DIY üzemanyagcellás otthon. Az üzemanyagcellás technológia és felhasználása az autókban

A közelmúltban a laptopok lítium-ion akkumulátorok hibája miatti túlmelegedésével, tüzeivel, sőt felrobbanásával kapcsolatos események fényében nem lehet mást tenni, mint felidézni az új alternatív technológiákat, amelyek a szakértők többsége szerint a jövőben kiegészíthetik, ill. cserélje ki a mai hagyományos újratölthető akkumulátorokat. Új energiaforrásokról – üzemanyagcellákról – beszélünk.

Az Intel egyik alapítója, Gordon Moore által 40 évvel ezelőtt megfogalmazott empirikus törvény szerint a processzor teljesítménye 18 havonta megduplázódik. Az akkumulátorok nem tudnak lépést tartani a chipekkel. A kapacitásuk a szakértők szerint évente csak 10%-kal nő.

Az üzemanyagcella egy cellás (porózus) membrán alapján működik, amely elválasztja az üzemanyagcella anód- és katódterét. Ez a membrán mindkét oldalán megfelelő katalizátorral van bevonva. Az anódhoz tüzelőanyagot vezetnek, ebben az esetben metanolos oldatot (metil-alkohol) használnak. Az üzemanyag bomlásának kémiai reakciója következtében szabad töltések képződnek, amelyek a membránon keresztül a katódig hatolnak. Az elektromos áramkör így zárva van, és benne elektromos áram jön létre, amely a készüléket táplálja. Az ilyen típusú üzemanyagcellákat közvetlen metanolos üzemanyagcellának (DMFC) nevezik. Az üzemanyagcellák fejlesztése már régen elkezdődött, de az első eredmények, amelyek a lítium-ion akkumulátorokkal való valódi versenyről beszéltek, csak az elmúlt két évben születtek.

2004-ben mintegy 35 gyártó volt a piacon ilyen készülékek piacán, de csak néhány cég tudott jelentős sikerről nyilatkozni ezen a területen. Januárban a Fujitsu bemutatta fejlesztését – az akkumulátor vastagsága 15 mm volt, és 300 mg 30 százalékos metanolos oldatot tartalmazott. A 15 W-os teljesítmény lehetővé tette a laptop 8 órán keresztül történő táplálását. Egy hónappal később egy kis cég, a PolyFuel jelentette be elsőként azon membránok kereskedelmi gyártását, amelyeket üzemanyag-tápegységekkel kell felszerelni. A Toshiba pedig már márciusban bemutatta az üzemanyaggal működő mobil PC prototípusát. A gyártó kijelentette, hogy egy ilyen laptop ötször tovább bírja, mint egy hagyományos akkumulátort használó laptop.

2005-ben az LG Chem bejelentette saját üzemanyagcellájának létrehozását. Körülbelül 5 évet és 5 milliárd dollárt költöttek a fejlesztésére. Ennek eredményeként sikerült létrehozni egy 25 W teljesítményű és 1 kg tömegű eszközt, amely USB interfészen keresztül csatlakozik egy laptophoz, és 10 órán keresztül biztosítja a működését. Az idei, 2006-os évet is számos érdekes fejlemény jellemezte. Különösen az Ultracell cég amerikai fejlesztői mutattak be egy üzemanyagcellát, amely 25 W teljesítményt biztosít, és három cserélhető patronnal van felszerelve, 67 százalékos metanollal. 24 órán át képes táplálni egy laptopot. Az akkumulátor súlya körülbelül egy kilogramm volt, minden patron súlya körülbelül 260 gramm.

Amellett, hogy nagyobb kapacitást tudnak biztosítani, mint a lítium-ion akkumulátorok, a metanolos akkumulátorok nem robbanásveszélyesek. A hátrányok közé tartozik a meglehetősen magas költség és a metanol patronok rendszeres cseréjének szükségessége.

Még ha az üzemanyag-akkumulátorok nem is váltják fel a hagyományos akkumulátorokat, nagy valószínűséggel együtt fogják használni őket. A szakértők szerint az üzemanyagcella-piac 2006-ban körülbelül 600 millió dollár lesz, ami meglehetősen szerény adat. 2010-re azonban a szakértők háromszoros növekedését jósolják - akár 1,9 milliárd dollárra.

„Az alkoholos akkumulátorok felváltják a lítium akkumulátorokat” című cikk megvitatása

zemoneng

Szent ég, egy női magazinban találtam információt erről a készülékről.
Nos, erről szólok néhány szót:
1: az a kellemetlenség, hogy 6-10 üzemóra után új patront kell keresni, ami drága. Miért költsek pénzt erre a hülyeségre?
2: amennyire én értem, a metil-alkoholból való energia vétele után víz szabaduljon fel. A laptop és a víz összeférhetetlen dolgok.
3: miért írsz női magazinokba? A „Nem tudok semmit.” és a „Mi ez?” megjegyzésekből ítélve ez a cikk nem a SZÉPSÉGEKNEK szentelt webhely szintjén van.

Beillesztem a betöltő tömlő csatlakozóját az üzemanyagtöltő nyakba és fél fordulattal elfordítom, hogy tömítsem a csatlakozást. A váltókapcsoló kattanása - és a benzinszivattyún villogó LED hatalmas h3 felirattal jelzi, hogy megkezdődött a tankolás. Egy perc – és megtelt a tank, mehet!

Elegáns karosszériakontúrok, ultraalacsony felfüggesztés, alacsony profilú slickek igazi versenysportot adnak. Az átlátszó burkolaton keresztül csővezetékek és kábelek bonyolult hálózata látható. Valahol láttam már hasonló megoldást... Na igen, az Audi R8-on a motor is látszik a hátsó ablakon keresztül. Az Audi azonban hagyományos benzines, és ez az autó hidrogénnel működik. A BMW Hydrogen 7-hez hasonlóan, de utóbbival ellentétben nincs belső égésű motor. Az egyetlen mozgó alkatrész a kormánymű és az elektromos motor forgórésze. Az energiát pedig egy üzemanyagcella biztosítja. Ezt az autót a szingapúri Horizon Fuel Cell Technologies cég gyártotta, amely üzemanyagcellák fejlesztésére és gyártására szakosodott. 2009-ben a brit Riversimple cég már bemutatott egy városi hidrogén-autót, amelyet Horizon Fuel Cell Technologies üzemanyagcellás hajt. Az oxfordi és a cranfieldi egyetemekkel együttműködésben fejlesztették ki. A Horizon H-racer 2.0 azonban egyéni fejlesztés.

Az üzemanyagcella két porózus elektródából áll, amelyek katalizátorréteggel vannak bevonva, és protoncserélő membránnal vannak elválasztva. Az anódkatalizátorban lévő hidrogén protonokká és elektronokká alakul, amelyek az anódon és egy külső elektromos áramkörön keresztül jutnak el a katódra, ahol a hidrogén és az oxigén újraegyesülve vizet képez.

"Megy!" - bökte meg könyökével a főszerkesztő Gagarin stílusban. De nem olyan gyorsan: először „fel kell melegíteni” az üzemanyagcellát részterhelésnél. A váltókapcsolót „bemelegítés” módba kapcsolom, és megvárom a megadott időt. Aztán minden esetre feltöltöm a tankot, amíg megtelik. Most pedig menjünk: az autó simán zümmögő motorral halad előre. Lenyűgöző a dinamika, bár mellesleg mi mást is várhatnánk egy elektromos autótól - a nyomaték minden sebességnél állandó. Bár nem sokáig - egy teli hidrogéntartály csak néhány percig tart (a Horizon azt ígéri, hogy a közeljövőben kiad egy új verziót, amelyben a hidrogént nem gázként tárolják nyomás alatt, hanem egy porózus anyag tartja vissza az adszorberben ). És őszintén szólva, nem nagyon irányítható - csak két gomb van a távirányítón. De mindenesetre kár, hogy ez csak egy rádióvezérlésű játék, ami 150 dollárba került. Nem bánnánk, ha egy igazi üzemanyagcellás autót vezetnénk a teljesítményért.

A tank, egy merev burkolatban elasztikus gumitartály, tankoláskor megnyúlik, és üzemanyag-szivattyúként működik, „préseli” a hidrogént az üzemanyagcellába. A tartály „túltöltése” elkerülése érdekében az egyik szerelvény egy műanyag csővel csatlakozik a vészhelyzeti nyomáscsökkentő szelephez.

Benzinkút

Csináld magad

A Horizon H-racer 2.0 gépet készletként szállítjuk nagyméretű összeszereléshez (csináld magad), megvásárolhatod például az Amazonon. Összeszerelése azonban nem nehéz - csak helyezze a helyére az üzemanyagcellát és rögzítse csavarokkal, csatlakoztassa a tömlőket a hidrogéntartályhoz, az üzemanyagcellához, a töltőcsonkhoz és a vészszelephez, és már csak a felső része marad. karosszéria a helyén, nem feledkezve meg az első és a hátsó lökhárítóról sem. A készlet tartalmaz egy töltőállomást, amely víz elektrolízisével hidrogént állít elő. Két AA elemmel működik, ha pedig teljesen „tiszta” energiát akarunk, akkor napelemekkel (ezek is benne vannak a készletben).

www.popmech.ru

Hogyan készítsünk üzemanyagcellát saját kezűleg?

Természetesen a tüzelőanyag-mentes rendszerek folyamatos működésének biztosításának problémájára a legegyszerűbb megoldás egy kész másodlagos energiaforrás beszerzése hidraulikus vagy bármilyen más alapon, de ebben az esetben biztosan nem lehet elkerülni a további kiegészítőket. költségekkel jár, és ebben a folyamatban meglehetősen nehéz bármilyen ötletet figyelembe venni a kreatív gondolatok repülésére. Ezenkívül az üzemanyagcella saját kezű készítése egyáltalán nem olyan nehéz, mint első pillantásra gondolná, és még a legtapasztalatlanabb mesterember is megbirkózik a feladattal, ha kívánja. Ezen túlmenően, több mint kellemes bónusz lesz ennek az elemnek az alacsony költsége, mert minden előnye és jelentősége ellenére teljesen könnyen beérheti a már kéznél lévő eszközöket.

Ebben az esetben az egyetlen árnyalat, amelyet a feladat elvégzése előtt figyelembe kell venni, az az, hogy rendkívül alacsony fogyasztású készüléket készíthet saját kezűleg, és a fejlettebb és összetettebb telepítések kivitelezését továbbra is képzett szakemberekre kell bízni. Ami a munkarendet és a műveletek sorrendjét illeti, az első lépés a test befejezése, amelyhez a legjobb vastag falú plexi (legalább 5 centiméteres) használata. A ház falainak ragasztásához és belső válaszfalak beépítéséhez, amelyhez a legjobb vékonyabb plexi (3 milliméter elegendő), ideális esetben használjon kétkompozit ragasztót, bár ha nagyon akarja, maga is elvégezheti a kiváló minőségű forrasztást, a következő arányokkal: 100 gramm kloroformra - 6 gramm forgács ugyanabból a plexiből.

Ebben az esetben a folyamatot kizárólag burkolat alatt kell végrehajtani. Ahhoz, hogy a házat úgynevezett lefolyórendszerrel felszereljük, óvatosan kell fúrni egy átmenő lyukat az elülső falába, amelynek átmérője pontosan megegyezik a gumidugó méreteivel, amely egyfajta tömítésként szolgál a tokot és az üveg leeresztő csövet. Ami magának a csőnek a méretét illeti, ideális esetben a szélessége öt-hat milliméter legyen, bár minden a tervezett szerkezet típusától függ. Valószínűbb, hogy az üzemanyagcella készítéséhez szükséges elemek listájában felsorolt ​​régi gázálarc némi meglepetést okoz a cikk potenciális olvasói körében. Eközben ennek a készüléknek a teljes előnye a légzésvédő rekeszeiben található aktív szénben rejlik, amely később elektródaként is használható.

Mivel púderes állagról beszélünk, a dizájn javításához nylon harisnyára lesz szükség, amiből könnyedén készíthetsz zacskót és beleteheted a szenet, különben egyszerűen kiborul a lyukból. Ami az elosztási funkciót illeti, az üzemanyag koncentrációja az első kamrában történik, míg az üzemanyagcella normál működéséhez szükséges oxigén éppen ellenkezőleg, az utolsó, ötödik rekeszben kering. Magát az elektrolitot, amely az elektródák között helyezkedik el, speciális oldatba kell áztatni (125-2 milliliter paraffinos benzin), és ezt meg kell tenni, mielőtt a levegő elektrolitot a negyedik rekeszbe helyezné. A megfelelő vezetőképesség biztosítása érdekében a szén tetejére előforrasztott vezetékekkel ellátott rézlemezeket helyeznek, amelyeken keresztül az elektródákról áramot továbbítanak.

Ez a tervezési szakasz biztonságosan tekinthető a végső szakasznak, amely után a kész készüléket feltöltik, amelyhez elektrolitra lesz szükség. Az elkészítéséhez egyenlő arányban össze kell keverni az etil-alkoholt desztillált vízzel, és fokozatosan el kell kezdeni a maró kálium bevezetését pohár folyadékonként 70 grammos arányban. A legyártott készülék első tesztje a plexi ház első (üzemanyag-folyadék) és harmadik (etil-alkoholból és maró káliumból készült elektrolit) tartályának egyidejű feltöltését jelenti.

uznay-kak.ru

Hidrogén üzemanyagcellák | LEVENT

Régóta szerettem volna mesélni az Alfaintek cég másik irányáról. Ez a hidrogén üzemanyagcellák fejlesztése, értékesítése és szervizelése. Azonnal szeretném elmagyarázni az oroszországi üzemanyagcellák helyzetét.

A meglehetősen magas költségek és az üzemanyagcellák töltésére szolgáló hidrogénállomások teljes hiánya miatt Oroszországban nem várható értékesítésük. Ennek ellenére Európában, különösen Finnországban, ezek az üzemanyagcellák évről évre egyre népszerűbbek. mi a titok? Nézzük meg. Ez a készülék környezetbarát, könnyen használható és hatékony. Ott jön a segítség az embernek, ahol elektromos energiára van szüksége. Magával viheti útra, kirándulásra, vagy használhatja vidéki házában vagy lakásában autonóm áramforrásként.

Az üzemanyagcellában az elektromosságot a tartályból származó hidrogén fém-hidriddel és a levegő oxigénjével történő kémiai reakciójával állítják elő. A henger nem robbanásveszélyes, és évekig tárolható a szekrényben, a szárnyakban várva. Talán ez az egyik fő előnye ennek a hidrogéntárolási technológiának. A hidrogén tárolása az egyik fő probléma a hidrogénüzemanyag fejlesztésében. Egyedülálló új, könnyű üzemanyagcellák, amelyek biztonságosan, csendesen és károsanyag-kibocsátás nélkül alakítják át a hidrogént hagyományos elektromos árammá.

Ez a fajta áram olyan helyeken használható, ahol nincs központi áram, vagy vészáramforrásként.

A hagyományos akkumulátoroktól eltérően, amelyeket a töltési folyamat során fel kell tölteni és le kell választani az elektromos fogyasztóról, az üzemanyagcella „okos” eszközként működik. Ez a technológia megszakítás nélküli áramellátást biztosít a teljes használati idő alatt, köszönhetően az üzemanyagtartály cseréjekor működő egyedülálló energiatakarékos funkciónak, amely lehetővé teszi a felhasználó számára, hogy soha ne kapcsolja ki a fogyasztót. Zárt tokban az üzemanyagcellák több évig tárolhatók anélkül, hogy elveszítenék a hidrogén térfogatát és csökkentenék a teljesítményüket.

Az üzemanyagcellát tudósoknak és kutatóknak, rendfenntartóknak, katasztrófavédelemnek, hajó- és kikötőtulajdonosoknak, valamint bárki másnak tervezték, akinek vészhelyzet esetén megbízható áramforrásra van szüksége. Kaphat 12 voltot vagy 220 voltot, és akkor lesz elegendő energiája a tévé, a hifi, a hűtőszekrény, a kávéfőző, a vízforraló, a porszívó, a fúró, a mikrotűzhely és egyéb elektromos készülékek működtetésére.

A hidrocellás üzemanyagcellák egy egységben vagy 2-4 cellás akkumulátorokban is értékesíthetők. Két vagy négy elem kombinálható a teljesítmény vagy az áramerősség növelése érdekében.

ÜZEMANYAGCELLÁS HÁZTARTÁSI KÉSZÜLÉKEK ÜZEMIDŐJE

* - folyamatos működés

Az üzemanyagcellákat speciális hidrogénállomásokon töltik fel teljesen. De mi van akkor, ha messze utazik tőlük, és nincs mód a feltöltődésre? Az Alfaintek szakemberei különösen ilyen esetekre fejlesztettek ki hidrogén tárolására szolgáló hengereket, amelyekkel az üzemanyagcellák sokkal tovább működnek.

Kétféle henger kapható: NS-MN200 és NS-MN1200 Az összeszerelt NS-MN200 valamivel nagyobb, mint egy Coca-Cola doboz, 230 liter hidrogén fér el benne, ami 40Ah-nak (12V) felel meg, súlya mindössze 2,5 kg .Az NS-MH1200 fémhidrid henger 1200 liter hidrogént tartalmaz, ami 220Ah-nak (12V) felel meg. A henger tömege 11 kg.

A fém-hidrid technika biztonságos és egyszerű módja a hidrogén tárolásának, szállításának és felhasználásának. Fém-hidridként tárolva a hidrogén kémiai vegyület, nem pedig gáz halmazállapotú formában van. Ez a módszer lehetővé teszi kellően nagy energiasűrűség elérését. A fémhidrid alkalmazásának előnye, hogy a henger belsejében a nyomás mindössze 2-4 bar A palack nem robbanásveszélyes, évekig tárolható az anyag térfogatának csökkentése nélkül. Mivel a hidrogént fém-hidridként tárolják, a hengerből nyert hidrogén tisztasága nagyon magas, 99,999%. A fém-hidrid hidrogéntároló hengerek nem csak a HC 100 200 400 üzemanyagcellákkal használhatók, hanem más esetekben is, ahol tiszta hidrogénre van szükség. A hengerek könnyen csatlakoztathatók üzemanyagcellához vagy más eszközhöz egy gyorscsatlakozó és rugalmas tömlő segítségével.

Kár, hogy ezeket az üzemanyagcellákat nem értékesítik Oroszországban. De lakosságunk között nagyon sok ember van, akinek szüksége van rájuk. Nos, kivárjuk, és meglátod, lesz belőle valami. Addig is vásárolunk az állam által kiszabott energiatakarékos izzókat.

P.S. Úgy tűnik, a téma végleg a feledés homályába merült. Sok évvel a cikk megírása után semmi sem lett belőle. Persze lehet, hogy nem keresek mindenhol, de ami megakad, az egyáltalán nem kellemes. A technológia és az ötlet jó, de még nem találtak fejlesztést.

lavent.ru

Az üzemanyagcella egy jövő, amely ma kezdődik!

A 21. század eleje az ökológiát az egyik legfontosabb globális kihívásnak tekinti. És az első dolog, amire a jelenlegi körülmények között oda kell figyelni, az alternatív energiaforrások felkutatása és felhasználása. Ők azok, akik képesek megakadályozni környezetünk szennyezését, valamint teljesen lemondani a szénhidrogén alapú üzemanyagok folyamatosan emelkedő áráról.

Már ma is alkalmazásra találtak olyan energiaforrások, mint a napelemek és a szélturbinák. De sajnos hátrányuk az időjárástól, valamint az évszaktól és a napszaktól való függéshez kapcsolódik. Emiatt az űrhajózásban, a repülőgépiparban és az autóiparban történő alkalmazásukat fokozatosan felhagyják, helyhez kötött használatra másodlagos áramforrásokkal - akkumulátorokkal - szerelik fel.

A legjobb megoldás azonban az üzemanyagcella, mivel nem igényel folyamatos energia-utántöltést. Ez egy olyan eszköz, amely képes különféle típusú üzemanyagokat (benzin, alkohol, hidrogén stb.) közvetlenül elektromos energiává feldolgozni és átalakítani.

Az üzemanyagcella a következő elven működik: az üzemanyagot kívülről táplálják, amelyet oxigén oxidál, és a felszabaduló energiát elektromos árammá alakítják. Ez a működési elv szinte örökké tartó működést biztosít.

A 19. század vége óta a tudósok magát az üzemanyagcellát tanulmányozták, és folyamatosan fejlesztették ki annak új módosításait. Tehát ma, az üzemi körülményektől függően, léteznek lúgos vagy lúgos (AFC), direkt bórhidrát (DBFC), elektrogalvanikus (EGFC), közvetlen metanol (DMFC), cink-levegő (ZAFC), mikrobiális (MFC) modellek. hangyasav (DFAFC) és fém-hidridek (MHFC) alapúak is ismertek.

Az egyik legígéretesebb a hidrogén üzemanyagcella. A hidrogén erőművekben történő felhasználása jelentős energiafelszabadulással jár, az ilyen berendezés kipufogógáza pedig tiszta vízgőz vagy ivóvíz, amely semmilyen veszélyt nem jelent a környezetre.

Az ilyen típusú üzemanyagcellák sikeres tesztelése űrhajókon az utóbbi időben jelentős érdeklődést váltott ki az elektronikai és különféle berendezések gyártói körében. Így a PolyFuel cég egy miniatűr hidrogén üzemanyagcellát mutatott be laptopokhoz. De egy ilyen eszköz túl magas költsége és az akadálytalan tankolás nehézségei korlátozzák ipari gyártását és széles körű elterjedését. A Honda szintén több mint 10 éve gyárt autóipari üzemanyagcellákat. Ezt a fuvarozási módot azonban nem árusítják, hanem csak a céges alkalmazottak hivatalos használatára. Az autók mérnökök felügyelete alatt állnak.

Sokan kíváncsiak, hogy lehet-e saját kezűleg összeszerelni egy üzemanyagcellát. Hiszen egy házi készítésű készülék jelentős előnye egy kisebb befektetés lesz, szemben az ipari modellel. A miniatűr modellhez 30 cm-es platina bevonatú nikkelhuzalra, egy kis darab műanyagra vagy fára, egy 9 voltos akkumulátorkapocsra és magára az akkumulátorra, átlátszó ragasztószalagra, egy pohár vízre és egy voltmérőre lesz szüksége. Egy ilyen eszköz lehetővé teszi, hogy lássa és megértse a munka lényegét, de természetesen nem lehet villamos energiát termelni az autó számára.

fb.ru

Hidrogén üzemanyagcellák: egy kis történelem | Hidrogén

Napjainkban különösen akut probléma a hagyományos energiaforrások hiánya és a bolygó ökológiájának egészének leromlása a használatuk miatt. Éppen ezért az utóbbi időben jelentős pénzügyi és szellemi erőforrásokat fordítottak a szénhidrogén üzemanyagok potenciálisan ígéretes helyettesítőinek kifejlesztésére. A hidrogén a közeljövőben ilyen helyettesítővé válhat, hiszen erőművi felhasználása nagy mennyiségű energia felszabadulásával jár, a kipufogógáz pedig vízgőz, vagyis nem jelent veszélyt a környezetre.

A hidrogén alapú üzemanyagcellák megvalósítása során még mindig fennálló technikai nehézségek ellenére sok autógyártó értékelte a technológia ígéretét, és már aktívan fejleszti a hidrogént fő üzemanyagként felhasználni képes sorozatgyártású autók prototípusait. Kétezertizenegyben a Daimler AG konceptuális Mercedes-Benz modelleket mutatott be hidrogénerőművekkel. Ráadásul a koreai Hyndayi cég hivatalosan is bejelentette, hogy a továbbiakban nem szándékozik elektromos autókat fejleszteni, hanem minden erejét egy megfizethető hidrogénautó fejlesztésére összpontosítja.

Annak ellenére, hogy a hidrogén üzemanyagként való felhasználásának gondolata sokak számára nem vad, a legtöbbnek fogalma sincs, hogyan működnek a hidrogént használó üzemanyagcellák, és mi olyan figyelemre méltó bennük.

A technológia fontosságának megértéséhez javasoljuk, hogy tekintsük át a hidrogén üzemanyagcellák történetét.

Az első ember, aki leírta a hidrogén üzemanyagcellában való felhasználásának lehetőségét, egy német, Christian Friedrich volt. Még 1838-ban publikálta munkáját egy akkori híres tudományos folyóiratban.

A következő évben egy működőképes hidrogén-akkumulátor prototípusát készítette el egy uhlsi bíró, Sir William Robert Grove. A készülék teljesítménye azonban még az akkori mércével is kicsi volt, így praktikus felhasználása szóba sem jöhetett.

Ami az „üzemanyagcella” kifejezést illeti, a létezését Ludwig Mond és Charles Langer tudósoknak köszönheti, akik 1889-ben megpróbáltak létrehozni egy levegővel és kokszolókemence-gázzal működő üzemanyagcellát. Más források szerint a kifejezést először William White Jaques használta, aki először döntött úgy, hogy foszforsavat használ elektrolitban.

Az 1920-as években számos tanulmányt végeztek Németországban, amelyek eredményeképpen felfedezték a szilárd oxidos tüzelőanyag-cellákat és a karbonátciklus felhasználásának módjait. Figyelemre méltó, hogy ezeket a technológiákat korunkban hatékonyan használják.

1932-ben Francis T Bacon mérnök elkezdett dolgozni a hidrogén alapú üzemanyagcellák közvetlen kutatásán. Előtte a tudósok egy bevált sémát használtak - porózus platinaelektródákat helyeztek kénsavba. Egy ilyen rendszer nyilvánvaló hátránya mindenekelőtt a platina használata miatti indokolatlanul magas költségekben rejlik. Ezenkívül a maró kénsav használata veszélyt jelentett a kutatók egészségére, sőt néha életére is. Bacon úgy döntött, hogy optimalizálja az áramkört, és a platinát nikkelre cserélte, elektrolitként pedig lúgos készítményt használt.

A technológiája fejlesztése érdekében végzett eredményes munkának köszönhetően Bacon már 1959-ben bemutatta a nagyközönségnek eredeti hidrogén üzemanyagcelláját, amely 5 kW-ot termelt, és egy hegesztőgépet is meg tudott hajtani. A bemutatott készüléket „Bacon Cell”-nek nevezte.

Ugyanezen év októberében egy egyedülálló traktort hoztak létre, amely hidrogénnel üzemelt és húsz lóerőt termelt.

A huszadik század hatvanas éveiben az amerikai General Electric cég kidolgozta a Bacon által kidolgozott sémát, és alkalmazta az Apollo és NASA Gemini űrprogramjában. A NASA szakértői arra a következtetésre jutottak, hogy az atomreaktor használata túl drága, technikailag nehéz és nem biztonságos. Emellett le kellett mondanunk az akkumulátorok napelemekkel való együttes használatáról azok nagy méretei miatt. A probléma megoldását a hidrogén üzemanyagcellák jelentették, amelyek képesek az űrrepülőgépet energiával, legénységét pedig tiszta vízzel ellátni.

Az első hidrogént üzemanyagként használó buszt 1993-ban építették. A hidrogén üzemanyagcellás személygépkocsik prototípusait pedig már 1997-ben bemutatták olyan globális autómárkák, mint a Toyota és a Daimler Benz.

Kicsit furcsa, hogy egy ígéretes, környezetbarát üzemanyag, amelyet tizenöt éve autóban árultak, még nem terjedt el. Ennek sok oka van, a főbbek talán a politikai és a megfelelő infrastruktúra kialakításának igénye. Bízzunk benne, hogy a hidrogén továbbra is megszólal, és az elektromos autók jelentős versenytársa lesz.(odnaknopka)

energycraft.org

Anyagi társadalmunk energia nélkül nem csak fejlődni, de egyáltalán nem is létezik. Honnan jön az energia? Egészen a közelmúltig az emberek csak egy módon szerezték meg: harcoltunk a természettel, a megszerzett trófeákat először otthoni tűzhelyek, majd gőzmozdonyok és nagy teljesítményű hőerőművek kemencéiben égettük el.

A modern átlagember által fogyasztott kilowattórákon nincs olyan felirat, amely jelezné, hány évig dolgozott a természet azért, hogy a civilizált ember élvezhesse a technológia előnyeit, és hány évig kell még dolgoznia, hogy elsimítsa a károkat. őt egy olyan civilizáció. A társadalomban azonban egyre jobban megértik, hogy az illuzórikus idill előbb-utóbb véget ér. Az emberek egyre gyakrabban találnak ki módokat arra, hogy szükségleteik kielégítésére energiát biztosítsanak a természet minimális károsítása mellett.

A hidrogén üzemanyagcellák a tiszta energia Szent Grálja. Feldolgozzák a hidrogént, a periódusos rendszer egyik gyakori elemét, és csak vizet bocsátanak ki, a bolygó leggyakoribb anyagát. A rózsás képet rontja, hogy az emberek nem jutnak hozzá a hidrogénhez mint anyaghoz. Sok van belőle, de csak kötött állapotban, kitermelése sokkal nehezebb, mint olajat kiszivattyúzni a mélyből, vagy szenet kiásni.

A hidrogén tiszta és környezetbarát előállításának egyik lehetősége a mikrobiális üzemanyagcellák (MTB), amelyek mikroorganizmusok segítségével bontják le a vizet oxigénre és hidrogénre. Itt sem minden zökkenőmentes. A mikrobák kiváló munkát végeznek a tiszta üzemanyag előállításában, de a gyakorlatban megkövetelt hatékonyság eléréséhez az MTB-nek olyan katalizátorra van szüksége, amely felgyorsítja a folyamat egyik kémiai reakcióját.

Ez a katalizátor a nemesfém platina, melynek költsége gazdaságilag indokolatlan és gyakorlatilag lehetetlenné teszi az MTB használatát.

A Wisconsin-Milwaukee Egyetem tudósai megtalálták a drága katalizátor helyettesítőjét. A platina helyett szén, nitrogén és vas kombinációjából készült olcsó nanorudak használatát javasolták. Az új katalizátor a felületi rétegbe nitrogént tartalmazó grafitrudakból és vaskarbid magokból áll. Az új termék három hónapos tesztelése során a katalizátor jobb képességeket mutatott, mint a platina. A nanorudak működése stabilabbnak és szabályozhatóbbnak bizonyult.

És ami a legfontosabb, az egyetemi tudósok agyszüleménye sokkal olcsóbb. Így a platina katalizátorok ára megközelítőleg az MTB költségének 60%-a, míg a nanorudak ára a jelenlegi áruk 5%-án belül van.

A katalitikus nanorudak megalkotója, Junhong Chen professzor szerint: „Az üzemanyagcellák közvetlenül elektromos árammá alakíthatják át az üzemanyagot. Együtt a megújuló forrásokból előállított elektromos energia tiszta, hatékony és fenntartható módon szállítható oda, ahol szükség van rá.”

Chen professzor és kutatócsoportja jelenleg a katalizátor pontos jellemzőit tanulmányozza. Céljuk, hogy találmányukat gyakorlati fókuszba helyezzék, tömeggyártásra és felhasználásra alkalmassá tegyék.

Gizmag anyagai alapján

www.facepla.net

Hidrogén üzemanyagcellák és energiarendszerek

Hamarosan valósággá válhat a vízhajtású autó, és sok otthonba hidrogénes üzemanyagcellákat szerelnek...

A hidrogén üzemanyagcellás technológia nem új keletű. 1776-ban kezdődött, amikor Henry Cavendish először fedezte fel a hidrogént, miközben fémeket oldott fel híg savakban. Az első hidrogén üzemanyagcellát már 1839-ben William Grove találta fel. Azóta a hidrogén-üzemanyagcellákat fokozatosan fejlesztették, és mára űrsiklókban szerelik fel, energiával látják el őket, és vízforrásként szolgálnak. Napjainkban a hidrogén üzemanyagcellás technológia a tömegpiacra való eljutás küszöbén áll, az autókban, otthonokban és hordozható eszközökben.

A hidrogén üzemanyagcellában a kémiai energia (hidrogén és oxigén formájában) közvetlenül (égés nélkül) elektromos energiává alakul. Az üzemanyagcella katódból, elektródákból és anódból áll. A hidrogént az anódra táplálják, ahol protonokra és elektronokra választják szét. A protonok és elektronok különböző módon jutnak el a katódhoz. A protonok az elektródán keresztül a katódra haladnak, az elektronok pedig az üzemanyagcellák körül haladva eljutnak a katódra. Ez a mozgás utólag felhasználható elektromos energiát hoz létre. A másik oldalon a hidrogén protonok és elektronok oxigénnel egyesülve vizet képeznek.

Az elektrolizátorok a hidrogén vízből való kinyerésének egyik módja. A folyamat alapvetően az ellenkezője annak, ami a hidrogén üzemanyagcellával történik. Az elektrolizátor egy anódból, egy elektrokémiai cellából és egy katódból áll. Az anódra vizet és feszültséget kapcsolnak, amely a vizet hidrogénre és oxigénre osztja. A hidrogén az elektrokémiai cellán keresztül a katódra jut, az oxigén pedig közvetlenül a katódba kerül. Innen a hidrogén és az oxigén kinyerhető és tárolható. Azokban az időkben, amikor nincs szükség villamosenergia-termelésre, a felhalmozódott gáz eltávolítható a tárolóból, és visszavezethető az üzemanyagcellán.

Ez a rendszer hidrogént használ üzemanyagként, valószínűleg ezért is keringenek sok tévhit a biztonságáról. A Hindenburg robbanása után sokan a tudománytól távol álltak, sőt egyes tudósok is azt hitték, hogy a hidrogén használata nagyon veszélyes. A közelmúltban végzett kutatások azonban kimutatták, hogy ennek a tragédiának az oka az építkezés során felhasznált anyag típusa, nem pedig a belsejébe szivattyúzott hidrogén. A hidrogéntárolás biztonságosságának tesztelése után kiderült, hogy a hidrogént az üzemanyagcellákban tárolni biztonságosabb, mint a benzint az autó üzemanyagtartályában.

Mennyibe kerülnek a modern hidrogén üzemanyagcellák? A vállalatok jelenleg olyan hidrogénüzemanyag-rendszereket kínálnak, amelyek kilowattonként körülbelül 3000 dollárért termelnek energiát. A marketingkutatások megállapították, hogy amikor a költség kilowattonként 1500 dollárra csökken, a tömeges energiapiac fogyasztói készen állnak arra, hogy átálljanak erre az üzemanyagtípusra.

A hidrogénüzemanyagcellás járművek még mindig drágábbak, mint a belső égésű motoros járművek, de a gyártók azt vizsgálják, hogyan lehetne az árat hasonló szintre emelni. Egyes távoli területeken, ahol nincsenek elektromos vezetékek, a hidrogén tüzelőanyagként való felhasználása vagy az otthon önálló energiaellátása jelenleg gazdaságosabb lehet, mint például a hagyományos energiaforrások infrastruktúrájának kiépítése.

Miért nem használják még mindig széles körben a hidrogén üzemanyagcellákat? Jelenleg ezek magas költsége jelenti a fő problémát a hidrogén üzemanyagcellák elterjedésében. A hidrogénüzemanyag-rendszereknek jelenleg egyszerűen nincs tömegigénye. A tudomány azonban nem áll meg, és a közeljövőben egy vízen futó autó valósággá válhat.

www.tesla-tehnika.biz

Hamarosan valósággá válhat a vízhajtású autó, és sok otthonba hidrogénes üzemanyagcellákat szerelnek...

Hidrogén technológia üzemanyagcellák nem új. 1776-ban kezdődött, amikor Henry Cavendish először fedezte fel a hidrogént, miközben fémeket oldott fel híg savakban. Az első hidrogén üzemanyagcellát már 1839-ben William Grove találta fel. Azóta a hidrogén-üzemanyagcellákat fokozatosan fejlesztették, és mára űrsiklókban szerelik fel, energiával látják el őket, és vízforrásként szolgálnak. Napjainkban a hidrogén üzemanyagcellás technológia a tömegpiacra való eljutás küszöbén áll, az autókban, otthonokban és hordozható eszközökben.

A hidrogén üzemanyagcellában a kémiai energia (hidrogén és oxigén formájában) közvetlenül (égés nélkül) elektromos energiává alakul. Az üzemanyagcella katódból, elektródákból és anódból áll. A hidrogént az anódra táplálják, ahol protonokra és elektronokra választják szét. A protonok és elektronok különböző módon jutnak el a katódhoz. A protonok az elektródán keresztül a katódra haladnak, az elektronok pedig az üzemanyagcellák körül haladva eljutnak a katódra. Ez a mozgás utólag felhasználható elektromos energiát hoz létre. A másik oldalon a hidrogén protonok és elektronok oxigénnel egyesülve vizet képeznek.

Az elektrolizátorok a hidrogén vízből való kinyerésének egyik módja. A folyamat alapvetően az ellenkezője annak, ami a hidrogén üzemanyagcellával történik. Az elektrolizátor egy anódból, egy elektrokémiai cellából és egy katódból áll. Az anódra vizet és feszültséget kapcsolnak, amely a vizet hidrogénre és oxigénre osztja. A hidrogén az elektrokémiai cellán keresztül a katódra jut, az oxigén pedig közvetlenül a katódba kerül. Innen a hidrogén és az oxigén kinyerhető és tárolható. Azokban az időkben, amikor nincs szükség villamosenergia-termelésre, a felhalmozódott gáz eltávolítható a tárolóból, és visszavezethető az üzemanyagcellán.

Ez a rendszer hidrogént használ üzemanyagként, valószínűleg ezért is keringenek sok tévhit a biztonságáról. A Hindenburg robbanása után sokan a tudománytól távol álltak, sőt egyes tudósok is azt hitték, hogy a hidrogén használata nagyon veszélyes. A közelmúltban végzett kutatások azonban kimutatták, hogy ennek a tragédiának az oka az építkezés során felhasznált anyag típusa, nem pedig a belsejébe szivattyúzott hidrogén. A hidrogéntárolás biztonságosságának tesztelése után kiderült, hogy biztonságosabb a hidrogén tárolása az üzemanyagcellákban mint benzint tárolni egy autó üzemanyagtartályában.

Mennyibe kerülnek a modern hidrogén üzemanyagcellák?? A cégek jelenleg hidrogént kínálnak üzemanyagrendszerek energiát termelnek kilowattonként körülbelül 3000 dolláros költséggel. A marketingkutatások megállapították, hogy amikor a költség kilowattonként 1500 dollárra csökken, a tömeges energiapiac fogyasztói készen állnak arra, hogy átálljanak erre az üzemanyagtípusra.

A hidrogénüzemanyagcellás járművek még mindig drágábbak, mint a belső égésű motoros járművek, de a gyártók azt vizsgálják, hogyan lehetne az árat hasonló szintre emelni. Egyes távoli területeken, ahol nincsenek elektromos vezetékek, a hidrogén tüzelőanyagként való felhasználása vagy az otthon önálló energiaellátása jelenleg gazdaságosabb lehet, mint például a hagyományos energiaforrások infrastruktúrájának kiépítése.

Miért nem használják még mindig széles körben a hidrogén üzemanyagcellákat? Jelenleg ezek magas költsége jelenti a fő problémát a hidrogén üzemanyagcellák elterjedésében. A hidrogénüzemanyag-rendszereknek jelenleg egyszerűen nincs tömegigénye. A tudomány azonban nem áll meg, és a közeljövőben egy vízen futó autó valósággá válhat.

Üzemanyag (hidrogén) cellák/cellák gyártása, összeszerelése, tesztelése és tesztelése
Amerikai és kanadai gyárakban gyártják

Üzemanyag (hidrogén) cellák/cellák

Az Intech GmbH / LLC Intech GmbH cég 1997 óta van jelen a mérnöki szolgáltatások piacán, a különböző ipari berendezések hivatalos, hosszú távú szállítója, és a különböző tüzelőanyag (hidrogén) elemeket/cellákat ajánlja figyelmébe.

Az üzemanyagcella/cella az

Az üzemanyagcellák/cellák előnyei

Az üzemanyagcella/cella olyan eszköz, amely elektrokémiai reakcióval hatékonyan állít elő egyenáramot és hőt hidrogénben gazdag üzemanyagból.

Az üzemanyagcella abban hasonlít az akkumulátorhoz, hogy kémiai reakción keresztül egyenáramot állít elő. Az üzemanyagcella anódot, katódot és elektrolitot tartalmaz. Az akkumulátoroktól eltérően azonban az üzemanyagcellák nem képesek elektromos energiát tárolni, és nem kisülnek, illetve nem igényelnek áramot az újratöltéshez. Az üzemanyagcellák/cellák folyamatosan képesek villamos energiát termelni mindaddig, amíg rendelkeznek üzemanyaggal és levegővel.

Más áramfejlesztőkkel ellentétben, mint például a belső égésű motorok vagy a gázzal, szénnel, fűtőolajjal stb. működő turbinák, az üzemanyagcellák/cellák nem égetnek üzemanyagot. Ez azt jelenti, hogy nincsenek zajos nagynyomású rotorok, nincs hangos kipufogó zaj, nincs vibráció. Az üzemanyagcellák/cellák csendes elektrokémiai reakcióval termelnek villamos energiát. Az üzemanyagcellák/cellák másik jellemzője, hogy az üzemanyag kémiai energiáját közvetlenül elektromos árammá, hővé és vízzé alakítják.

Az üzemanyagcellák rendkívül hatékonyak, és nem termelnek nagy mennyiségű üvegházhatású gázt, például szén-dioxidot, metánt és dinitrogén-oxidot. Az egyetlen kibocsátási termék a működés során a víz gőz formájában és kis mennyiségű szén-dioxid, amely egyáltalán nem szabadul fel, ha tiszta hidrogént használnak üzemanyagként. Az üzemanyag-elemeket/cellákat szerelvényekké, majd egyedi funkcionális modulokká szerelik össze.

Az üzemanyagcellák/cellák fejlődésének története

Az 1950-es és 1960-as években az egyik legsürgetőbb kihívás az üzemanyagcellák számára a National Aeronautics and Space Administration (NASA) energiaforrások iránti igényéből fakadt a hosszú távú űrmissziókhoz. A NASA lúgos üzemanyagcellája hidrogént és oxigént használ üzemanyagként a két kémiai elem elektrokémiai reakcióban való egyesítése révén. A kimenet az űrrepülés során bekövetkező reakció három hasznos mellékterméke: elektromos áram az űrhajók energiaellátásához, víz az ivó- és hűtőrendszerekhez, valamint hő az űrhajósok felmelegítéséhez.

Az üzemanyagcellák felfedezése a 19. század elejére nyúlik vissza. Az üzemanyagcellák hatásának első bizonyítékát 1838-ban szerezték meg.

Az 1930-as évek végén megkezdődtek a lúgos elektrolitot tartalmazó üzemanyagcellák munkálatai, és 1939-re egy nagynyomású, nikkelezett elektródákat használó cellát építettek. A második világháború alatt üzemanyagcellákat/cellákat fejlesztettek ki a brit haditengerészet tengeralattjárói számára, és 1958-ban egy alig több mint 25 cm átmérőjű lúgos üzemanyagcellákból/cellákból álló üzemanyag-kazettát vezettek be.

Az 1950-es és 1960-as években, valamint az 1980-as években megnőtt az érdeklődés, amikor az ipari világban kőolaj-üzemanyaghiány alakult ki. Ugyanebben az időszakban a világ országait a levegőszennyezés problémája is aggodalommal tölti el, és a környezetbarát villamosenergia-termelés módjait fontolgatták. Az üzemanyagcellás technológia jelenleg rohamosan fejlődik.

Az üzemanyagcellák/cellák működési elve

Az üzemanyagcellák/cellák elektromosságot és hőt termelnek egy elektrolit, katód és anód felhasználásával végbemenő elektrokémiai reakciónak köszönhetően.

Az anódot és a katódot egy elektrolit választja el, amely protonokat vezet. Miután a hidrogén az anódhoz, az oxigén pedig a katódra érkezik, kémiai reakció kezdődik, melynek eredményeként elektromosság, hő és víz.

Az anódkatalizátornál a molekuláris hidrogén disszociál és elektronokat veszít. A hidrogénionok (protonok) az elektroliton keresztül a katódra, míg az elektronok az elektroliton és a külsőn keresztül jutnak el. elektromos áramkör, egyenáramot hozva létre, amely berendezések táplálására használható. A katódkatalizátornál egy oxigénmolekula egyesül egy elektronnal (amely külső kommunikációból származik) és egy bejövő protonnal, és vizet képez, amely az egyetlen reakciótermék (gőz és/vagy folyadék formájában).

Alább látható a megfelelő reakció:

Reakció az anódon: 2H 2 => 4H+ + 4e -
Reakció a katódon: O 2 + 4H+ + 4e - => 2H 2 O
Az elem általános reakciója: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

A fűtőelemek/cellák típusai és változatossága

Ahogyan különböző típusú belső égésű motorok léteznek, úgy az üzemanyagcellák is különbözőek – a megfelelő típusú üzemanyagcella kiválasztása annak alkalmazásától függ.

Az üzemanyagcellákat magas hőmérsékletre és alacsony hőmérsékletre osztják. Az alacsony hőmérsékletű üzemanyagcellák viszonylag tiszta hidrogént igényelnek üzemanyagként. Ez gyakran azt jelenti, hogy üzemanyag-feldolgozásra van szükség ahhoz, hogy az elsődleges tüzelőanyagot (például földgázt) tiszta hidrogénné alakítsák. Ez a folyamat további energiát fogyaszt, és speciális felszerelést igényel. A magas hőmérsékletű üzemanyagcelláknak nincs szükségük erre a további eljárásra, mivel magas hőmérsékleten képesek "belsőleg átalakítani" az üzemanyagot, ami azt jelenti, hogy nincs szükség hidrogén-infrastruktúrába való beruházásra.

Olvadt karbonát üzemanyagcellák/cellák (MCFC)

Az olvadt karbonát elektrolit üzemanyagcellák magas hőmérsékletű üzemanyagcellák. A magas üzemi hőmérséklet lehetővé teszi a földgáz közvetlen felhasználását tüzelőanyag-feldolgozó és alacsony tüzelésű gáz nélkül fűtőértékeüzemanyag termelési folyamatokés más forrásokból.

Az RCFC működése eltér a többi üzemanyagcellától. Ezek a cellák olvadt karbonátsók keverékéből készült elektrolitot használnak. Jelenleg kétféle keveréket használnak: lítium-karbonátot és kálium-karbonátot vagy lítium-karbonátot és nátrium-karbonátot. A karbonátsók megolvasztásához és az elektrolitban az ionok nagyfokú mobilitásának eléréséhez az olvadt karbonát elektrolitot tartalmazó üzemanyagcellák magas hőmérsékleten (650 °C) működnek. A hatásfok 60-80% között változik.

650°C-ra hevítve a sók a karbonátionok (CO 3 2-) vezetőjévé válnak. Ezek az ionok a katódról az anódra jutnak, ahol hidrogénnel egyesülve vizet, szén-dioxidot és szabad elektronokat képeznek. Ezeket az elektronokat egy külső elektromos áramkörön keresztül visszaküldik a katódra, és melléktermékként elektromos áramot és hőt állítanak elő.

Reakció az anódon: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Reakció a katódon: CO 2 + 1/2O 2 + 2e - => CO 3 2-
Az elem általános reakciója: H 2 (g) + 1/2O 2 (g) + CO 2 (katód) => H 2 O (g) + CO 2 (anód)

Az olvadt karbonát elektrolit üzemanyagcellák magas üzemi hőmérséklete bizonyos előnyökkel jár. Magas hőmérsékleten belső reformáció megy végbe földgáz, így nincs szükség üzemanyag-feldolgozóra. Ezenkívül az előnyök közé tartozik, hogy szabványos építőanyagokat, például rozsdamentes acéllemezeket és nikkelkatalizátort lehet használni az elektródákon. A hulladékhőt nagynyomású gőz előállítására lehet felhasználni különféle ipari és kereskedelmi célokra.

Az elektrolit magas reakcióhőmérsékletének is megvannak a maga előnyei. A magas hőmérséklet alkalmazása jelentős időt igényel az optimális működési feltételek eléréséhez, és a rendszer lassabban reagál az energiafogyasztás változásaira. Ezek a jellemzők lehetővé teszik az olvadt karbonát elektrolittal működő üzemanyagcellás berendezések használatát állandó teljesítmény mellett. A magas hőmérséklet megakadályozza, hogy a szén-monoxid károsítsa az üzemanyagcellát.

Az olvadt karbonát elektrolitot tartalmazó üzemanyagcellák alkalmasak nagy, helyhez kötött létesítményekben való használatra. A 3,0 MW elektromos kimenő teljesítményű hőerőműveket kereskedelmi forgalomba állítják. 110 MW-ig terjedő kimenő teljesítményű létesítmények fejlesztése folyik.

Foszforsav üzemanyagcellák/cellák (PAFC)

A foszforsav (ortofoszforsav) üzemanyagcellák voltak az első üzemanyagcellák, amelyeket kereskedelmi használatra szántak.

A foszforsav (ortofoszforsav) üzemanyagcellák ortofoszforsav (H 3 PO 4) alapú elektrolitot használnak, amelynek koncentrációja akár 100%. A foszforsav ionvezetőképessége alacsony hőmérsékleten alacsony, ezért ezeket az üzemanyagcellákat 150-220°C-ig használják.

Az ilyen típusú üzemanyagcellák töltéshordozója a hidrogén (H+, proton). Hasonló folyamat megy végbe a protoncserélő membránnal ellátott üzemanyagcellákban, amelyek során az anódhoz juttatott hidrogén protonokra és elektronokra hasad. A protonok áthaladnak az elektroliton, és a katódon a levegőből származó oxigénnel egyesülve vizet képeznek. Az elektronokat egy külső elektromos áramkörön keresztül küldik, ezáltal elektromos áramot hoznak létre. Az alábbiakban bemutatjuk azokat a reakciókat, amelyek elektromos áramot és hőt termelnek.

Reakció az anódon: 2H 2 => 4H + + 4e -
Reakció a katódon: O 2 (g) + 4H + + 4e - => 2 H 2 O
Az elem általános reakciója: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

A foszforsav (ortofoszforsav) alapú üzemanyagcellák hatékonysága több mint 40% elektromos energia előállítása során. A kombinált hő- és villamosenergia-termeléssel a teljes hatásfok körülbelül 85%. Ezenkívül adott üzemi hőmérsékleten a hulladékhő felhasználható víz melegítésére és légköri nyomású gőz előállítására.

Az ilyen típusú tüzelőanyagcellák egyik előnye a foszforsav (ortofoszfor)sav alapú tüzelőanyag-cellákat használó hőerőművek nagy teljesítménye a hő- és villamosenergia kombinált előállításában. Az egységek körülbelül 1,5% koncentrációjú szén-monoxidot használnak, ami jelentősen bővíti az üzemanyag választékot. Ezenkívül a CO 2 nem befolyásolja az elektrolitot és az üzemanyagcella működését, ez a típusú cella reformált természetes tüzelőanyaggal működik. Az egyszerű kialakítás, az alacsony fokú elektrolit illékonyság és a megnövelt stabilitás szintén az ilyen típusú üzemanyagcellák előnyei.

Az 500 kW-ig terjedő elektromos kimenő teljesítményű hőerőműveket kereskedelemben gyártják. A 11 MW-os létesítmények megfeleltek a megfelelő teszteknek. 100 MW-ig terjedő kimenő teljesítményű létesítmények fejlesztése folyik.

Szilárd oxid üzemanyagcellák (SOFC)

A szilárd oxid üzemanyagcellák a legmagasabb üzemi hőmérsékletű üzemanyagcellák. Az üzemi hőmérséklet 600°C és 1000°C között változhat, lehetővé téve különböző típusú üzemanyagok használatát speciális előkezelés nélkül. Az ilyen magas hőmérsékletek kezelésére az elektrolit egy vékony, szilárd fém-oxid kerámia alapon, gyakran ittrium és cirkónium ötvözete, amely oxigénionok (O2-) vezetője.

A szilárd elektrolit biztosítja a gáz zárt átmenetét egyik elektródáról a másikra, míg a folyékony elektrolitok porózus hordozóban helyezkednek el. Az ilyen típusú üzemanyagcellák töltéshordozója az oxigénion (O 2-). A katódon a levegőből származó oxigénmolekulák oxigénionra és négy elektronra válnak szét. Az oxigénionok áthaladnak az elektroliton, és hidrogénnel egyesülve négy szabad elektront hoznak létre. Az elektronokat egy külső elektromos áramkörön keresztül küldik, elektromos áramot és hulladékhőt hozva létre.

Reakció az anódon: 2H 2 + 2O 2- => 2H 2 O + 4e -
Reakció a katódon: O 2 + 4e - => 2O 2-
Az elem általános reakciója: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

A megtermelt elektromos energia hatásfoka az összes tüzelőanyagcella közül a legmagasabb - körülbelül 60-70%. A magas üzemi hőmérséklet lehetővé teszi a hő- és elektromos energia kombinált előállítását nagynyomású gőz előállítására. A magas hőmérsékletű üzemanyagcella és a turbina kombinálása lehetővé teszi egy hibrid üzemanyagcella létrehozását, amely akár 75%-kal növeli az elektromos energia előállításának hatékonyságát.

A szilárd oxid üzemanyagcellák nagyon magas hőmérsékleten (600°C–1000°C) működnek, ami jelentős időt vesz igénybe az optimális működési feltételek eléréséhez, és lassabban reagál az energiafogyasztás változásaira. Ilyen magas üzemi hőmérsékleten nincs szükség konverterre a hidrogén visszanyeréséhez a tüzelőanyagból, ami lehetővé teszi, hogy a hőerőmű viszonylag szennyezett tüzelőanyaggal működjön, amely szén vagy hulladékgázok stb. elgázosításából származik. Az üzemanyagcella kiválóan alkalmas nagy teljesítményű alkalmazásokhoz, beleértve az ipari és nagy központi erőműveket is. Kereskedelmi forgalomban 100 kW elektromos kimenő teljesítményű modulokat gyártanak.

Közvetlen metanol-oxidációs üzemanyagcellák/cellák (DOMFC)

Az üzemanyagcellák közvetlen metanol-oxidációval történő alkalmazásának technológiája aktív fejlesztési időszakon megy keresztül. Sikeresen bizonyított a mobiltelefonok, laptopok táplálása, valamint hordozható áramforrások létrehozása terén. Erre irányul ezen elemek jövőbeni felhasználása.

A metanol közvetlen oxidációjával rendelkező üzemanyagcellák kialakítása hasonló a protoncserélő membránnal (MEPFC) rendelkező üzemanyagcellákhoz, azaz. Elektrolitként polimert, töltéshordozóként hidrogéniont (protont) használnak. A folyékony metanol (CH 3 OH) azonban az anódnál víz jelenlétében oxidálódik, CO 2, hidrogénionok és elektronok szabadulnak fel, amelyeket egy külső elektromos áramkörön keresztül továbbítanak, ezáltal elektromos áramot hoznak létre. A hidrogénionok áthaladnak az elektroliton, és reakcióba lépnek a levegő oxigénjével és a külső áramkör elektronjaival, hogy vizet képezzenek az anódon.

Reakció az anódon: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Reakció a katódon: 3/2O 2 + 6 H + + 6e - => 3H 2 O
Az elem általános reakciója: CH 3 OH + 3/2O 2 => CO 2 + 2H 2 O

Az ilyen típusú üzemanyagcellák előnye a kis méretük a folyékony tüzelőanyag felhasználása miatt, valamint a konverter használatának hiánya.

Alkáli üzemanyagcellák/cellák (ALFC)

Az alkáli tüzelőanyagcellák az egyik leghatékonyabb villamosenergia-termelésre használt cella, az energiatermelés hatékonysága eléri a 70%-ot.

Az alkáli tüzelőanyag-cellák elektrolitot, kálium-hidroxid vizes oldatát használnak, amely porózus, stabilizált mátrixban található. A kálium-hidroxid koncentrációja az üzemanyagcella üzemi hőmérsékletétől függően változhat, amely 65°C és 220°C között van. Az SHTE töltéshordozója a hidroxil-ion (OH -), amely a katódról az anódra kerül, ahol hidrogénnel reagál, vizet és elektronokat termelve. Az anódon keletkező víz visszakerül a katódra, és ott ismét hidroxil-ionokat generál. Az üzemanyagcellában lezajló reakciósorozat eredményeként villamos energia és melléktermékként hő keletkezik:

Reakció az anódon: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reakció a katódon: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4 OH -
A rendszer általános reakciója: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Az SHTE előnye, hogy ezeket az üzemanyagcellákat a legolcsóbban előállítani, mivel az elektródákon szükséges katalizátor bármely olyan anyag lehet, amely olcsóbb, mint a többi üzemanyagcella katalizátora. Az SFC-k viszonylag alacsony hőmérsékleten működnek, és a leghatékonyabb üzemanyagcellák közé tartoznak – ezek a jellemzők következésképpen hozzájárulhatnak a gyorsabb energiatermeléshez és a magas üzemanyag-hatékonysághoz.

Az SHTE egyik jellemző tulajdonsága a nagy érzékenysége a CO 2-re, amelyet az üzemanyag vagy a levegő tartalmazhat. A CO 2 reakcióba lép az elektrolittal, gyorsan megmérgezi, és nagymértékben csökkenti az üzemanyagcella hatékonyságát. Ezért az SHTE használata zárt terekre korlátozódik, például űr- és víz alatti járművekre, tiszta hidrogénnel és oxigénnel kell működniük. Sőt, az olyan molekulák, mint a CO, H 2 O és CH4, amelyek biztonságosak más üzemanyagcellák számára, sőt egyesek üzemanyagaként is működnek, károsak az SHFC-re.

Polimer elektrolit üzemanyagcellák (PEFC)

A polimer elektrolit üzemanyagcellák esetében a polimer membrán polimer szálakból áll, vízrégiókkal, amelyekben vízionok vezetnek. H2O+ (proton, vörös) kapcsolódik egy vízmolekulához. A vízmolekulák problémát jelentenek a lassú ioncsere miatt. Ezért mind az üzemanyagban, mind a kimeneti elektródáknál magas vízkoncentrációra van szükség, ami az üzemi hőmérsékletet 100 °C-ra korlátozza.

Szilárd savas üzemanyagcellák/cellák (SFC)

A szilárd savas üzemanyagcellákban az elektrolit (CsHSO 4) nem tartalmaz vizet. Az üzemi hőmérséklet tehát 100-300°C. Az oxi-anionok SO 4 2- forgása lehetővé teszi a protonok (piros) mozgását az ábrán látható módon. A szilárd savas tüzelőanyag-cella általában olyan szendvics, amelyben egy nagyon vékony réteg szilárd savvegyületet helyeznek el két elektróda között, amelyeket szorosan egymáshoz nyomnak a jó érintkezés biztosítása érdekében. Hevítéskor a szerves komponens elpárolog, és az elektródák pórusain keresztül távozik, így megmarad az üzemanyag (vagy az elem másik végén lévő oxigén), az elektrolit és az elektródák közötti többszörös érintkezés lehetősége.

Az innovatív energiahatékony települési hő- és erőművek jellemzően szilárd oxid üzemanyagcellákra (SOFC), polimer elektrolit üzemanyagcellákra (PEFC), foszforsavas üzemanyagcellákra (PAFC), protoncserélő membrán üzemanyagcellákra (PEMFC) és lúgos tüzelőanyagcellákra épülnek ( ALFC). Általában a következő jellemzőkkel rendelkezik:

A legmegfelelőbbnek a szilárd oxid üzemanyagcellákat (SOFC) kell tekinteni, amelyek:

• magasabb hőmérsékleten működik, csökkentve a drága nemesfémek (például platina) szükségességét
• dolgozhat érte különféle típusok szénhidrogén üzemanyagok, főleg földgáz
• hosszabb indítási idővel rendelkeznek, ezért alkalmasabbak a hosszú távú működésre
• magas energiatermelési hatékonyságot mutat (akár 70%)
• A magas üzemi hőmérsékletnek köszönhetően az egységek hőátadó rendszerekkel kombinálhatók, így a rendszer általános hatásfoka 85%-ra nő.
• gyakorlatilag nulla károsanyag-kibocsátásúak, csendesen működnek, és a meglévő energiatermelési technológiákhoz képest alacsonyak az üzemeltetési követelmények

Mivel a kis hőerőművek hagyományos gázellátó hálózathoz csatlakoztathatók, az üzemanyagcellákra nincs szükség külön rendszer hidrogénellátás. Szilárd oxid tüzelőanyag-cellás kisméretű hőerőművek alkalmazásakor a keletkező hő hőcserélőkbe integrálható a víz és a szellőzőlevegő melegítésére, növelve a rendszer általános hatásfokát. Ez az innovatív technológia a legalkalmasabb a hatékony villamosenergia-termelésre anélkül, hogy költséges infrastruktúrára és bonyolult műszerintegrációra lenne szükség.

Üzemanyagcellák/cellák alkalmazása

Üzemanyagcellák/cellák alkalmazása távközlési rendszerekben

A vezeték nélküli kommunikációs rendszerek világszerte történő gyors elterjedése, valamint a mobiltelefon-technológia növekvő társadalmi-gazdasági előnyei miatt kritikussá vált a megbízható és költséghatékony tápellátás szükségessége. A rossz időjárási viszonyok, természeti katasztrófák vagy korlátozott hálózati kapacitás miatti egész évben kieső villamosenergia-hálózati veszteségek folyamatos kihívást jelentenek a hálózatüzemeltetők számára.

A hagyományos távközlési tartalékmegoldások közé tartoznak az akkumulátorok (szeleppel szabályozott ólom-savas akkumulátorcellák) a rövid távú tartalék energiaellátáshoz, valamint a dízel- és propángenerátorok a hosszabb távú tartalék energiaellátáshoz. Az akkumulátorok viszonylag olcsó tartalék energiaforrást jelentenek 1-2 órán keresztül. Az akkumulátorok azonban nem alkalmasak hosszabb távú tartalék áramellátásra, mert költséges fenntartásuk, hosszú használat után megbízhatatlanná válnak, érzékenyek a hőmérsékletre, és ártalmatlanítás után veszélyesek a környezetre. A dízel- és propángenerátorok hosszú távú energiatartalékot biztosítanak. A generátorok azonban megbízhatatlanok lehetnek, munkaigényes karbantartást igényelnek, és nagy mennyiségű szennyezőanyagot és üvegházhatású gázt bocsátanak ki.

A hagyományos energiatartalék-megoldások korlátainak leküzdésére innovatív zöld üzemanyagcellás technológiát fejlesztettek ki. Az üzemanyagcellák megbízhatóak, csendesek, kevesebb mozgó alkatrészt tartalmaznak, mint egy generátor, üzemi hőmérséklet-tartományuk szélesebb, mint az akkumulátoré: -40°C-tól +50°C-ig, ennek köszönhetően rendkívül magas energiamegtakarítást biztosítanak. Ezen túlmenően egy ilyen telepítés élettartama alatti költsége alacsonyabb, mint egy generátoré. Az alacsonyabb tüzelőanyagcella-költségek mindössze évi egyszeri karbantartási látogatásból és jelentősen magasabb üzemi termelékenységből származnak. A nap végén az üzemanyagcella egy zöld technológiai megoldás, minimális környezetterheléssel.

Az üzemanyagcellás berendezések tartalék energiát biztosítanak a kritikus kommunikációs hálózati infrastruktúrák számára a vezeték nélküli, állandó és szélessávú kommunikációhoz a távközlési rendszerben, 250 W-tól 15 kW-ig, és számos páratlan innovatív funkciót kínálnak:

• MEGBÍZHATÓSÁG– kevés mozgó alkatrész és nincs kisülés készenléti módban
• ENERGIATAKARÉKOS
• CSEND– alacsony zajszint
• FENNTARTHATÓSÁG– működési tartomány -40°C és +50°C között
• ALKALMAZHATÓSÁG– kültéri és beltéri beépítés (konténer/védőkonténer)
• NAGY TELJESÍTMÉNYŰ– 15 kW-ig
• ALACSONY KARBANTARTÁSI IGÉNY– minimális éves karbantartás
• GAZDASÁGOS- vonzó teljes birtoklási költség
• ZÖLD ENERGIA– alacsony károsanyag-kibocsátás minimális környezetterheléssel

A rendszer folyamatosan érzékeli az egyenáramú busz feszültségét, és zökkenőmentesen fogadja a kritikus terheléseket, ha az egyenáramú busz feszültsége a felhasználó által meghatározott alapérték alá esik. A rendszer hidrogénnel működik, amelyet kétféle módon juttatnak az üzemanyagcella-kötegbe - vagy ipari hidrogénforrásból, vagy folyékony üzemanyagból, metanolból és vízből, integrált reformáló rendszer segítségével.

A villamos energiát az üzemanyagcella köteg egyenáram formájában állítja elő. Az egyenáram egy átalakítóba kerül, amely az üzemanyagcella-kötegből érkező szabályozatlan egyenáramot kiváló minőségű szabályozott egyenárammá alakítja a szükséges terhelésekhez. Az üzemanyagcellás berendezések több napig biztosíthatnak tartalék energiát, mivel az időtartamot csak a rendelkezésre álló hidrogén vagy metanol/víz üzemanyag mennyisége korlátozza.

Az üzemanyagcellák kiemelkedő energiamegtakarítást, jobb rendszer-megbízhatóságot, kiszámíthatóbb teljesítményt kínálnak az éghajlati viszonyok széles skáláján, és megbízható működési tartósságot kínálnak az ipari szabvány szeleppel szabályozott ólom-savas akkumulátorokhoz képest. Az élettartam költségei is alacsonyabbak a lényegesen alacsonyabb karbantartási és csereigények miatt. Az üzemanyagcellák környezeti előnyökkel járnak a végfelhasználók számára, mivel az ólom-savcellákkal kapcsolatos ártalmatlanítási költségek és felelősségi kockázatok egyre nagyobb aggodalomra adnak okot.

Az elektromos akkumulátorok teljesítményét számos tényező hátrányosan befolyásolhatja, mint például a töltöttségi szint, a hőmérséklet, a kerékpározás, az élettartam és más változók. A szolgáltatott energia ezektől a tényezőktől függően változik, és nem könnyű megjósolni. A protoncserélő membrán üzemanyagcella (PEMFC) teljesítményét ezek a tényezők viszonylag nem befolyásolják, és mindaddig kritikus teljesítményt tud biztosítani, amíg üzemanyag áll rendelkezésre. A megnövelt kiszámíthatóság fontos előnyt jelent, ha a kritikus tartalék energiaalkalmazásokhoz tüzelőanyagcellákra váltanak.

Az üzemanyagcellák csak akkor termelnek áramot, ha üzemanyagot szolgáltatnak, hasonlóan a gázturbinás generátorhoz, de nincsenek mozgó alkatrészeik a termelési területen. Ezért a generátorral ellentétben nincsenek kitéve gyors kopásnak, és nem igényelnek állandó karbantartást és kenést.

A hosszabb ideig tartó üzemanyag-átalakító meghajtásához használt üzemanyag metanol és víz keveréke. A metanol egy széles körben elérhető, kereskedelemben előállított üzemanyag, amely jelenleg számos felhasználási területtel rendelkezik, többek között szélvédőmosóként, műanyag palackokban, motoradalékokban és emulziós festékekben. A metanol könnyen szállítható, vízzel keverhető, biológiailag jól lebontható, ként nem tartalmaz. Fagyáspontja alacsony (-71°C), hosszú távú tárolás során nem bomlik le.

Üzemanyagcellák/cellák alkalmazása kommunikációs hálózatokban

A biztonságos kommunikációs hálózatokhoz megbízható tartalék energiamegoldásokra van szükség, amelyek órákig vagy napokig működnek vészhelyzetekben, ha az elektromos hálózat már nem áll rendelkezésre.

A kevés mozgó alkatrésznek és a készenléti áramveszteségnek köszönhetően az innovatív üzemanyagcellás technológia vonzó megoldást kínál a jelenlegi tartalék energiaellátó rendszerek számára.

A legnyomósabb érv az üzemanyagcellás technológia kommunikációs hálózatokban való alkalmazása mellett a megnövekedett általános megbízhatóság és biztonság. Az olyan események során, mint az áramszünet, földrengés, vihar és hurrikán, fontos, hogy a rendszerek továbbra is működjenek, és hosszú ideig megbízható tartalék áramellátást kapjanak, függetlenül a hőmérséklettől és a tartalék áramellátási rendszer korától.

Az üzemanyagcella-alapú energiaellátó eszközök sora ideális minősített kommunikációs hálózatok támogatására. Energiatakarékos tervezési elveiknek köszönhetően környezetbarát, megbízható tartalék teljesítményt biztosítanak hosszabb ideig (akár több napig) 250 W és 15 kW közötti teljesítménytartományban.

Üzemanyagcellák/cellák alkalmazása adathálózatokban

Az adathálózatok, például a nagy sebességű adathálózatok és a száloptikai gerinchálózatok megbízható tápellátása kulcsfontosságú az egész világon. Az ilyen hálózatokon továbbított információk kritikus adatokat tartalmaznak olyan intézmények számára, mint a bankok, légitársaságok vagy egészségügyi központok. Az ilyen hálózatok áramkimaradása nemcsak a továbbított információra jelent veszélyt, hanem általában jelentős anyagi veszteségekhez is vezet. A tartalék tápellátást biztosító, megbízható, innovatív üzemanyagcellás berendezések biztosítják a megszakítás nélküli áramellátáshoz szükséges megbízhatóságot.

A metanol és víz folyékony üzemanyag-keverékével működő üzemanyagcellás egységek megbízható tartalék energiát biztosítanak hosszabb ideig, akár több napig is. Ezen túlmenően ezeknek az egységeknek a karbantartási igénye jelentősen csökkent a generátorokhoz és akkumulátorokhoz képest, így évente csak egy karbantartási látogatást tesznek szükségessé.

Tipikus alkalmazási hely jellemzők az üzemanyagcellás berendezések adathálózatokban történő használatához:

• Alkalmazások 100 W és 15 kW közötti teljesítményfelvétellel
• Alkalmazások, amelyeknél az akkumulátor élettartama > 4 óra
• Átjátszók száloptikai rendszerekben (szinkron digitális rendszerek hierarchiája, nagy sebességű internet, Voice over IP...)
• Hálózati csomópontok a nagy sebességű adatátvitelhez
• WiMAX átviteli csomópontok

Az üzemanyagcellás tartalék telepítések számos előnyt kínálnak a kritikus adathálózati infrastruktúrák számára a hagyományos akkumulátoros vagy dízelgenerátorokhoz képest, lehetővé téve a nagyobb helyszíni telepítési lehetőségeket:

1. A folyékony üzemanyag-technológia megoldja a hidrogénelhelyezés problémáját, és gyakorlatilag korlátlan tartalék teljesítményt biztosít.
2. Halk működésüknek, kis súlyuknak, hőmérséklet-változásokkal szembeni ellenállásuknak és gyakorlatilag vibrációmentes működésüknek köszönhetően az üzemanyagcellák épületen kívülre, ipari épületekbe/konténerekbe vagy háztetőkre is beépíthetők.
3. A rendszer használatának helyszíni előkészítése gyors és gazdaságos, az üzemeltetési költségek alacsonyak.
4. Az üzemanyag biológiailag lebomlik, és környezetbarát megoldást jelent városi környezetben.

Üzemanyagcellák/cellák alkalmazása biztonsági rendszerekben

A leggondosabban megtervezett épületbiztonsági és kommunikációs rendszerek csak annyira megbízhatóak, mint az őket támogató tápegység. Míg a legtöbb rendszer tartalmaz valamilyen szünetmentes tápellátást biztosító rendszert a rövid távú áramkimaradások esetére, nem veszik figyelembe azokat a hosszabb távú áramkimaradásokat, amelyek természeti katasztrófák vagy terrortámadások után fordulhatnak elő. Ez számos vállalati és kormányzati szerv számára kritikus probléma lehet.

Az olyan létfontosságú rendszerek, mint a CCTV hozzáférés-felügyeleti és -vezérlő rendszerek (személyi kártya olvasók, ajtózárak, biometrikus azonosítási technológia stb.), automatikus tűzjelző és tűzoltó rendszerek, liftvezérlő rendszerek és távközlési hálózatok veszélyben vannak, ha nincs megbízható, hosszú élettartamú alternatív tápegység.

A dízel generátorok nagy zajt adnak, nehezen helyezhetők el, megbízhatóságukkal, ill. műszaki karbantartás. Ezzel szemben a tartalék energiát biztosító üzemanyagcellás berendezés csendes, megbízható, nulla vagy nagyon alacsony károsanyag-kibocsátással rendelkezik, és könnyen felszerelhető tetőre vagy épületen kívülre. Készenléti üzemmódban nem merül le, és nem veszíti el az áramellátást. Biztosítja a kritikus rendszerek folyamatos működését a létesítmény működésének megszűnése és az épület kiürítése után is.

Az innovatív üzemanyagcellás berendezések megvédik a költséges beruházásokat a kritikus alkalmazásokban. Környezetbarát, megbízható tartalék teljesítményt nyújtanak hosszabb ideig (akár több napig) a 250 W-tól 15 kW-ig terjedő teljesítménytartományban, számos páratlan tulajdonsággal és különösen magas szintű energiamegtakarítással kombinálva.

Az üzemanyagcellás tartalék berendezések számos előnnyel rendelkeznek a kritikus fontosságú alkalmazásokban, mint például a biztonsági és épületfelügyeleti rendszerekben a hagyományos akkumulátoros vagy dízelgenerátoros alkalmazásokhoz képest. A folyékony üzemanyag-technológia megoldja a hidrogénelhelyezés problémáját, és gyakorlatilag korlátlan tartalék teljesítményt biztosít.

Üzemanyagcellák/cellák alkalmazása települési fűtésben és villamosenergia-termelésben

A szilárd oxid üzemanyagcellák (SOFC) megbízható, energiahatékony és károsanyag-kibocsátásmentes hőerőműveket biztosítanak, amelyek villamos energiát és hőt termelnek széles körben elérhető földgázból és megújuló tüzelőanyag-forrásokból. Ezeket az innovatív berendezéseket számos piacon használják, az otthoni áramtermeléstől a távoli áramellátásig, valamint a kiegészítő tápegységekig.

Ezek az energiatakarékos egységek hőt termelnek a helyiségfűtéshez és a vízmelegítéshez, valamint elektromos áramot, amelyet a lakásban felhasználhatnak és visszavezethetnek a hálózatba. Az elosztott energiatermelő források közé tartozhatnak a fotovoltaikus (napelemek) és a mikroszél-turbinák. Ezek a technológiák jól láthatóak és széles körben ismertek, de működésük az időjárási viszonyoktól függ, és nem tudnak egész évben folyamatosan áramot termelni. A hőerőművek teljesítménye 1 kW-nál kisebbtől 6 MW-ig vagy még nagyobb is lehet.

Üzemanyagcellák/cellák alkalmazása elosztó hálózatokban

A kis hőerőműveket úgy tervezték, hogy egy központi erőmű helyett nagyszámú kis generátoregységből álló elosztott villamosenergia-termelő hálózatban működjenek.

Az alábbi ábra a villamosenergia-termelés hatékonyságának csökkenését mutatja, ha azt hőerőműben állítják elő, és a jelenleg használatos hagyományos villamosenergia-átviteli hálózatokon keresztül továbbítják az otthonokba. A központosított termelés hatékonysági veszteségei közé tartoznak az erőműből származó veszteségek, a kis- és nagyfeszültségű átvitel, valamint az elosztási veszteségek.

Az ábra a kis hőerőművek integrációjának eredményeit mutatja: a felhasználás helyén akár 60%-os termelési hatásfokkal is termelnek villamos energiát. Ezen túlmenően a háztartás az üzemanyagcellák által termelt hőt felhasználhatja víz és tér fűtésére, ami növeli az üzemanyag-energia feldolgozás általános hatékonyságát és növeli az energiamegtakarítást.

Üzemanyagcellák használata a környezet védelmére – a kapcsolódó kőolajgáz hasznosítása

Az olajipar egyik legfontosabb feladata a kapcsolódó kőolajgáz hasznosítása. A kapcsolódó kőolajgáz hasznosításának meglévő módszereinek számos hátránya van, amelyek közül a legfontosabb, hogy gazdaságilag nem életképesek. A kapcsolódó kőolajgázt elégetik, ami óriási károkat okoz a környezetre és az emberi egészségre.

A kapcsolódó kőolajgázt tüzelőanyagként tüzelőanyagcellákat használó innovatív hőerőművek megnyitják az utat a kapcsolódó kőolajgáz-hasznosítás problémáinak radikális és költséghatékony megoldásához.

1. A tüzelőanyagcellás berendezések egyik fő előnye, hogy megbízhatóan és stabilan működhetnek a kapcsolódó változó összetételű kőolajgázzal. Az üzemanyagcella működésének alapjául szolgáló lángmentes kémiai reakció miatt például a metán százalékos arányának csökkenése csak ennek megfelelően csökkenti a teljesítményt.
2. Rugalmasság a fogyasztók elektromos terhelésével, eséssel, terheléslökéssel kapcsolatban.
3. A hőerőművek tüzelőanyagcellás telepítéséhez és csatlakoztatásához azok megvalósítása nem igényel tőkeköltséget, mert Az egységek könnyen felszerelhetők szántóföldi, előkészítetlen helyekre, könnyen kezelhetők, megbízhatóak és hatékonyak.
4. A magas szintű automatizálás és a modern távvezérlés nem igényli a személyzet állandó jelenlétét a telepítésnél.
5. A tervezés egyszerűsége és műszaki tökéletessége: a mozgó alkatrészek, a súrlódás és a kenőrendszerek hiánya jelentős gazdasági előnyökkel jár az üzemanyagcellás berendezések üzemeltetéséből.
6. Vízfogyasztás: +30 °C-ig nincs környezeti hőmérsékleten, magasabb hőmérsékleten pedig elhanyagolható.
7. Vízkimenet: nincs.
8. Ezenkívül az üzemanyagcellás hőerőművek nem adnak zajt, nem rezegnek,

Az üzemanyagcellák egy olyan módszer, amellyel elektrokémiai úton alakítják át a hidrogén üzemanyag energiáját elektromos árammá, és ennek a folyamatnak az egyetlen mellékterméke a víz.

Az üzemanyagcellákban jelenleg használt hidrogén üzemanyagot jellemzően metán gőzreformálásából állítják elő (vagyis a szénhidrogének gőz és hő felhasználásával metánná alakítják), bár használható zöldebb megközelítés is, például víz elektrolízise napenergiával.

Az üzemanyagcella fő összetevői a következők:

• anód, amelyben hidrogénoxidáció megy végbe;
• katód, ahol oxigén redukció történik;
• polimer elektrolit membrán, amelyen keresztül protonok vagy hidroxid-ionok szállítódnak (a közegtől függően) - nem engedi át a hidrogént és az oxigént;
• oxigén és hidrogén áramlási mezői, amelyek felelősek ezeknek a gázoknak az elektródához való eljuttatásáért.

Egy autó meghajtásához például több üzemanyagcellát szerelnek össze egy akkumulátorba, és az akkumulátor által szolgáltatott energia mennyisége az elektródák teljes területétől és a benne lévő cellák számától függ. Az üzemanyagcellában az energia a következőképpen keletkezik: a hidrogén az anódon oxidálódik, és az abból származó elektronok a katódra kerülnek, ahol az oxigén redukálódik. A hidrogén anódon történő oxidációjából nyert elektronok kémiai potenciálja nagyobb, mint a katódon az oxigént redukáló elektronok. Az elektronok kémiai potenciáljai közötti különbség lehetővé teszi az energia kinyerését az üzemanyagcellákból.

A teremtés története

Az üzemanyagcellák története az 1930-as évekig nyúlik vissza, amikor az első hidrogén üzemanyagcellát William R. Grove tervezte. Ez a cella kénsavat használt elektrolitként. Grove réz-szulfát vizes oldatából próbált rezet lerakni egy vasfelületre. Észrevette, hogy az elektronáram hatására a víz hidrogénné és oxigénné bomlik. Ezt a felfedezést követően Grove és munkatársa, Christian Schönbein, a Bázeli Egyetem (Svájc) vegyésze 1839-ben egyidejűleg bemutatta annak lehetőségét, hogy hidrogén-oxigén üzemanyagcellában, savas elektrolit felhasználásával is lehet energiát termelni. Ezek az első próbálkozások, bár meglehetősen primitív természetűek, több kortársuk, köztük Michael Faraday figyelmét is felkeltették.

Az üzemanyagcellák kutatása folytatódott, és az 1930-as években F.T. Bacon egy új komponenst vezetett be a lúgos tüzelőanyag-cellába (az üzemanyagcella egy típusa) - egy ioncserélő membránt, amely megkönnyíti a hidroxid-ionok szállítását.

A lúgos üzemanyagcellák egyik leghíresebb történelmi alkalmazása az Apollo-program űrrepülései során a fő energiaforrásként való felhasználásuk.

A NASA tartósságuk és műszaki stabilitásuk miatt választotta őket. Hidroxidot vezető membránt használtak, amely hatékonyabb volt protoncserélő testvérénél.

Az első tüzelőanyagcellás prototípus megalkotása óta eltelt közel két évszázad alatt sok munka történt a fejlesztésükön. Általában az üzemanyagcellából nyert végső energia függ a redoxreakció kinetikájától, a cella belső ellenállásától, valamint a reakcióba lépő gázok és ionok tömegátadásától a katalitikusan aktív komponensekhez. Az évek során számos fejlesztés történt az eredeti elképzelésen, mint például:

1) platinahuzalok cseréje szénalapú elektródákkal, platina nanorészecskékkel; 2) nagy vezetőképességű és szelektív membránok, mint például a Nafion feltalálása az iontranszport megkönnyítésére; 3) egy katalitikus réteget, például egy szénbázison elosztott platina nanorészecskéket kombinálunk ioncserélő membránokkal, ami minimális belső ellenállású membrán-elektróda egységet eredményez; 4) az áramlási mezők használata és optimalizálása a hidrogén és az oxigén katalitikus felületre juttatására, ahelyett, hogy közvetlenül oldatban hígítanák őket.

Ezek és más fejlesztések végül elég hatékony technológiát hoztak létre ahhoz, hogy olyan autókban is használhatók legyenek, mint például a Toyota Mirai.

Üzemanyagcellák hidroxicserélő membránokkal

A Delaware Egyetem kutatásokat végez hidroxidcserélő membrán üzemanyagcellák (HEMFC) fejlesztésével kapcsolatban. A protoncserélő membránok helyett hidroxicserélő membránokkal ellátott üzemanyagcellák - PEMFC-k (protoncserélő membrán üzemanyagcellák) - kevésbé szembesülnek a PEMFC-k egyik nagy problémájával - a katalizátor stabilitásának problémájával, mivel sokkal több nem nemesfém katalizátor stabil lúgos körülmények között, mint savas körülmények között. A lúgos oldatokban a katalizátorok stabilitása nagyobb, mivel a fémek oldódása során több energia szabadul fel alacsony pH-n, mint magas pH-n. Ebben a laboratóriumban a munka nagy részét új anódos és katódos katalizátorok kifejlesztésére is fordítják hidrogénoxidációs és oxigénredukciós reakciókhoz, hogy még hatékonyabban felgyorsítsák azokat. Emellett a laboratórium új hidroxicserélő membránokat fejleszt, mivel az ilyen membránok vezetőképességén és tartósságán még javítani kell ahhoz, hogy felvegyék a versenyt a protoncserélő membránokkal.

Keressen új katalizátorokat

Az oxigénredukciós reakció túlfeszültség-veszteségének oka a reakció közbenső termékei közötti lineáris skálakapcsolatokkal magyarázható. Ennek a reakciónak a hagyományos négyelektronos mechanizmusában az oxigén szekvenciálisan redukálódik, OOH*, O* és OH* intermediereket hozva létre, amelyek végül vizet (H2O) képeznek a katalitikus felületen. Mivel az egyes katalizátorok közbenső termékek adszorpciós energiái erősen korrelálnak egymással, még nem találtak olyan katalizátort, amely – legalábbis elméletben – ne veszítene túlfeszültség miatt. Bár ennek a reakciónak a sebessége alacsony, a savas környezet lúgosra cserélése, mint például a HEMFC-ben, nem befolyásolja különösebben. A hidrogén oxidációs reakciójának sebessége azonban közel felére csökken, és ez a tény motiválja a csökkenés okának feltárására és új katalizátorok feltárására irányuló kutatásokat.

Az üzemanyagcellák előnyei

A szénhidrogén üzemanyagokkal szemben az üzemanyagcellák környezetbarátabbak, ha nem is teljesen, és működésük következtében nem termelnek üvegházhatású gázokat. Ezenkívül üzemanyaguk (hidrogén) elvileg megújuló, mivel víz hidrolizálásával előállítható. Így a hidrogén üzemanyagcellák a jövőben az energiatermelési folyamat teljes körű részévé válnak, amelynek során nap- és szélenergiát használnak fel hidrogén üzemanyag előállítására, amelyet aztán az üzemanyagcellában használnak fel víz előállítására. Ez lezárja a ciklust, és nem hagy szénlábnyomot.

Az újratölthető akkumulátorokkal ellentétben az üzemanyagcelláknak megvan az az előnye, hogy nem kell őket újratölteni – azonnal megkezdhetik az energiaellátást, amint arra szükség van. Vagyis, ha például a járművek területén alkalmazzák őket, akkor fogyasztói oldalon szinte nem lesz változás. A nap- és szélenergiával ellentétben az üzemanyagcellák folyamatosan képesek energiát termelni, és sokkal kevésbé függenek a külső körülményektől. A geotermikus energia viszont csak bizonyos földrajzi területeken érhető el, az üzemanyagcelláknál viszont nincs ilyen probléma.

A hidrogén üzemanyagcellák hordozhatóságuk és rugalmasságuk miatt a legígéretesebb energiaforrások közé tartoznak.

A hidrogén tárolásának nehézségei

A jelenlegi membránok és katalizátorok hiányosságaival kapcsolatos problémákon kívül az üzemanyagcellák előtt álló egyéb műszaki kihívások a hidrogén-üzemanyag tárolásával és szállításával kapcsolatosak. A hidrogénnek nagyon alacsony térfogategységenkénti fajlagos energiája van (az egységnyi térfogatban lévő energia mennyisége adott hőmérsékleten és nyomáson), ezért nagyon magas nyomáson kell tárolni ahhoz, hogy járművekben használhassák. Ellenkező esetben a szükséges mennyiségű üzemanyag tárolására szolgáló tartály mérete hihetetlenül nagy lesz. A hidrogéntárolás e korlátai miatt kísérletek történtek arra, hogy találjanak módokat arra, hogy a hidrogént a gáz halmazállapotán kívül másból is előállítsák, például fém-hidrid üzemanyagcellákból. A jelenlegi fogyasztói üzemanyagcellás alkalmazások, például a Toyota Mirai azonban szuperkritikus hidrogént használnak (a hidrogént 33 K feletti hőmérsékleten és 13,3 atmoszféra feletti nyomáson tartják, vagyis a kritikus értékek felett), és most ez a legkényelmesebb megoldás.

A régió kilátásai

A vízből napenergiával történő hidrogéntermelés jelenlegi technikai nehézségei és kihívásai miatt a közeljövőben a kutatások valószínűleg elsősorban alternatív hidrogénforrások felkutatására fognak összpontosítani. Az egyik népszerű ötlet az ammónia (hidrogén-nitrid) használata közvetlenül az üzemanyagcellában hidrogén helyett, vagy hidrogént állítanak elő ammóniából. Ennek az az oka, hogy az ammónia kevésbé igényes a nyomásra, ami kényelmesebbé teszi a tárolást és a mozgatást. Ezenkívül az ammónia vonzó hidrogénforrásként, mivel nem tartalmaz szenet. Ez megoldja a katalizátormérgezés problémáját, amely a metánból előállított hidrogénben lévő némi CO miatt keletkezik.

A jövőben az üzemanyagcellák széles körben alkalmazhatók a mobilitástechnológiában és az elosztott energiatermelésben, például a lakóövezetekben. Bár az üzemanyagcellák fő energiaforrásként való felhasználása jelenleg sok pénzt igényel, ha olcsóbb és hatékonyabb katalizátorokat, stabil, nagy vezetőképességű membránokat és alternatív hidrogénforrásokat fedeznek fel, a hidrogénes üzemanyagcellák gazdaságilag rendkívül vonzóvá válhatnak.

Kémiai folyamatok az üzemanyagcellában

Az üzemanyagcellák elektrokémiai eljárással egyesítik a hidrogént a levegőből nyert oxigénnel. Az akkumulátorokhoz hasonlóan az üzemanyagcellák is elektródákat (szilárd elektromos vezetőket) használnak elektrolitban (elektromosan vezető közegben). Amikor a hidrogénmolekulák érintkezésbe kerülnek a negatív elektróddal (anóddal), az utóbbi protonokra és elektronokra válik szét. A protonok egy protoncserélő membránon (POEM) keresztül jutnak el az üzemanyagcella pozitív elektródájához (katódjához), és elektromosságot termelnek. Hidrogén- és oxigénmolekulák kémiai kombinációja keletkezik, és a reakció melléktermékeként víz keletkezik. Az üzemanyagcellákból származó kibocsátás egyetlen típusa a vízgőz.
Az üzemanyagcellák által termelt villamos energia felhasználható a jármű elektromos hajtásláncában (amely egy elektromos teljesítményátalakítóból és egy váltakozó áramú indukciós motorból áll), hogy mechanikai energiát biztosítson a jármű meghajtásához. Az elektromos áramátalakító feladata, hogy az üzemanyagcellák által termelt egyenáramot váltakozó árammá alakítsa, amely a jármű vontatómotorját működteti.

Protoncserélő membránnal ellátott üzemanyagcella diagramja:
1 - anód;
2 - protoncserélő membrán (PEM);
3 - katalizátor (piros);
4 - katód

A protoncserélő membrán üzemanyagcella (PEMFC) bármely üzemanyagcella közül az egyik legegyszerűbb reakciót alkalmazza.

Egycellás üzemanyagcella

Nézzük meg, hogyan működik az üzemanyagcella. Az anód, az üzemanyagcella negatív pólusa olyan elektronokat vezet, amelyek megszabadulnak a hidrogénmolekuláktól, így felhasználhatók a külső elektromos áramkörben. Ehhez csatornákat gravíroznak bele, egyenletesen elosztva a hidrogént a katalizátor teljes felületén. A katód (az üzemanyagcella pozitív pólusa) maratott csatornákkal rendelkezik, amelyek elosztják az oxigént a katalizátor felületén. Ezenkívül visszavezeti az elektronokat a külső hurokból (áramkörből) a katalizátorba, ahol hidrogénionokkal és oxigénnel egyesülve vizet képezhetnek. Az elektrolit egy protoncserélő membrán. Ez egy speciális anyag, amely hasonló a közönséges műanyaghoz, de képes átengedni a pozitív töltésű ionokat, és blokkolni az elektronok áthaladását.
A katalizátor egy speciális anyag, amely elősegíti az oxigén és a hidrogén közötti reakciót. A katalizátor általában platinaporból készül, amelyet nagyon vékony rétegben szénpapírra vagy szövetre visznek fel. A katalizátornak érdesnek és porózusnak kell lennie, hogy felülete maximálisan érintkezhessen hidrogénnel és oxigénnel. A katalizátor platina bevonatú oldala a protoncserélő membrán (PEM) előtt van.
Az anód nyomása alatt hidrogéngázt (H2) juttatnak az üzemanyagcellába. Amikor egy H2-molekula érintkezésbe kerül a katalizátoron lévő platinával, az két részre, két ionra (H+) és két elektronra (e–) hasad. Az elektronokat az anódon vezetik át, ahol egy külső hurkon (áramkörön) haladnak keresztül, ahol hasznos munkát végeznek (például elektromos motort hajtanak), és az üzemanyagcella katódoldalán térnek vissza.
Eközben az üzemanyagcella katód oldalán az oxigéngáz (O 2 ) átpréselődik a katalizátoron, ahol két oxigénatomot képez. Ezen atomok mindegyike erős negatív töltéssel rendelkezik, amely két H+ iont vonz át a membránon, ahol ezek egy oxigénatommal és a külső áramkörből származó két elektronnal egyesülve vízmolekulát (H 2 O) alkotnak.
Ez a reakció egyetlen üzemanyagcellában körülbelül 0,7 W teljesítményt ad. Ahhoz, hogy a teljesítményt a kívánt szintre emeljük, sok egyedi tüzelőanyag-cellát kell kombinálni, hogy egy üzemanyagcella-köteget alkossanak.
A POM üzemanyagcellák viszonylag alacsony hőmérsékleten (80°C körül) működnek, ami azt jelenti, hogy gyorsan üzemi hőmérsékletre melegednek, és nem igényelnek drága hűtőrendszert. Az ezekben a cellákban használt technológia és anyagok folyamatos fejlesztése révén azok teljesítménye közelebb került ahhoz a szinthez, ahol az ilyen üzemanyagcellák akkumulátora, amely az autó csomagtartójának egy kis részét foglalja el, képes biztosítani az autó vezetéséhez szükséges energiát.
Az elmúlt években a világ vezető autógyártóinak többsége jelentős összegeket fektetett be az üzemanyagcellákat használó járműkonstrukciók fejlesztésébe. Sokan már bemutattak kielégítő teljesítmény- és teljesítményjellemzőkkel rendelkező üzemanyagcellás járműveket, bár meglehetősen drágák voltak.
Az ilyen autók kialakításának fejlesztése nagyon intenzív.

Az üzemanyagcellás jármű a jármű padlója alatt elhelyezett erőművet használ

A NECAR V egy Mercedes-Benz A-osztályú autóra épül, a teljes erőmű az üzemanyagcellákkal együtt az autó padlója alatt található. Ez a tervezési megoldás négy utas és csomagok elhelyezését teszi lehetővé az autóban. Itt nem hidrogént, hanem metanolt használnak üzemanyagként az autóban. A metanolt egy reformer (olyan eszköz, amely a metanolt hidrogénné alakítja) segítségével hidrogénné alakítják, amely az üzemanyagcella táplálásához szükséges. A reformer gépkocsi fedélzetén történő használata lehetővé teszi szinte bármilyen szénhidrogén üzemanyagként való felhasználását, ami lehetővé teszi az üzemanyagcellás autó tankolását a meglévő benzinkutak hálózatával. Elméletileg az üzemanyagcellák nem termelnek mást, csak elektromosságot és vizet. Az üzemanyag (benzin vagy metanol) hidrogénné alakítása, amely az üzemanyagcellához szükséges, némileg csökkenti az ilyen autók környezeti vonzerejét.
A Honda, amely 1989 óta foglalkozik üzemanyagcellákkal, 2003-ban egy kis tételben gyártott protoncserélő üzemanyagcellás Honda FCX-V4-es autókat. membrán típus Ballardtól. Ezek az üzemanyagcellák 78 kW-ot termelnek elektromos erő, a hajtókerekek meghajtására pedig 60 kW teljesítményű, 272 Nm nyomatékú vonóvillanymotorokat használnak Egy üzemanyagcellás autó a hagyományos autóhoz képest hozzávetőleg 40%-kal kisebb tömegű, ami biztosítja számára kiváló dinamika, és a sűrített hidrogén tartalék akár 355 km-es hatótávolságot tesz lehetővé.

A Honda FCX üzemanyagcellák által termelt elektromos energiát használ a vezetéshez.
A Honda FCX a világ első üzemanyagcellás járműve, amely megkapta a kormányzati tanúsítványt az Egyesült Államokban. Az autó a ZEV - Zero Emission Vehicle szabványok szerint tanúsított. A Honda egyelőre nem adja el ezeket az autókat, de darabonként körülbelül 30 autót lízingel. Kalifornia és Tokió, ahol már létezik hidrogén-utántöltő infrastruktúra.

A General Motors Hy Wire koncepciójárműve üzemanyagcellás hajtáslánccal rendelkezik

A General Motors kiterjedt kutatásokat végez az üzemanyagcellás járművek fejlesztése és létrehozása terén.

Hy Wire autó alváz

A GM Hy Wire koncepcióautó 26 szabadalmat kapott. Az autó alapja egy 150 mm vastag funkcionális platform. A platformon belül hidrogénpalackok, üzemanyagcellás erőmű és járművezérlő rendszerek találhatók Legújabb technológiák elektronikus vezérlés vezetékkel. A Hy Wire jármű alváza egy vékony platform, amely magába foglalja a jármű összes fő szerkezeti elemét: hidrogéntartályokat, üzemanyagcellákat, akkumulátorokat, elektromos motorokat és vezérlőrendszereket. Ez a tervezési megközelítés lehetővé teszi az autók karosszériájának működés közbeni cseréjét, valamint az Opel üzemanyagcellás autók prototípusainak tesztelését, valamint üzemanyagcella-gyártó üzem tervezését.

"Biztonságos" cseppfolyósított hidrogén üzemanyagtartály tervezése:
1 - töltőberendezés;
2 - külső tartály;
3 - támasztékok;
4 - szintérzékelő;
5 - belső tartály;
6 - töltősor;
7 - szigetelés és vákuum;
8 - fűtőtest;
9 - szerelődoboz

A BMW nagy figyelmet fordít a hidrogén üzemanyagként való felhasználásának problémájára. A cseppfolyósított hidrogén űrkutatásban való felhasználásáról híres Magna Steyerrel közösen a BMW kifejlesztett egy üzemanyagtartályt a cseppfolyósított hidrogén számára, amely autókban is használható.

A tesztek megerősítették a folyékony hidrogén üzemanyagtartály használatának biztonságosságát

A vállalat szabványos módszerekkel tesztelte a szerkezet biztonságát, és megerősítette annak megbízhatóságát.
2002-ben a Frankfurt am Mainban (Németország) megrendezett autókiállításon bemutatták a Mini Cooper Hydrogen-t, amely cseppfolyósított hidrogént használ üzemanyagként. Üzemanyag tartály Ez az autó ugyanannyi helyet foglal el, mint egy hagyományos benzintartály. Ebben az autóban a hidrogént nem üzemanyagcellákhoz használják, hanem a belső égésű motor üzemanyagaként.

A világ első sorozatgyártású autója akkumulátor helyett üzemanyagcellával

2003-ban a BMW bejelentette az első üzemanyagcellás sorozatgyártású autó, a BMW 750 hL gyártását. A hagyományos akkumulátor helyett üzemanyagcellás akkumulátort használnak. Ez az autó 12 hengeres, hidrogénnel működő belső égésű motorral rendelkezik, az üzemanyagcella pedig a hagyományos akkumulátor alternatívájaként szolgál, lehetővé téve a légkondicionáló és más elektromos fogyasztók működését, amikor az autó hosszabb ideig parkolt anélkül, hogy a motor járna.

A hidrogén töltését robot végzi, a sofőr nem vesz részt ebben a folyamatban

Ugyanez a BMW cég robotizált tankoló-adagolókat is kifejlesztett, amelyek az autók gyors és biztonságos tankolását teszik lehetővé cseppfolyós hidrogénnel.
Az elmúlt években az alternatív üzemanyagokat és alternatív hajtásláncokat használó autók létrehozását célzó számos fejlesztés megjelenése azt sugallja, hogy a belső égésű motorok, amelyek az elmúlt évszázadban uralták az autókat, végül átadják a helyét a tisztább, hatékonyabb és csendesebb dizájnnak. Széleskörű elterjedését jelenleg nem technikai, hanem gazdasági és társadalmi problémák korlátozzák. Széleskörű használatukhoz szükséges egy bizonyos infrastruktúra kialakítása az alternatív üzemanyagok előállításának fejlesztéséhez, új benzinkutak létrehozásához és forgalmazásához, valamint számos pszichológiai akadály leküzdéséhez. A hidrogén jármű-üzemanyagként való felhasználása megköveteli a tárolási, szállítási és elosztási problémák kezelését, és komoly biztonsági intézkedéseket kell bevezetni.
A hidrogén elméletileg korlátlan mennyiségben áll rendelkezésre, de előállítása igen energiaigényes. Ezenkívül ahhoz, hogy az autókat hidrogénüzemű üzeművé alakítsák, két nagy változtatást kell végrehajtani az energiarendszerben: először át kell állítani a működését benzinről metanolra, majd egy idő után hidrogénre. Eltelik egy kis idő, mire ez a probléma megoldódik.

Leírás:

Ez a cikk részletesebben megvizsgálja ezek kialakítását, osztályozását, előnyeit és hátrányait, alkalmazási körét, hatékonyságát, létrehozásának történetét és a modern felhasználási lehetőségeket.

Üzemanyagcellák használata épületek energiaellátására

1. rész

Ez a cikk részletesebben megvizsgálja az üzemanyagcellák működési elvét, kialakításukat, osztályozásukat, előnyeit és hátrányait, alkalmazási körét, hatékonyságát, a keletkezés történetét és a modern felhasználási lehetőségeket. A cikk második részében, amely az ABOK magazin következő számában jelenik meg, példákat mutat be olyan létesítményekre, ahol különféle típusú üzemanyagcellákat használtak hő- és áramforrásként (vagy csak áramellátásként).

Bevezetés

Az üzemanyagcellák nagyon hatékony, megbízható, tartós és környezetbarát módja az energiatermelésnek.

A kezdetben csak az űriparban használt üzemanyagcellákat ma már egyre szélesebb körben alkalmazzák számos területen – helyhez kötött erőművekként, épületek hő- és tápegységeiként, járműmotorok, laptopok és mobiltelefonok tápegységeiként. Ezen eszközök egy része laboratóriumi prototípus, némelyik gyártás előtti tesztelés alatt áll, vagy demonstrációs célokra használják, de sok modellt tömeggyártásban és kereskedelmi projektekben használnak.

Az üzemanyagcella (elektrokémiai generátor) olyan eszköz, amely az üzemanyag (hidrogén) kémiai energiáját közvetlenül elektromos energiává alakítja elektrokémiai reakcióval, ellentétben a hagyományos, szilárd, folyékony és gáznemű tüzelőanyagok elégetését alkalmazó technológiákkal. Az üzemanyag közvetlen elektrokémiai átalakítása környezetvédelmi szempontból nagyon hatékony és vonzó, mivel az üzemeltetési folyamat minimális mennyiségű szennyezőanyagot termel, és nincs erős zaj vagy rezgés.

Gyakorlati szempontból az üzemanyagcella egy hagyományos voltakkumulátorhoz hasonlít. A különbség az, hogy az akkumulátor kezdetben fel van töltve, azaz „üzemanyaggal” van feltöltve. Működés közben az „üzemanyag” elfogy, és az akkumulátor lemerül. Az akkumulátorral ellentétben az üzemanyagcella külső forrásból származó üzemanyagot használ elektromos energia előállítására (1. ábra).

Elektromos energia előállításához nem csak tiszta hidrogén használható, hanem más hidrogéntartalmú nyersanyagok is, például földgáz, ammónia, metanol vagy benzin. A közönséges levegőt oxigénforrásként használják, amely szintén szükséges a reakcióhoz.

Tiszta hidrogén tüzelőanyagként történő felhasználása esetén a reakciótermékek az elektromos energia mellett hő és víz (vagy vízgőz), vagyis a légszennyezést okozó vagy üvegházhatást okozó gázok nem kerülnek ki a légkörbe. Ha hidrogéntartalmú nyersanyagot, például földgázt használnak tüzelőanyagként, más gázok, például szén és nitrogén-oxidok lesznek a reakció melléktermékei, de ezek mennyisége jóval kisebb, mint ugyanannyi természetes anyag elégetésekor. gáz.

Az üzemanyag hidrogén előállítására való kémiai átalakításának folyamatát reformálásnak, a megfelelő eszközt reformernek nevezik.

Az üzemanyagcellák előnyei és hátrányai

Az üzemanyagcellák energiahatékonyabbak, mint a belső égésű motorok, mivel az üzemanyagcellákra nincs termodinamikai energiahatékonysági korlátozás. Az üzemanyagcellák hatásfoka 50%, míg a belső égésű motoroké 12-15%, a gőzturbinás erőművek hatásfoka pedig nem haladja meg a 40%-ot. Hő és víz felhasználásával tovább nő az üzemanyagcellák hatásfoka.

Ellentétben például a belső égésű motorokkal, az üzemanyagcellák hatásfoka akkor is nagyon magas marad, ha nem teljes teljesítménnyel működnek. Ráadásul az üzemanyagcellák teljesítménye egyszerűen növelhető az egyes egységek hozzáadásával, miközben a hatásfok nem változik, vagyis a nagy telepítések ugyanolyan hatékonyak, mint a kicsik. Ezek a körülmények lehetővé teszik a berendezés összetételének nagyon rugalmas megválasztását az ügyfél kívánságai szerint, és végső soron a berendezés költségeinek csökkenéséhez vezetnek.

Az üzemanyagcellák fontos előnye a környezetbarátság. Az üzemanyagcellák kibocsátása olyan alacsony, hogy az Egyesült Államok egyes területein működésükhöz nincs szükség a kormányzati levegőminőség-szabályozó hatóságok külön jóváhagyására.

Az üzemanyagcellák közvetlenül az épületbe helyezhetők, csökkentve az energiaszállítás során keletkező veszteségeket, a reakció eredményeként keletkező hő pedig felhasználható az épület hő- vagy melegvízellátására. Az autonóm hő- és villamosenergia-források nagyon előnyösek lehetnek a távoli területeken, illetve a villamos energia hiányával és magas költségével jellemezhető régiókban, ugyanakkor vannak hidrogéntartalmú nyersanyagok (olaj, földgáz) tartalékai.

Az üzemanyagcellák előnye még az üzemanyag elérhetősége, a megbízhatóság (nincs mozgó alkatrész az üzemanyagcellában), a tartósság és a könnyű kezelhetőség.

Az üzemanyagcellák egyik fő hátránya manapság a viszonylag magas ára, de ez a hátrány hamar kiküszöbölhető - egyre több cég gyárt kereskedelmi forgalomban lévő üzemanyagcella-mintákat, ezeket folyamatosan fejlesztik, és költségük is csökken.

A leghatékonyabb módja a tiszta hidrogén üzemanyagként való felhasználása, de ehhez speciális infrastruktúra létrehozása szükséges a termeléshez és szállításhoz. Jelenleg minden kereskedelmi modell földgázt és hasonló tüzelőanyagokat használ. A gépjárművek normál benzint is használhatnak, ami lehetővé teszi a meglévő, fejlett benzinkút-hálózat fenntartását. Az ilyen tüzelőanyag használata azonban káros kibocsátáshoz vezet a légkörbe (bár nagyon alacsony), és bonyolítja (és ezért növeli a költségeket) az üzemanyagcellát. A jövőben fontolóra veszik annak lehetőségét, hogy környezetbarát megújuló energiaforrásokkal (például nap- vagy szélenergia) a vizet elektrolízissel hidrogénné és oxigénné bontsák, majd a keletkező tüzelőanyagot üzemanyagcellában alakítsák át. Az ilyen, zárt ciklusban működő kombinált üzemek teljesen környezetbarát, megbízható, tartós és hatékony energiaforrást jelenthetnek.

Az üzemanyagcellák másik jellemzője, hogy a leghatékonyabbak, ha egyszerre használnak elektromos és hőenergiát. Azonban nem minden létesítménynek van lehetősége hőenergia felhasználására. Ha az üzemanyagcellákat csak elektromos energia előállítására használják, akkor a hatásfokuk csökken, bár meghaladja a „hagyományos” berendezések hatékonyságát.

Az üzemanyagcellák története és modern felhasználása

Az üzemanyagcellák működési elvét 1839-ben fedezték fel. William Robert Grove (1811-1896) angol tudós felfedezte, hogy az elektrolízis folyamata - a víz elektromos áram hatására hidrogénné és oxigénné bomlása - reverzibilis, azaz a hidrogén és az oxigén égés nélkül, de felszabadulással egyesülhet vízmolekulákká. hő és elektromos áram. Grove azt az eszközt, amelyben egy ilyen reakció lehetséges volt, „gázakkumulátornak” nevezte, amely az első üzemanyagcella volt.

Az üzemanyagcella-használati technológiák aktív fejlesztése a második világháború után kezdődött, és az űriparhoz kötődik. Ebben az időben egy hatékony és megbízható, ugyanakkor meglehetősen kompakt energiaforrás keresése folyt. Az 1960-as években a NASA (National Aeronautics and Space Administration, NASA) szakemberei az üzemanyagcellákat választották az Apollo (emberes repülések a Holdra), az Apollo-Soyuz, a Gemini és a Skylab űrszondák áramforrásaként. Az Apollo űrszonda három 1,5 kW-os (2,2 kW csúcsteljesítményű) üzemet használt, amelyek kriogén hidrogént és oxigént használtak elektromos áram, hő és víz előállítására. Az egyes berendezések tömege 113 kg volt. Ez a három cella párhuzamosan működött, de az egy egység által termelt energia elegendő volt a biztonságos visszatéréshez. A 18 repülés során az üzemanyagcellák összesen 10 000 órát üzemeltek meghibásodás nélkül. Jelenleg üzemanyagcellákat használnak a Space Shuttle-ben, amely három 12 W-os egységet használ az űrhajó fedélzetén lévő összes elektromos energia előállítására (2. ábra). Az elektrokémiai reakció eredményeként kapott vizet ivóvíznek és hűtőberendezéseknek is használják.

Hazánkban az űrhajózásban használható üzemanyagcellák létrehozásán is dolgoztak. Például üzemanyagcellákat használtak a szovjet Buran újrafelhasználható űrhajó meghajtására.

Az 1960-as évek közepén kezdődtek meg az üzemanyagcellák kereskedelmi felhasználásának módszerei. Ezeket a fejlesztéseket részben állami szervezetek finanszírozták.

Jelenleg az üzemanyagcellák felhasználási technológiáinak fejlesztése több irányban halad. Ez tüzelőanyagcellás helyhez kötött erőművek (központos és decentralizált energiaellátásra egyaránt), járműerőművek létrehozása (autók és buszok üzemanyagcellás mintái készültek, hazánkban is) (3. ábra), ill. különféle mobil eszközök (laptop számítógépek, mobiltelefonok stb.) tápegységei is (4. ábra).

A táblázatban találhatók példák az üzemanyagcellák különféle területeken történő felhasználására. 1.

Az egyik első kereskedelmi tüzelőanyagcellás modell, amelyet az épületek autonóm hő- és áramellátására terveztek, az ONSI Corporation (ma United Technologies, Inc.) által gyártott PC25 Model A volt. Ez a 200 kW névleges teljesítményű üzemanyagcella foszforsav alapú elektrolitot (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC) tartalmaz. A modellnévben szereplő „25” szám a minta sorozatszámát jelenti. A legtöbb korábbi modell kísérleti vagy tesztegység volt, például az 1970-es években bemutatott 12,5 kW-os „PC11” modell. Az új modellek növelték az egyes üzemanyagcellákból nyert teljesítményt, és csökkentették a megtermelt energia kilowattra eső költségét is. Jelenleg az egyik leghatékonyabb kereskedelmi modell a PC25 Model C üzemanyagcellás. Az A modellhez hasonlóan ez is egy teljesen automatikus, 200 kW-os PAFC üzemanyagcella, amelyet helyszíni telepítésre terveztek önálló hő- és energiaforrásként. Az ilyen üzemanyagcella épületen kívül is felszerelhető. Külsőleg 5,5 m hosszú, 3 m széles és magas, 18 140 kg tömegű paralelepipedon. A különbség a korábbi modellekhez képest a továbbfejlesztett reformer és a nagyobb áramsűrűség.

Az üzemanyagcellák egyes típusaiban a kémiai folyamat megfordítható: potenciálkülönbséget alkalmazva az elektródákra a víz hidrogénre és oxigénre bontható, amelyek a porózus elektródákon összegyűlnek. Amikor egy terhelést csatlakoztatnak, egy ilyen regeneratív üzemanyagcella elkezd elektromos energiát termelni.

Az üzemanyagcellák felhasználásának ígéretes iránya a megújuló energiaforrásokkal, például fotovoltaikus panelekkel vagy szélerőművekkel való együttes felhasználásuk. Ez a technológia lehetővé teszi számunkra, hogy teljesen elkerüljük a légszennyezést. Hasonló rendszert terveznek létrehozni például az oberlini Adam Joseph Lewis Training Centerben (lásd ABOK, 2002, 5. szám, 10. o.). Jelenleg ebben az épületben napelemeket használnak az egyik energiaforrásként. A NASA szakembereivel közösen kidolgoztak egy projektet a fotovoltaikus panelek felhasználásával, hogy elektrolízissel hidrogént és oxigént állítsanak elő vízből. A hidrogént ezután üzemanyagcellákban használják fel elektromos energia előállítására és forró víz. Ez lehetővé teszi, hogy az épület minden rendszer funkcionalitását fenntartsa felhős napokon és éjszaka is.

Az üzemanyagcellák működési elve

Tekintsük az üzemanyagcella működési elvét egy protoncserélő membránnal ellátott egyszerű elem példáján (Proton Exchange Membrane, PEM). Az ilyen cella egy anód (pozitív elektróda) ​​és egy katód (negatív elektróda) ​​közé helyezett polimer membránból, valamint anód- és katódkatalizátorokból áll. A polimer membránt elektrolitként használják. A PEM elem diagramja az ábrán látható. 5.

A protoncserélő membrán (PEM) egy vékony (kb. 2-7 papírlap vastagságú) szilárd szerves vegyület. Ez a membrán elektrolitként működik: az anyagot víz jelenlétében pozitív és negatív töltésű ionokra választja szét.

Az anódon oxidációs folyamat, a katódon redukciós folyamat megy végbe. A PEM cellában található anód és katód porózus anyagból készül, amely szén- és platinarészecskék keveréke. A platina katalizátorként működik, amely elősegíti a disszociációs reakciót. Az anód és a katód porózussá válik, hogy a hidrogén, illetve az oxigén szabadon áthaladhasson rajtuk.

Az anód és a katód két fémlemez közé kerül, amelyek hidrogénnel és oxigénnel látják el az anódot és a katódot, valamint eltávolítják a hőt és a vizet, valamint az elektromos energiát.

A hidrogénmolekulák a lemezben lévő csatornákon át az anódhoz jutnak, ahol a molekulák egyedi atomokra bomlanak (6. ábra).

Ezután a katalizátor jelenlétében végzett kemiszorpció eredményeként a hidrogénatomok, amelyek mindegyike egy-egy elektront adnak fel e –, pozitív töltésű H + hidrogénionokká, azaz protonokká alakulnak (7. ábra).

A pozitív töltésű hidrogénionok (protonok) a membránon keresztül a katódra diffundálnak, az elektronok áramlását pedig egy külső elektromos áramkörön keresztül irányítják a katódra, amelyre a terhelés (elektromos energia fogyasztó) csatlakozik (8. ábra).

A katódra juttatott oxigén katalizátor jelenlétében kémiai reakcióba lép a protoncserélő membránból származó hidrogénionokkal (protonokkal), a külső elektromos áramkörből pedig elektronokkal (9. ábra). Egy kémiai reakció eredményeként víz képződik.

A kémiai reakció más típusú üzemanyagcellákban (például savas elektrolittal, amely ortofoszforsav H 3 PO 4 oldatát használja) teljesen azonos a protoncserélő membránnal rendelkező üzemanyagcellában végbemenő kémiai reakcióval.

Bármely üzemanyagcellában a kémiai reakcióból származó energia egy része hőként szabadul fel.

Az elektronok áramlása egy külső áramkörben egyenáram, amelyet munkavégzésre használnak. A külső áramkör kinyitása vagy a hidrogénionok mozgásának leállítása leállítja a kémiai reakciót.

Az üzemanyagcella által termelt elektromos energia mennyisége az üzemanyagcella típusától, geometriai méretétől, hőmérsékletétől, gáznyomásától függ. Egy külön tüzelőanyag-cella 1,16 V-nál kisebb EMF-t biztosít. Az üzemanyagcellák mérete növelhető, de a gyakorlatban több elembe kapcsolt elemet használnak (10. ábra).

Üzemanyagcellás kialakítás

Nézzük meg az üzemanyagcella kialakítását a PC25 Model C példájával. Az üzemanyagcella diagramja az ábrán látható. tizenegy.

A PC25 Model C üzemanyagcella három fő részből áll: az üzemanyag-processzorból, a tényleges energiatermelő részből és a feszültségátalakítóból.

Az üzemanyagcella fő része - az energiatermelő rész - egy akkumulátor, amely 256 különálló üzemanyagcellából áll. Az üzemanyagcellás elektródák platina katalizátort tartalmaznak. Ezek a cellák 155 volton 1400 amper állandó elektromos áramot állítanak elő. Az akkumulátor mérete körülbelül 2,9 m hosszú és 0,9 m szélesség és magasság.

Mivel az elektrokémiai folyamat 177 °C hőmérsékleten megy végbe, az akkumulátort indításkor fel kell melegíteni, és működés közben hőt kell eltávolítani belőle. Ennek eléréséhez az üzemanyagcella külön vízkört tartalmaz, az akkumulátor pedig speciális hűtőlemezekkel van felszerelve.

Az üzemanyag-feldolgozó a földgázt hidrogénné alakítja, amely egy elektrokémiai reakcióhoz szükséges. Ezt a folyamatot reformálásnak nevezik. Az üzemanyag-feldolgozó fő eleme a reformer. A reformerben a földgáz (vagy más hidrogéntartalmú tüzelőanyag) magas hőmérsékleten (900 °C) és nagy nyomáson nikkelkatalizátor jelenlétében reagál a vízgőzzel. Ebben az esetben a következő kémiai reakciók lépnek fel:

CH 4 (metán) + H 2 O 3H 2 + CO

(a reakció endoterm, hőelnyeléssel);

CO + H 2 O H 2 + CO 2

(a reakció exoterm, hő szabadul fel).

Az általános reakciót a következő egyenlet fejezi ki:

CH 4 (metán) + 2H 2 O 4H 2 + CO 2

(a reakció endoterm, hőelnyeléssel).

A földgáz átalakításához szükséges magas hőmérséklet biztosítása érdekében az üzemanyagcella-kötegből a kiégett fűtőelemek egy részét egy égőbe irányítják, amely fenntartja a szükséges reformátor hőmérsékletet.

A reformáláshoz szükséges gőz az üzemanyagcella működése során keletkező kondenzátumból keletkezik. Ez az üzemanyagcellák akkumulátorából eltávolított hőt használja fel (12. ábra).

Az üzemanyagcella szakaszos egyenáramot állít elő, amely alacsony feszültség és nagy áram. Feszültségátalakítót használnak az ipari szabványos váltakozóárammá alakítására. Ezenkívül a feszültségátalakító egység különféle vezérlőeszközöket és biztonsági reteszelő áramköröket tartalmaz, amelyek lehetővé teszik az üzemanyagcella kikapcsolását különféle meghibásodások esetén.

Egy ilyen üzemanyagcellában a tüzelőanyag-energia körülbelül 40%-a alakítható át elektromos energiává. Körülbelül ugyanennyi, a tüzelőanyag-energia mintegy 40%-a alakítható át energiává, amit aztán hőforrásként használnak fel fűtésre, melegvízellátásra és hasonló célokra. Így egy ilyen telepítés teljes hatékonysága elérheti a 80%-ot.

Az ilyen hő- és villamosenergia-ellátás fontos előnye annak lehetősége automatikus működés. A karbantartáshoz az üzemanyagcella felszerelésére szolgáló létesítmény tulajdonosainak nem kell speciálisan képzett személyzetet fenntartaniuk - az időszakos karbantartást az üzemeltető szervezet alkalmazottai is elvégezhetik.

Az üzemanyagcellák típusai

Jelenleg többféle üzemanyagcella ismert, amelyek a felhasznált elektrolit összetételében különböznek egymástól. A következő négy típus a legelterjedtebb (2. táblázat):

1. Protoncserélő membránnal ellátott üzemanyagcellák (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC).

2. Ortofoszforsav alapú üzemanyagcellák (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC).

3. Olvadt karbonát alapú üzemanyagcellák (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).

4. Szilárd oxid üzemanyagcellák (SOFC). Jelenleg a legnagyobb üzemanyagcella-flotta PAFC technológián alapul.

A különböző típusú üzemanyagcellák egyik legfontosabb jellemzője az üzemi hőmérséklet. Sok szempontból a hőmérséklet határozza meg az üzemanyagcellák alkalmazási területét. Például a magas hőmérséklet kritikus a laptopok számára, ezért alacsony üzemi hőmérsékletű protoncserélő membrán üzemanyagcellákat fejlesztenek erre a piaci szegmensre.

Az épületek autonóm energiaellátásához nagy beépített teljesítményű tüzelőanyagcellák szükségesek, ugyanakkor lehetőség van hőenergia felhasználására, így más típusú üzemanyagcellák is használhatók erre a célra.

Protoncserélő membrán üzemanyagcellák (PEMFC)

Ezek az üzemanyagcellák viszonylag alacsony üzemi hőmérsékleten (60-160 °C) működnek. Nagy teljesítménysűrűséggel rendelkeznek, lehetővé teszik a kimeneti teljesítmény gyors beállítását, és gyorsan bekapcsolhatók. Az ilyen típusú elemek hátránya a magas üzemanyag-minőségi követelmények, mivel a szennyezett üzemanyag károsíthatja a membránt. Az ilyen típusú üzemanyagcellák névleges teljesítménye 1-100 kW.

A protoncserélő membrán üzemanyagcellákat eredetileg a General Electric fejlesztette ki az 1960-as években a NASA számára. Az ilyen típusú üzemanyagcellák szilárdtest polimer elektrolitot használnak, amelyet protoncserélő membránnak (PEM) neveznek. A protonok áthaladhatnak a protoncserélő membránon, de az elektronok nem tudnak áthaladni rajta, ami potenciálkülönbséget eredményez a katód és az anód között. Egyszerűségük és megbízhatóságuk miatt az ilyen üzemanyagcellákat energiaforrásként használták az emberes Gemini űrhajókon.

Az ilyen típusú tüzelőanyagcellákat különféle eszközök – köztük prototípusok és prototípusok – energiaforrásaként használják, a mobiltelefonoktól a buszokig és a helyhez kötött energiaellátó rendszerekig. Az alacsony üzemi hőmérséklet lehetővé teszi, hogy az ilyen cellákat különféle típusú összetett elektronikus eszközök táplálására használják. Használatuk kevésbé hatékony hő- és villamosenergia-ellátási forrásként köz- és ipari épületekben, ahol nagy mennyiségű hőenergia szükséges. Ugyanakkor az ilyen elemek ígéretesek autonóm energiaforrásként kis lakóépületek, például meleg éghajlatú régiókban épült nyaralók számára.

Foszforsavas üzemanyagcellák (PAFC)

Az ilyen típusú üzemanyagcellák tesztelését már az 1970-es évek elején végezték. Működési hőmérséklet tartomány - 150-200 °C. A fő alkalmazási terület a közepes teljesítményű (kb. 200 kW) autonóm hő- és villamosenergia-források.

Ezek az üzemanyagcellák foszforsavas oldatot használnak elektrolitként. Az elektródák szénnel bevont papírból készülnek, amelyben platina katalizátor van diszpergálva.

A PAFC üzemanyagcellák elektromos hatásfoka 37-42%. Mivel azonban ezek az üzemanyagcellák meglehetősen magas hőmérsékleten működnek, lehetséges a működés során keletkező gőz felhasználása. Ebben az esetben a teljes hatékonyság elérheti a 80%-ot.

Az energia előállításához a hidrogéntartalmú nyersanyagot tiszta hidrogénné kell alakítani reformálási eljárással. Például, ha benzint használnak üzemanyagként, el kell távolítani a kéntartalmú vegyületeket, mivel a kén károsíthatja a platina katalizátort.

A PAFC üzemanyagcellák voltak az első olyan kereskedelmi üzemanyagcellák, amelyeket gazdaságosan használtak. A legelterjedtebb modell az ONSI Corporation (ma United Technologies, Inc.) által gyártott 200 kW-os PC25 üzemanyagcella volt (13. ábra). Ezeket az elemeket például hő- és elektromos energiaforrásként használják a New York-i Central Park rendőrőrsén, vagy kiegészítő energiaforrásként a Conde Nast épületben és a Four Times Square-en. A legtöbb nagy telepítés Ezt a típust 11 MW-os erőműként tesztelik Japánban.

A foszforsavas üzemanyagcellákat energiaforrásként is használják járművekben. Például 1994-ben a H-Power Corp., a Georgetown Egyetem és az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma egy buszt szerelt fel 50 kW-os erőművel.

Olvadt karbonát üzemanyagcellák (MCFC)

Az ilyen típusú üzemanyagcellák nagyon magas - 600-700 °C - hőmérsékleten működnek. Ezek az üzemi hőmérsékletek lehetővé teszik, hogy az üzemanyag közvetlenül a cellában kerüljön felhasználásra, külön reformer használata nélkül. Ezt a folyamatot „belső reformnak” nevezték. Lehetővé teszi az üzemanyagcella kialakításának jelentős egyszerűsítését.

Az olvadt karbonát alapú üzemanyagcellák jelentős indítási időt igényelnek, és nem teszik lehetővé a kimenő teljesítmény azonnali beállítását, ezért fő alkalmazási területük a nagy, helyhez kötött hő- és elektromos energiaforrások. Azonban magas üzemanyag-átalakítási hatékonyság jellemzi őket – 60%-os elektromos hatásfok és akár 85%-os általános hatásfok.

Az ilyen típusú üzemanyagcellákban az elektrolit körülbelül 650 °C-ra hevített kálium-karbonátból és lítium-karbonát sóból áll. Ilyen körülmények között a sók olvadt állapotban vannak, és elektrolitot képeznek. Az anódon a hidrogén reakcióba lép a CO 3 ionokkal, víz, szén-dioxid és elektronok szabadulnak fel, amelyek a külső áramkörbe kerülnek, a katódon pedig az oxigén kölcsönhatásba lép a külső körből származó szén-dioxiddal és elektronokkal, ismét CO 3 ionokat képezve. .

Az 1950-es évek végén G. H. J. Broers és J. A. A. Ketelaar holland tudósok készítettek laboratóriumi mintákat ilyen típusú üzemanyagcellákból. Az 1960-as években Francis T. Bacon mérnök, a 17. század híres angol írójának és tudósának leszármazottja dolgozott ezekkel a cellákkal, ezért az MCFC üzemanyagcellákat néha Bacon celláknak is nevezik. A NASA Apollo, Apollo-Soyuz és Scylab programjaiban ezeket az üzemanyagcellákat használták energiaellátási forrásként (14. ábra). Ugyanezen években az Egyesült Államok katonai osztálya több mintát tesztelt a Texas Instruments által gyártott MCFC üzemanyagcellákból, amelyekben katonai minőségű benzint használtak üzemanyagként. Az 1970-es évek közepén az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma kutatásba kezdett egy olvadt karbonát alapú, helyhez kötött üzemanyagcella létrehozására, amely alkalmas praktikus alkalmazás. Az 1990-es években számos 250 kW névleges teljesítményű kereskedelmi létesítményt vezettek be, például a kaliforniai Miramar amerikai haditengerészeti légiállomáson. 1996-ban a FuelCell Energy, Inc. gyártás előtti 2 MW-os erőművet indított a kaliforniai Santa Clarában.

Szilárdtest-oxid üzemanyagcellák (SOFC)

A szilárdtest-oxid tüzelőanyag-cellák egyszerű kialakításúak, és nagyon magas - 700-1000 °C - hőmérsékleten működnek. Az ilyen magas hőmérséklet lehetővé teszi viszonylag „piszkos”, finomítatlan üzemanyag használatát. Az olvadt karbonát alapú üzemanyagcellák jellemzői hasonló alkalmazási területet határoznak meg - nagy, helyhez kötött hő- és elektromos energiaforrások.

A szilárd oxid üzemanyagcellák szerkezetileg különböznek a PAFC és MCFC technológiákon alapuló üzemanyagcelláktól. Az anód, a katód és az elektrolit speciális kerámiából készül. A leggyakrabban használt elektrolit cirkónium-oxid és kalcium-oxid keveréke, de más oxidok is használhatók. Az elektrolit kristályrácsot képez, amely mindkét oldalán porózus elektródaanyaggal van bevonva. Szerkezetileg az ilyen elemek csövek vagy lapos áramköri lapok formájában készülnek, ami lehetővé teszi az elektronikai iparban széles körben használt technológiák alkalmazását a gyártás során. Ennek eredményeként a szilárdtest-oxid tüzelőanyag-cellák nagyon magas hőmérsékleten működhetnek, így elektromos és hőenergia előállítására egyaránt előnyösek.

Magas üzemi hőmérsékleten a katódon oxigénionok képződnek, amelyek a kristályrácson keresztül az anódhoz vándorolnak, ahol kölcsönhatásba lépnek a hidrogénionokkal, vizet képezve és szabad elektronokat szabadítanak fel. Ebben az esetben a hidrogént közvetlenül a cellában választják el a földgáztól, vagyis nincs szükség külön reformátorra.

A szilárdtest-oxid üzemanyagcellák létrehozásának elméleti alapjait az 1930-as évek végén fektették le, amikor Emil Bauer és H. Preis svájci tudósok cirkóniummal, ittriummal, cériummal, lantánnal és volfrámmal kísérleteztek, elektrolitként használva őket.

Az ilyen üzemanyagcellák első prototípusait az 1950-es évek végén számos amerikai és holland cég készítette el. Ezeknek a cégeknek a többsége technológiai nehézségek miatt hamarosan felhagyott a további kutatással, de egyikük, a Westinghouse Electric Corp. (jelenleg Siemens Westinghouse Power Corporation), folytatta a munkát. A cég jelenleg egy cső alakú szilárdtest-oxid üzemanyagcella kereskedelmi modelljére fogad előrendelést, amely várhatóan még ebben az évben elérhető lesz (15. ábra). Az ilyen elemek piaci szegmense az helyhez kötött létesítmények hő- és elektromos energia előállítására 250 kW-tól 5 MW-ig terjedő kapacitással.

A SOFC üzemanyagcellák nagyon nagy megbízhatóságot mutattak. Például a Siemens Westinghouse által gyártott üzemanyagcella prototípusa elérte a 16 600 üzemórát, és továbbra is működik, így ez a világ leghosszabb folyamatos élettartama.

A SOFC üzemanyagcellák magas hőmérsékletű, nagynyomású üzemmódja lehetővé teszi hibrid üzemek létrehozását, amelyekben az üzemanyagcella-kibocsátás elektromos áram előállítására használt gázturbinákat hajt meg. Az első ilyen hibrid telepítés a kaliforniai Irvine-ben működik. Ennek a berendezésnek a névleges teljesítménye 220 kW, ebből 200 kW az üzemanyagcellától és 20 kW a mikroturbinás generátortól.