування газодифузійного шару та
формування каталізатора внутрішнього риформінгу поряд з анодним електрокаталітичним шаром, так, що каталізатор внутрішнього риформінгу розташований між анодним електрокаталітичним шаром і газодифузійним шаром і знаходиться у фізичному контакті з анодним електрокаталітичним шаром;
подання спиртового палива; і експлуатацію паливного елемента при температурі в діапазоні приблизно від 100°С до приблизно 500°С.

18. Спосіб за п.17, де паливо вибирають із групи, що складається з метанолу, етанолу, пропанолу та диметилового ефіру.

19. Спосіб за п.17, де паливний елемент експлуатують при температурі в діапазоні приблизно від 200°С до приблизно 350°С.

20. Спосіб за п.17, де каталізатор риформінгу вибирають із групи, що складається з сумішей оксидів Cu-Zn-Al, сумішей оксидів Cu-Co-Zn-Al та сумішей оксидів Cu-Zn-Al-Zr.

21. Спосіб за п.17, де твердий кислотний електроліт містить CsH 2 PO 4 .

22. Спосіб експлуатації паливного елемента, що включає:
формування анодного електрокаталітичного шару;
формування катодного електрокаталітичного шару;
формування шару електроліту, що містить тверду кислоту;
формування газодифузійного шару та
формування каталізатора внутрішнього риформінгу поряд з анодним електрокаталітичним шаром, так, що каталізатор внутрішнього риформінгу розташований між анодним електрокаталітичним шаром і газодифузійним шаром і знаходиться у фізичному контакті з анодним електрокаталітичним шаром;
подання спиртового палива; і експлуатацію паливного елемента при температурі в діапазоні приблизно від 200°С до приблизно 350°С.

Винахід відноситься до спиртових паливних елементів прямої дії, що використовують тверді кислотні електроліти та каталізатори внутрішнього риформінгу.

Підготуйте все потрібне.Щоб зробити простий паливний елемент, вам знадобиться 30 сантиметрів платинового або покритого платиним дротом, паличка для морозива, 9-вольтова батарейка та тримач для неї, прозорий скотч, склянка води, кухонна сіль (необов'язково), тонкий металевий стрижень та вольтметр.

• 9-вольтову батарейку та батарейний тримач можна придбати в магазині електроніки або побутової техніки.

Відріжте від платинового або покритого платиною дроту два шматочки довжиною 15 сантиметрів.Платиновий дріт використовується для спеціальних цілей, його можна придбати в магазині електроніки. Вона послужить як каталізатор реакції.

Ще середньовічний вчений Парацельс під час одного зі своїх експериментів помітив, що при контакті сірчаної кислоти з ферумом утворюються повітряні бульбашки. Насправді це був водень (але не повітря, як вважав учений) – легкий безбарвний газ, що не має запаху, який за певних умов стає вибухонебезпечним.

Ниніопалення воднем своїми руками - Річ дуже поширена. Справді, водень можна одержувати практично у необмеженій кількості, головне, щоб були вода та електроенергія.

Такий спосіб опалення було розроблено однією з італійських компаній. Водневий котел працює, не утворюючи жодних шкідливих відходів, через що вважається екологічним і безшумним способом обігріву будинку. Інновація розробки в тому, що вченим вдалося досягти спалювання водню за відносно низької температури (близько 300°С), а це дозволило виготовляти подібні опалювальні котли з традиційних матеріалів.

При роботі котел виділяє лише нешкідливу пару, і єдине, що потребує витрат – це електроенергія. А якщо поєднати таке з сонячними панелями (геліосистемою), то ці витрати можна взагалі звести до нуля.

Зверніть увагу! Найчастіше котли на водні використовуються для нагрівання систем теплої підлоги, які можна легко змонтувати своїми руками.

Як все відбувається? Кисень входить у реакцію з воднем і, як пам'ятаємо з уроків хімії середніх класах, утворює молекули води. Реакція провокується каталізаторами, в результаті виділяється теплова енергія, що нагріває воду приблизно до 40?С - ідеальної температури для «теплої підлоги».

Регулювання потужності котла дозволяє досягти певного температурного показника, необхідного для опалення приміщення з тією чи іншою площею. Також варто відзначити, що такі котли вважаються модульними, тому що складаються з кількох незалежних каналів. У кожному з каналів є згаданий вище каталізатор, в результаті теплообмінник надходить теплоносій, що вже досяг необхідного показника в 40?С.

Зверніть увагу! Особливістю такого обладнання є те, що кожен із каналів здатний виробляти різну температуру. Таким чином, один із них можна провести до «теплої підлоги», другий до сусіднього приміщення, третій до стелі тощо.

Основні переваги опалення на водні

Даний спосіб обігріву будинку має кілька істотних переваг, якими зумовлена ​​популярність системи, що зростає.

1. Вражаючий ККД, який нерідко сягає 96%.
2. Екологічність. Єдиний побічний продукт, що виділяється в атмосферу - це водяна пара, яка не здатна нашкодити навколишньому середовищу в принципі.
3. Водневе опалення поступово замінює традиційні системи, звільняючи людей від потреби у видобутку природних ресурсів – нафти, газу, вугілля.
4. Гідроген діє без вогню, теплова енергія утворюється шляхом каталітичної реакції.

Чи можна самостійно зробити водневе опалення?

В принципі це можливо. Головний елемент системи – котел – можна створити на основі ННО генератора, тобто звичайного електролізера. Всі ми пам'ятаємо шкільні досліди, коли засовували в ємність із водою оголені дроти, підключені до розетки шляхом випрямляча. Так ось, для спорудження котла вам потрібно буде повторити цей досвід, але вже в більших масштабах.

Зверніть увагу! Водневий котел використовується з теплою підлогою, про що ми вже говорили. Але облаштування такої системи – це тема вже іншої статті, тому ми спиратимемося на те, що «тепла підлога» вже влаштована і готова до використання.

Будівництво водневого пальника

Приступаємо до створення водного пальника. Традиційно, починатимемо з приготування необхідних інструментів та матеріалів.

Що знадобиться в роботі

1. Аркуш «нержавійки».
2. Зворотній клапан.
3. Два болти 6х150, гайки та шайби до них.
4. Фільтр проточної очистки (від пральної машини).
5. Прозора трубка. Для цього ідеально підходить водяний рівень – у магазинах будматеріалів він продається по 350 карбованців за 10 м.
6. Пластиковий герметичний контейнер для їжі ємністю 1,5л. Орієнтовна ціна - 150 рублів.
7. Штуцери з «ялинкою» ø8 мм (такі відмінно підійдуть для шланга).
8. Болгарка для розпилювання металу.

А тепер розберемося, яку саме нержавіючу сталь потрібно використати. В ідеалі для цього слід взяти сталь 03Х16Н1. Але купити цілий лист «нержавіючої сталі» часом дуже накладно, адже виріб товщиною 2 мм коштує більше 5500 рублів, до того ж його потрібно якось привезти. Тому якщо десь завалявся невеликий шматок такої сталі (вистачить і 0,5х0,5 м), то можна обійтися і їм.

Ми будемо використовувати нержавіючу сталь, тому що звичайна, як відомо, у воді починає іржавіти. Більш того, в нашій конструкції ми маємо намір застосовувати луг замість води, тобто середовище більш ніж агресивне, та й під дією електроструму звичайна сталь довго не прослужить.

Відео - Генератор газу Брауна проста модель комірки з 16 пластин нержавіючої сталі

Інструкція з виготовлення

Перший етап. Для початку беремо лист сталі та розміщуємо його на рівній поверхні. З листа зазначених вище розмірів (0,5х0,5 м) має вийти 16 прямокутників для майбутнього пальника на водні, вирізати їх болгаркою.

Зверніть увагу! Один із чотирьох кутів кожної пластини ми спилюємо. Це потрібно, щоб у майбутньому з'єднати пластини.

Другий етап. На звороті пластин просвердлюємо отвори для болта. Якби ми планували зробити «сухий» електролізер, то просвердлили отвори та знизу, але в цьому випадку цього робити не треба. Справа в тому, що «суха» конструкція набагато складніша, та й корисна площа пластин у ній використовувалася б не на 100%. Ми ж зробимо «мокрий» електролізер – пластини повністю зануряться в електроліт, а реакції буде брати участь вся їх площа.

Третій етап. Принцип роботи описуваного пальника ґрунтується на наступному: електрострум, проходячи через занурені в електроліт пластини, призведе до того, що вода (вона повинна входити до складу електроліту) розкладеться на кисень (О) та водень (Н). Отже, ми повинні розташовувати одночасно двома пластинами – катодом та анодом.

Зі збільшенням площі цих пластин збільшується обсяг газу, тому в даному випадку використовуємо по вісім штук на катод та анод відповідно.

Зверніть увагу! Пальник, що розглядається нами, - це конструкція з паралельним включенням, яка, чесно кажучи, є не найефективнішою. Але вона простіша у виконанні.

Четвертий етап. Далі нам належить встановити пластини в пластиковий контейнер так, щоб вони чергувалися: плюс, мінус, плюс, мінус тощо. Для ізоляції пластин використовуємо шматки прозорої трубки (ми купили її цілих 10 м, тому запас є).

Нарізаємо з трубки невеликі кільця, розрізаємо їх та отримуємо смужки товщиною приблизно 1 мм. Це ідеальна відстань, щоб водень у конструкції ефективно генерувався.

П'ятий етап. Пластини кріпимо один до одного за допомогою шайб. Робимо це наступним чином: надягаємо шайбу на болт, потім пластину, після неї три шайби, ще одну пластину, знову три шайби і т. д. Вісім штук вішаємо на катод, вісім – на анод.

Зверніть увагу! Це потрібно робити дзеркально, тобто анод ми розгортаємо на 180?. Так "плюси" зайдуть у зазори між пластинами "мінуса".

Шостий етап. Дивимося, куди саме в контейнері упираються болти, просвердлюємо там отвори. Якщо раптом болти не поміщаються в контейнер, ми спилюємо їх до необхідної довжини. Потім вставляємо болти в отвори, надягаємо на них шайби та затискаємо гайками – для кращої герметичності.

Далі проробляємо дірку в кришці для штуцера, вкручуємо сам штуцер (бажано намазавши місце з'єднання силіконовим герметиком). Дуємо в штуцер, щоб перевірити герметичність кришки. Якщо повітря все ж таки виходить з-під неї, то промазуємо і це з'єднання герметиком.

Сьомий етап. Після закінчення збирання тестуємо готовий генератор. Для цього підключаємо до нього будь-яке джерело, заповнюємо контейнер водою та закриваємо кришку. Далі на штуцер надягаємо шланг, який опускаємо в ємність із водою (щоб побачити бульбашки повітря). Якщо джерело недостатньо потужне, то їх у ємності не буде, але в електролізері вони з'являться обов'язково.

Далі нам потрібно підвищити інтенсивність виходу газу через збільшення напруги в електроліті. Тут варто відзначити, що вода в чистому вигляді не є провідником - струм проходить через неї завдяки домішкам і солі, що є в ній. Ми ж розбавимо у воді трохи лугу (наприклад, гідроксид натрію відмінно підходить – у магазинах він продається у вигляді засобу для чищення «Крот»).

Зверніть увагу! На цьому етапі ми повинні адекватно оцінити можливості джерела живлення, тому перед вливанням лугу ми підключаємо амперметр до електролізера – так ми зможемо простежити збільшення струму.

Відео - Опалення воднем. Акумулятори на водневому елементі

Далі поговоримо про інші складові водневого пальника – фільтр для прання та клапана. Обидва призначаються для захисту. Клапан не дозволить водню, що загорівся, проникнути назад в конструкцію і підірвати газ, що скупчився під кришкою електролізера (нехай його там і небагато). Якщо не встановимо клапан, контейнер пошкодиться і луг витікає назовні.

Фільтр же знадобиться для виготовлення водяного затвора, який відіграватиме роль бар'єра, який запобігатиме вибуху. Народні умільці, які не з чуток знайомі з конструкцією саморобного пальника на водні, називають цей затвор «бульбулятором». І справді, він по суті лише створює бульбашки повітря у воді. Для самого пальника використовуємо той самий прозорий шланг. Все, водневий пальник готовий!

Залишається лише приєднати її до входу системи «тепла підлога», герметизувати з'єднання та розпочати безпосередньо експлуатацію.

Як висновок. Альтернатива

Альтернативою, нехай і дуже спірною, є газ Брауна – хімічна сполука, що складається з одного атома кисню та двох водню. Горіння такого газу супроводжується утворенням теплової енергії (причому вчетверо потужніше, ніж описаної вище конструкції).

Для опалення будинку газом Брауна теж використовуються електролізери, адже цей спосіб отримання тепла також ґрунтується на електролізі. Створюються спеціальні котли, у яких під впливом змінного струму молекули хімічних елементів роз'єднуються, утворюючи заповітний газ Брауна.

Відео – Збагачений газ Брауна

Цілком можливо, що інноваційні енергоносії, резерв яких практично безмежний, незабаром витіснять невідновлювані природні ресурси, звільнивши нас від необхідності перманентного видобутку копалин. Такий перебіг подій позитивно позначиться як на навколишньому середовищі, а й у екології планети загалом.

Також читайте на нашій статті – парове опалення своїми руками.

Відео - Опалення воднем

Перетворюють хімічну енергію безпосередньо на електрику, минаючи попередні трансформації. Незважаючи на очевидні вигоди у продуктивності, відразу після винаходу елементи не викликали фурор на ринку через їхню складність. Але зелені технології розвиваються. Дослідники з та компанії Vaillant розробили простий пристрій, доступний для побутового використання.

«Слід завжди говорити про систему паливних елементів», - розповідає доктор Маттіас Ян (MatthiasJahn),глава департаменту модулів та системІнституту Фраунгофера керамічних технологій та систем(Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems, IKTS)у Дрездені. Одна осередок виробляє невелику напругу, недостатню для енергопостачання об'єктів. Тому, за аналогією з акумуляторними батареями кілька паливних елементів об'єднують в єдину систему. Кожен паливний елемент розміром із компакт-диск. «Ми називаємо групи[ елементів ] стеками», - пояснює доктор Ян.

Паливні елементи перетворять природний газ у електроенергію. Вони набагато ефективніші, ніжустановки з двигунами внутрішнього згоряння, які використовують кілька щаблів перетворення. Спочатку енергія, що вивільняється в результаті спалювання палива, перетворюєтьсядвигуном в механічну, за допомогою якою обертається вал електричного генератора. В результаті ланцюжка перетворень більшість енергії втрачається.

Спільно з відомим виробником нагрівального обладнання Vaillant, Інститут Фраунгофера розробив компактну, безпечну та надійну систему паливних елементів, що генерує електрику та тепло для приватних господарств із природного газу.В даний час убудування проходить тестову практичну експлуатацію у приватних домашніх господарствах.

Своїми розмірами домашня енергетична установка на паливних елементах, пристосована для настінної установки, не відрізняється від звичайних нагрівальних котлів, проте виробляє не тільки тепло, але й електричну енергію. Вихідна потужність складає 1 кВт,що достатньо для забезпечення потребсередньої сім та з 4 осіб.

У рамках європейського демонстраційного проекту ene.field близько 150 таких енергетичних блоків встановлено у низці країн ЄС. Крім цього, на початку 2014 року Valliant почав їх дрібносерійне виробництво.

Т Опівні елементи мініатюрної технологічно відрізняються про ті, що в основному використовуються в автомобілях.Про основна експлуатаційна відмінність у ступені нагрівання. Якщо робоча температура автомобільних паливних елементів на мембрані протонного обміну сягає 80 градусів, товикористана Дослідниками з Інституту Фраунгофера технологія твердих паливних елементів передбачає розігрів до 850 градусів. Однак при цьому тверді елементи дешевші і простіші. Як електроліт в них використовується кераміка, яка не містить дорогоцінних та рідкісних металів.