Ogniwo paliwowe zrób to sam w domu. Technologia ogniw paliwowych i jej zastosowanie w samochodach

W świetle ostatnich wydarzeń związanych z przegrzewaniem się, pożarami, a nawet wybuchami laptopów z winy akumulatorów litowo-jonowych, nie sposób nie przypomnieć sobie nowych alternatywnych technologii, które zdaniem większości ekspertów w przyszłości będą mogły być uzupełniane lub zastępowane tradycyjne baterie dzisiaj. Mówimy o nowych źródłach zasilania – ogniwach paliwowych.

Zgodnie z praktyczną zasadą, sformułowaną 40 lat temu przez jednego z założycieli Intela, Gordona Moore'a, wydajność procesora podwaja się co 18 miesięcy. Baterie nie nadążają za żetonami. Ich wydajność, zdaniem ekspertów, wzrasta tylko o 10% rocznie.

Ogniwo paliwowe działa na bazie komórkowej (porowatej) membrany, która oddziela przestrzeń anodową i katodową ogniwa paliwowego. Membrana ta pokryta jest obustronnie odpowiednimi katalizatorami. Do anody doprowadzane jest paliwo, w tym przypadku stosuje się roztwór metanolu (alkoholu metylowego). W wyniku reakcji chemicznej rozkładu paliwa powstają swobodne ładunki, które przenikają przez membranę do katody. Obwód elektryczny jest w ten sposób zamknięty i wytwarzany jest w nim prąd elektryczny do zasilania urządzenia. Ten typ ogniwa paliwowego nosi nazwę Ogniwo Paliwowe Bezpośrednie z Metanolem (DMFC). Rozwój ogniw paliwowych rozpoczął się dawno temu, ale pierwsze wyniki, które dały powód do mówienia o prawdziwej konkurencji z akumulatorami litowo-jonowymi, uzyskano dopiero w ostatnich dwóch latach.

W 2004 roku na rynku takich urządzeń było około 35 producentów, ale tylko kilka firm mogło zadeklarować znaczący sukces w tej dziedzinie. W styczniu Fujitsu zaprezentowało swoje opracowanie – bateria miała grubość 15 mm i zawierała 300 mg 30% roztworu metanolu. Moc 15 W pozwoliła jej na dostarczenie laptopa przez 8 godzin. Miesiąc później niewielka firma PolyFuel jako pierwsza ogłosiła komercyjną produkcję tych samych membran, w które powinny być wyposażone zasilacze paliwowe. Już w marcu firma Toshiba zademonstrowała prototypowy komputer mobilny zasilany paliwem. Producent twierdził, że taki laptop może wytrzymać nawet pięć razy dłużej niż laptop z tradycyjną baterią.

W 2005 roku LG Chem ogłosił powstanie swojego ogniwa paliwowego. Na jego rozwój wydano około 5 lat i 5 miliardów dolarów. W efekcie udało się stworzyć urządzenie o mocy 25 W i wadze 1 kg, podłączone do laptopa przez interfejs USB i zapewniające jego działanie przez 10 godzin. Również w tym roku 2006 miało miejsce wiele ciekawych wydarzeń. W szczególności amerykańscy projektanci z Ultracell zademonstrowali ogniwo paliwowe, które zapewnia moc 25 W i jest wyposażone w trzy wymienne wkłady z 67% metanolem. Jest w stanie zapewnić zasilanie laptopa przez 24 godziny. Waga baterii wynosiła około kilograma, każdy nabój ważył około 260 gramów.

Oprócz możliwości zapewnienia większej pojemności niż baterie litowo-jonowe, baterie metanolowe nie są wybuchowe. Wady to dość wysoki koszt i konieczność okresowej wymiany wkładów z metanolem.

Jeśli baterie paliwowe nie zastępują tradycyjnych, to najprawdopodobniej można je stosować w połączeniu z nimi. Według ekspertów rynek ogniw paliwowych w 2006 roku wyniesie około 600 milionów dolarów, co jest dość skromną liczbą. Jednak do 2010 roku eksperci przewidują trzykrotny wzrost - do 1,9 miliarda dolarów.

Omówienie artykułu „Baterie alkoholowe zastępują lit”

zemoneng

Kurwa, znalazłam informację o tym urządzeniu w magazynie dla kobiet.
Cóż, powiem o tym kilka słów:
1: niedogodność polega na tym, że po 6-10 godzinach pracy trzeba będzie poszukać nowego wkładu, a jest to drogie. Dlaczego miałbym wydawać pieniądze na te bzdury
2: o ile rozumiem, po otrzymaniu energii z alkoholu metylowego należy wypuścić wodę. Laptop i woda to rzeczy nie do pogodzenia.
3: dlaczego piszesz w magazynach dla kobiet? Sądząc po komentarzach „Nic nie wiem” i „Co to jest?”, ten artykuł nie jest poziomem strony poświęconej URODZE.

Wkładam złączkę węża wlewu do szyjki wlewu paliwa i obracam o pół obrotu, aby uszczelnić połączenie. Kliknięcie przełącznika i miganie diody na stacji benzynowej z ogromnym napisem h3 wskazuje, że rozpoczęło się tankowanie. Minuta - i zbiornik jest pełny, możesz jechać!

Eleganckie kontury nadwozia, ultra-niskie zawieszenie, niskoprofilowe slicky dają prawdziwą rasę wyścigową. Przez przezroczystą osłonę widać zawiłości rurociągów i kabli. Gdzieś już widziałem podobne rozwiązanie... O tak, w Audi R8 silnik jest też widoczny przez tylną szybę. Ale w Audi jest to tradycyjna benzyna, a ten samochód napędzany jest wodorem. Podobnie jak BMW Hydrogen 7, ale w przeciwieństwie do tego ostatniego, nie ma tu silnika spalinowego. Jedynymi ruchomymi częściami są przekładnia kierownicza i wirnik silnika elektrycznego. A energię do tego dostarcza ogniwo paliwowe. Samochód ten został wydany przez singapurską firmę Horizon Fuel Cell Technologies, która specjalizuje się w rozwoju i produkcji ogniw paliwowych. Już w 2009 roku brytyjska firma Riversimple zaprezentowała miejski samochód wodorowy zasilany ogniwami paliwowymi Horizon Fuel Cell Technologies. Został opracowany we współpracy z Uniwersytetami w Oksfordzie i Cranfield. Ale Horizon H-racer 2.0 to rozwój solo.

Ogniwo paliwowe składa się z dwóch porowatych elektrod pokrytych warstwą katalizatora i oddzielonych membraną do wymiany protonów. Wodór na katalizatorze anodowym jest przekształcany w protony i elektrony, które poprzez anodę i zewnętrzny obwód elektryczny trafiają do katody, gdzie wodór i tlen łączą się, tworząc wodę.

"Iść!" - w stylu Gagarina redaktor naczelny trąca mnie łokciem. Ale nie tak szybko: najpierw musisz „rozgrzać” ogniwo paliwowe przy częściowym obciążeniu. Przestawiam przełącznik w tryb „rozgrzewki” („rozgrzewanie”) i czekam na wyznaczony czas. Potem na wszelki wypadek uzupełniam bak do pełna. A teraz chodźmy: maszyna gładko brzęcząc silnikiem jedzie do przodu. Dynamika robi wrażenie, choć czego innego oczekiwać od auta elektrycznego – moment jest stały przy każdej prędkości. Chociaż nie na długo – pełny zbiornik wodoru wystarczy na kilka minut (Horizon obiecuje w niedalekiej przyszłości wypuścić nową wersję, w której wodór nie jest magazynowany jako gaz pod ciśnieniem, ale jest utrzymywany przez porowaty materiał w adsorberze) . Tak, i jest sterowany, szczerze mówiąc, niezbyt dobrze - na pilocie są tylko dwa przyciski. W każdym razie szkoda, że ​​to tylko zabawka sterowana radiowo, która kosztowała nas 150 dolarów. Nie mielibyśmy nic przeciwko jeżdżeniu prawdziwym samochodem na ogniwa paliwowe jako elektrownią.

Zbiornik, elastyczny gumowy pojemnik wewnątrz sztywnej obudowy, rozciąga się podczas tankowania i działa jak pompa paliwowa, „wciskając” wodór do ogniwa paliwowego. Aby nie „napełnić” zbiornika jedna z kształtek jest połączona plastikową rurką z awaryjnym zaworem upustowym.

Wypełnianie kolumny

Zrób to sam

Horizon H-racer 2.0 jest dostarczany jako zestaw SKD (zrób to sam), możesz go kupić na przykład na Amazon. Jednak montaż nie jest trudny - wystarczy włożyć ogniwo paliwowe na miejsce i przykręcić śrubami, podłączyć wężyki do zbiornika wodoru, ogniwa paliwowego, szyjki wlewu i zaworu awaryjnego, a pozostaje tylko założyć górny korpus na swoim miejscu, nie zapominając o przednich i tylnych zderzakach. Do zestawu dołączona jest stacja paliw, która odbiera wodór poprzez elektrolizę wody. Zasilany jest dwoma bateriami AA, a jeśli chcesz, żeby energia była całkowicie „czysta” – z paneli słonecznych (są też w zestawie).

www.popmech.ru

Jak zrobić ogniwo paliwowe własnymi rękami?

Oczywiście najprostszym rozwiązaniem problemu zapewnienia ciągłej pracy układów bezpaliwowych jest zakup gotowego wtórnego źródła energii na zasadzie hydraulicznej lub innej, ale w tym przypadku z pewnością nie da się tego uniknąć. dodatkowe koszty, aw tym procesie dość trudno jest rozważyć jakikolwiek pomysł na ucieczkę twórczej myśli. Ponadto wykonanie ogniwa paliwowego własnymi rękami wcale nie jest tak trudne, jak mogłoby się wydawać na pierwszy rzut oka, a w razie potrzeby nawet najbardziej niedoświadczony mistrz może poradzić sobie z zadaniem. Ponadto bardziej niż przyjemnym bonusem będą niskie koszty stworzenia tego elementu, ponieważ pomimo wszystkich jego zalet i znaczenia, całkowicie bezpiecznie będzie się obejść za pomocą dostępnych improwizowanych środków.

Jednocześnie jedynym niuansem, który należy wziąć pod uwagę przed wykonaniem zadania, jest to, że możesz własnoręcznie wykonać urządzenie o bardzo małej mocy, a realizację bardziej zaawansowanych i złożonych instalacji należy nadal pozostawić wykwalifikowanym specjalistom . Jeśli chodzi o kolejność prac i kolejność czynności, przede wszystkim należy uzupełnić sprawę, do czego najlepiej użyć pleksi grubościennej (co najmniej 5 centymetrów). Do klejenia ścianek obudowy i montażu przegród wewnętrznych, do których najlepiej jest użyć cieńszej pleksi (wystarczy 3 milimetry), idealnie jest użyć kleju dwukompozytowego, choć przy silnym pragnieniu można lutować wysokiej jakości zrobić samodzielnie w następujących proporcjach: na 100 gramów chloroformu - 6 gramów wiórów z tej samej pleksi.

W takim przypadku proces należy przeprowadzić wyłącznie pod maską. W celu wyposażenia walizki w tzw. system odpływowy należy starannie wywiercić w jej przedniej ściance otwór przelotowy, którego średnica będzie dokładnie odpowiadała wymiarom gumowego korka, który służy jako rodzaj uszczelki pomiędzy obudowa i szklana rurka spustowa. Jeśli chodzi o wymiary samej tuby, idealnie jest zapewnić jej szerokość równą pięciu lub sześciu milimetrów, chociaż wszystko zależy od rodzaju projektowanej konstrukcji. Bardziej prawdopodobne jest, że potencjalni czytelnicy tego artykułu będą nieco zaskoczeni starą maską gazową wymienioną na liście niezbędnych elementów do wykonania ogniwa paliwowego. Tymczasem cała zaleta tego urządzenia polega na węglu aktywnym znajdującym się w komorach jego respiratora, który może później służyć jako elektrody.

Ponieważ mówimy o pudrowej konsystencji, aby poprawić projekt, będziesz potrzebować nylonowych pończoch, z których możesz łatwo zrobić torbę i włożyć tam węgiel, w przeciwnym razie po prostu wyleje się z dziury. Jeśli chodzi o funkcję dystrybucji, paliwo jest skoncentrowane w pierwszej komorze, podczas gdy tlen niezbędny do normalnego funkcjonowania ogniwa paliwowego będzie krążył w ostatniej, piątej komorze. Sam elektrolit, znajdujący się między elektrodami, powinien być impregnowany specjalnym roztworem (benzyna z parafiną w stosunku 125 do 2 mililitrów) i należy to zrobić jeszcze przed umieszczeniem elektrolitu powietrznego w czwartej komorze. Aby zapewnić odpowiednią przewodność, na węglu układane są miedziane płytki z wstępnie wlutowanymi przewodami, przez które z elektrod będzie przesyłana energia elektryczna.

Ten etap projektowania można śmiało uznać za ostatni, po którym ładuje się gotowe urządzenie, do którego potrzebny jest elektrolit. Aby go przygotować, należy zmieszać równe części alkoholu etylowego z wodą destylowaną i stopniowo wprowadzać kaustyczny potas w ilości 70 gramów na szklankę płynu. Pierwsza próba wyprodukowanego urządzenia polega na jednoczesnym napełnieniu pierwszego (ciecz paliwowy) i trzeciego (elektrolit z alkoholu etylowego i potażu żrącego) pojemnika z pleksiglasu.

www.uznay-kak.ru

Wodorowe ogniwa paliwowe | LAWENT

Od dłuższego czasu chciałem Wam opowiedzieć o innym kierunku firmy Alfaintek. To rozwój, sprzedaż i serwis wodorowych ogniw paliwowych. Chcę natychmiast wyjaśnić sytuację z tymi ogniwami paliwowymi w Rosji.

Ze względu na dość wysokie koszty i całkowity brak stacji wodorowych do ładowania tych ogniw paliwowych nie przewiduje się ich sprzedaży w Rosji. Niemniej jednak w Europie, a zwłaszcza w Finlandii, te ogniwa paliwowe z roku na rok zyskują na popularności. Jaki jest sekret? Zobaczmy. To urządzenie jest przyjazne dla środowiska, łatwe w obsłudze i wydajne. Przychodzi z pomocą osobie, której potrzebuje energii elektrycznej. Możesz zabrać go ze sobą w drogę, na wycieczkę, używać na wsi, w mieszkaniu jako autonomiczne źródło energii elektrycznej.

Elektryczność w ogniwie paliwowym powstaje w wyniku reakcji chemicznej wodoru z butli z wodorkiem metalu i tlenem z powietrza. Butla nie jest wybuchowa i może być przechowywana w szafie latami, czekając na skrzydłach. Jest to być może jedna z głównych zalet tej technologii przechowywania wodoru. To właśnie magazynowanie wodoru jest jednym z głównych problemów w rozwoju paliwa wodorowego. Unikalne nowe lekkie ogniwa paliwowe, które w bezpieczny, cichy i bezemisyjny sposób przekształcają wodór w konwencjonalną energię elektryczną.

Ten rodzaj energii elektrycznej może być stosowany w miejscach, w których nie ma centralnego prądu lub jako awaryjne źródło zasilania.

W przeciwieństwie do konwencjonalnych akumulatorów, które podczas ładowania muszą być ładowane i jednocześnie odłączane od odbiorcy energii elektrycznej, ogniwo paliwowe działa jak urządzenie „inteligentne”. Technologia ta zapewnia nieprzerwane zasilanie przez cały okres użytkowania dzięki unikalnej funkcji utrzymywania mocy przy wymianie zbiornika paliwa, co pozwala użytkownikowi nigdy nie wyłączać odbiornika. W zamkniętej obudowie ogniwa paliwowe mogą być przechowywane przez kilka lat bez utraty wodoru i zmniejszenia ich mocy.

Ogniwo paliwowe jest przeznaczone dla naukowców i badaczy, organów ścigania, ratowników, właścicieli statków i przystani oraz każdego, kto potrzebuje niezawodnego źródła zasilania na wypadek sytuacji awaryjnej. Możesz uzyskać napięcie 12 V lub 220 V, a wtedy będziesz miał wystarczająco dużo energii, aby korzystać z telewizora, systemu stereo, lodówki, ekspresu do kawy, czajnika, odkurzacza, wiertarki, kuchenki mikrofalowej i innych urządzeń elektrycznych.

Ogniwa paliwowe hydroogniwowe mogą być sprzedawane jako pojedyncza jednostka lub jako baterie 2-4 ogniw. Można połączyć dwa lub cztery elementy, aby zwiększyć moc lub zwiększyć prąd.

CZAS PRACY URZĄDZEŃ DOMOWYCH Z OGNIWAMI PALIWOWYMI

* - praca ciągła

Ogniwa paliwowe są w pełni ładowane na specjalnych stacjach wodorowych. Ale co, jeśli podróżujesz daleko od nich i nie ma możliwości doładowania? Specjalnie dla takich przypadków specjaliści Alfaintek opracowali butle do przechowywania wodoru, z którymi ogniwa paliwowe będą pracować znacznie dłużej.

Produkowane są dwa typy butli: NS-MN200 i NS-MN1200. Zmontowany NS-MN200 ma rozmiar nieco większy niż puszka Coca-Coli, mieści 230 litrów wodoru, co odpowiada 40Ah (12V) i waży tylko 2,5 kg. Butla z wodorkiem metalu NS-MH1200 mieści 1200 litrów wodoru, co odpowiada 220Ah (12V). Waga butli to 11 kg.

Technika wodorków metali to bezpieczny i łatwy sposób przechowywania, transportu i wykorzystania wodoru. Gdy jest przechowywany jako wodorek metalu, wodór występuje w postaci związku chemicznego, a nie w postaci gazowej. Ta metoda umożliwia uzyskanie dostatecznie dużej gęstości energii. Zaletą stosowania wodorku metalu jest to, że ciśnienie wewnątrz butli wynosi tylko 2-4 bary.Butla nie jest wybuchowa i może być przechowywana przez lata bez zmniejszania objętości substancji. Ponieważ wodór jest przechowywany jako wodorek metalu, czystość wodoru uzyskanego z butli jest bardzo wysoka, 99,999%. Butle do przechowywania wodoru w postaci wodorku metalu mogą być stosowane nie tylko z ogniwami paliwowymi HC 100 200 400, ale także w innych przypadkach, w których potrzebny jest czysty wodór. Butle można łatwo podłączyć do ogniwa paliwowego lub innego urządzenia za pomocą szybkozłączki i elastycznego przewodu.

Szkoda, że ​​te ogniwa paliwowe nie są sprzedawane w Rosji. Ale wśród naszej populacji jest tak wielu ludzi, którzy ich potrzebują. Cóż, poczekajmy i zobaczmy, spójrz i będziemy mieć. W międzyczasie kupimy narzucone przez państwo żarówki energooszczędne.

PS Wydaje się, że temat wreszcie odszedł w zapomnienie. Tyle lat po napisaniu tego artykułu nic nie wyszło. Może oczywiście nie szukam wszędzie, ale to, co rzuca się w oczy, wcale nie jest przyjemne. Technologia i pomysł są dobre, ale nie znaleziono jeszcze rozwoju.

lavent.ru

Ogniwo paliwowe to przyszłość, która zaczyna się dzisiaj!

Początek XXI wieku traktuje ekologię jako jedno z najważniejszych światowych zadań. A pierwszą rzeczą, na którą należy zwrócić uwagę w obecnych warunkach, jest poszukiwanie i wykorzystanie alternatywnych źródeł energii. To właśnie oni są w stanie zapobiec zanieczyszczeniu otaczającego nas środowiska, a także całkowicie zrezygnować z ciągle rosnących kosztów paliw na bazie węglowodorów.

Już dziś wykorzystywane są źródła energii, takie jak ogniwa słoneczne i turbiny wiatrowe. Niestety ich brak wiąże się z uzależnieniem od pogody, a także pory roku i dnia. Z tego powodu stopniowo odchodzi się od ich stosowania w przemyśle kosmonautycznym, lotniczym i motoryzacyjnym, a do użytku stacjonarnego wyposażane są w wtórne źródła zasilania – akumulatory.

Jednak najlepszym rozwiązaniem jest ogniwo paliwowe, ponieważ nie wymaga ciągłego doładowywania energią. Jest to urządzenie, które jest w stanie przetwarzać i przetwarzać różne rodzaje paliw (benzyna, alkohol, wodór itp.) bezpośrednio na energię elektryczną.

Ogniwo paliwowe działa według następującej zasady: z zewnątrz dostarczane jest paliwo, które jest utleniane tlenem, a uwolniona w tym przypadku energia zamieniana jest na energię elektryczną. Ta zasada działania zapewnia niemal wieczne działanie.

Od końca XIX wieku naukowcy bezpośrednio badali ogniwo paliwowe i stale opracowywali jego nowe modyfikacje. Tak więc dzisiaj, w zależności od warunków pracy, istnieją alkaliczne lub alkaliczne (AFC), bezpośrednie borohydrat (DBFC), elektro-galwaniczne (EGFC), bezpośrednie metanol (DMFC), cynkowo-powietrzne (ZAFC), mikrobiologiczne (MFC), Znane są również modele kwasu mrówkowego (DFFAC) i wodorku metalu (MHFC).

Jednym z najbardziej obiecujących jest wodorowe ogniwo paliwowe. Stosowaniu wodoru w elektrowniach towarzyszy znaczne wydzielanie energii, a spalinami takiego urządzenia jest czysta para wodna lub woda pitna, która nie stanowi zagrożenia dla środowiska.

Pomyślne testy tego typu ogniw paliwowych na statkach kosmicznych wzbudziły ostatnio duże zainteresowanie wśród producentów elektroniki i różnego sprzętu. Na przykład firma PolyFuel wprowadziła miniaturowe wodorowe ogniwo paliwowe do laptopów. Jednak zbyt wysoki koszt takiego urządzenia i trudności w jego niezakłóconym tankowaniu ograniczają produkcję przemysłową i szeroką dystrybucję. Honda od ponad 10 lat produkuje również samochodowe ogniwa paliwowe. Jednak ten rodzaj transportu nie trafia do sprzedaży, a jedynie do użytku służbowego pracowników firmy. Samochody są pod nadzorem inżynierów.

Wielu zastanawia się, czy możliwe jest złożenie ogniwa paliwowego własnymi rękami. W końcu znaczącą zaletą domowego urządzenia będzie niewielka inwestycja, w przeciwieństwie do modelu przemysłowego. Do miniaturowego modelu potrzebujesz 30 cm platynowanego drutu niklowego, małego kawałka plastiku lub drewna, klipsa na baterię 9 V i samego akumulatora, przezroczystą taśmę samoprzylepną, szklankę wody i woltomierz. Takie urządzenie pozwoli ci zobaczyć i zrozumieć istotę pracy, ale oczywiście nie będzie działać, aby generować energię elektryczną dla samochodu.

fb.ru

Wodorowe ogniwa paliwowe: trochę historii | Wodór

W naszych czasach szczególnie dotkliwy jest problem niedoboru tradycyjnych zasobów energetycznych i pogarszania się ekologii planety jako całości w związku z ich wykorzystaniem. Dlatego w ostatnich latach przeznaczono znaczne środki finansowe i intelektualne na opracowanie potencjalnie obiecujących zamienników paliw węglowodorowych. Takim substytutem może stać się wodór w bardzo niedalekiej przyszłości, gdyż jego zastosowaniu w elektrowniach towarzyszy wydzielanie dużej ilości energii, a spaliny są parą wodną, ​​czyli nie stanowią zagrożenia dla środowiska.

Pomimo pewnych trudności technicznych, które wciąż istnieją przy wprowadzaniu ogniw paliwowych opartych na wodorze, wielu producentów samochodów doceniło obietnicę tej technologii i już aktywnie opracowuje prototypy masowo produkowanych pojazdów, które mogą wykorzystywać wodór jako główne paliwo. W 2011 roku Daimler AG wprowadził koncepcyjne modele Mercedes-Benz z elektrowniami wodorowymi. Ponadto koreańska firma Hyndayi oficjalnie ogłosiła, że ​​nie zamierza już rozwijać samochodów elektrycznych i skoncentruje wszystkie wysiłki na opracowaniu niedrogiego samochodu wodorowego.

Chociaż pomysł wykorzystania wodoru jako paliwa nie jest dla wielu szalony, większość nie rozumie, jak działają wodorowe ogniwa paliwowe i co jest w nich tak niezwykłego.

Aby zrozumieć znaczenie tej technologii, sugerujemy zwrócenie się do historii wodorowych ogniw paliwowych.

Pierwszą osobą, która opisał potencjał wykorzystania wodoru w ogniwie paliwowym, był Niemiec Christian Friedrich. Już w 1838 roku opublikował swoją pracę w znanym czasopiśmie naukowym tamtych czasów.

Już w następnym roku sędzia z Ouls, Sir William Robert Grove, stworzył prototyp sprawnego akumulatora wodorowego. Jednak moc urządzenia była zbyt mała nawet jak na ówczesne standardy, więc nie było mowy o jego praktycznym zastosowaniu.

Termin „ogniwo paliwowe” zawdzięcza swoje istnienie naukowcom Ludwigowi Mondowi i Charlesowi Langerowi, którzy w 1889 r. podjęli próbę stworzenia ogniwa paliwowego działającego na powietrzu i gazie koksowniczym. Według innych termin ten został po raz pierwszy użyty przez Williama White'a Jaquesa, który jako pierwszy zdecydował się na użycie kwasu fosforowego w elektrolicie.

W latach dwudziestych w Niemczech przeprowadzono szereg badań, których efektem było odkrycie ogniw paliwowych ze stałym tlenkiem i sposobów wykorzystania cyklu węglanowego. Warto zauważyć, że te technologie są skutecznie wykorzystywane w naszych czasach.

W 1932 roku inżynier Francis T Bacon rozpoczął prace nad badaniem bezpośrednich ogniw paliwowych opartych na wodorze. Przed nim naukowcy stosowali ustalony schemat - porowate elektrody platynowe umieszczano w kwasie siarkowym. Oczywistą wadą takiego schematu jest przede wszystkim jego nieuzasadniony wysoki koszt ze względu na zastosowanie platyny. Ponadto stosowanie kaustycznego kwasu siarkowego stanowiło zagrożenie dla zdrowia, a czasem i życia badaczy. Bacon postanowił zoptymalizować obwód i zastąpił platynę niklem, a jako elektrolit zastosował kompozycję alkaliczną.

Dzięki produktywnej pracy nad udoskonaleniem swojej technologii, Bacon już w 1959 roku zaprezentował szerokiej publiczności swoje oryginalne wodorowe ogniwo paliwowe, które wytwarzało 5 kW i mogło zasilać spawarkę. Zaprezentowane urządzenie nazwał „Bacon Cell”.

W październiku tego samego roku powstał wyjątkowy traktor napędzany wodorem i wytwarzający dwadzieścia koni mechanicznych.

W latach sześćdziesiątych dwudziestego wieku amerykańska firma General Electric, schemat opracowany przez Bacona, został ulepszony i zastosowany w programach kosmicznych Apollo i NASA Gemini. Specjaliści z NASA doszli do wniosku, że użycie reaktora jądrowego jest zbyt drogie, trudne technicznie i niebezpieczne. Ponadto konieczne było zrezygnowanie z używania baterii z panelami słonecznymi ze względu na ich duże gabaryty. Rozwiązaniem problemu były wodorowe ogniwa paliwowe, które są w stanie zaopatrzyć statek kosmiczny w energię, a jego załogę w czystą wodę.

Pierwszy autobus wykorzystujący wodór jako paliwo został zbudowany w 1993 roku. A prototypy samochodów osobowych zasilanych wodorowymi ogniwami paliwowymi zaprezentowały już w 1997 roku takie światowe marki motoryzacyjne jak Toyota i Daimler Benz.

To trochę dziwne, że obiecujące paliwo przyjazne dla środowiska, wprowadzone piętnaście lat temu w samochodzie, nie stało się jeszcze powszechne. Powodów tego jest wiele, z których być może główne to polityczność i konieczność tworzenia odpowiedniej infrastruktury. Miejmy nadzieję, że wodór nadal będzie miał coś do powiedzenia i będzie znaczącym konkurentem samochodów elektrycznych.(odnaknopka)

powercraft.org

Nasze materialne społeczeństwo bez energii nie tylko się rozwija, ale nawet ogólnie istnieje. Skąd pochodzi energia? Jeszcze do niedawna ludzie używali tylko jednego sposobu, walczyliśmy z naturą, paląc wydobyte trofea w paleniskach, najpierw w domu, potem w parowozach i potężnych elektrowniach cieplnych.

Nie ma etykiet na kilowatogodzinach zużywanych przez współczesnego laika, które wskazywałyby, ile lat natura pracowała, aby cywilizowany człowiek mógł korzystać z dobrodziejstw technologii, a ile lat musi jeszcze pracować, aby złagodzić szkody wyrządzone ją przez taką cywilizację. W społeczeństwie dojrzewa jednak zrozumienie, że prędzej czy później idylla się skończy. Coraz częściej ludzie wymyślają sposoby dostarczania energii na swoje potrzeby przy minimalnych szkodach dla przyrody.

Wodorowe ogniwa paliwowe to święty Graal czystej energii. Przetwarzają wodór, jeden z powszechnych elementów układu okresowego, i emitują tylko wodę, najpowszechniejszą substancję na planecie. Różowy obraz psuje brak dostępu ludzi do wodoru jako substancji. Jest go dużo, ale tylko w stanie związanym, a wydobycie go jest o wiele trudniejsze niż wypompowywanie ropy z wnętrzności czy wydobywanie węgla.

Jedną z opcji czystej i przyjaznej dla środowiska produkcji wodoru są mikrobiologiczne ogniwa paliwowe (MTB), które wykorzystują mikroorganizmy do rozkładu wody na tlen i wodór. Tutaj też nie wszystko jest gładkie. Mikroby wykonują doskonałą pracę produkując czyste paliwo, ale aby osiągnąć wydajność wymaganą w praktyce, MTB potrzebuje katalizatora, który przyspiesza jedną z reakcji chemicznych procesu.

Katalizatorem tym jest platyna szlachetnego metalu, której koszt sprawia, że ​​stosowanie MTB jest ekonomicznie nieuzasadnione i praktycznie niemożliwe.

Naukowcy z Uniwersytetu Wisconsin-Milwaukee znaleźli zamiennik drogiego katalizatora. Zamiast platyny zaproponowali użycie tanich nanoprętów wykonanych z połączenia węgla, azotu i żelaza. Nowy katalizator składa się z prętów grafitowych z azotem wprowadzonym do warstwy wierzchniej oraz rdzeni z węglika żelaza. Podczas trzymiesięcznych testów nowości katalizator wykazał większe możliwości niż platynowy. Działanie nanoprętów okazało się bardziej stabilne i sterowalne.

A co najważniejsze, pomysł naukowców uniwersyteckich jest znacznie tańszy. Tak więc koszt katalizatorów platynowych wynosi około 60% kosztu MTB, podczas gdy koszt nanoprętów to 5% ich obecnej ceny.

Według twórcy katalitycznych nanoprętów, profesora Yuhong Chen (Junhong Chen): „Ogniwa paliwowe są w stanie bezpośrednio przekształcić paliwo w energię elektryczną. Wraz z nimi energia elektryczna ze źródeł odnawialnych może być dostarczana tam, gdzie jest potrzebna, czyli czysta, wydajna i zrównoważona”.

Teraz profesor Chen i jego zespół naukowców zajmują się badaniem dokładnych właściwości katalizatora. Ich celem jest nadanie ich wynalazkowi praktycznego ukierunkowania, aby nadawał się do masowej produkcji i użytkowania.

Według Gizmagu

www.facepla.net

Wodorowe ogniwa paliwowe i systemy energetyczne

Samochód napędzany wodą może wkrótce stać się rzeczywistością, a wodorowe ogniwa paliwowe zostaną zainstalowane w wielu domach...

Technologia wodorowych ogniw paliwowych nie jest nowa. Zaczęło się w 1776 roku, kiedy Henry Cavendish po raz pierwszy odkrył wodór podczas rozpuszczania metali w rozcieńczonych kwasach. Pierwsze wodorowe ogniwo paliwowe zostało wynalezione już w 1839 roku przez Williama Grove'a. Od tego czasu wodorowe ogniwa paliwowe były stopniowo ulepszane i są obecnie instalowane w promach kosmicznych, dostarczając im energię i służąc jako źródło wody. Obecnie technologia wodorowych ogniw paliwowych jest bliska wejścia na rynek masowy w samochodach, domach i urządzeniach przenośnych.

W wodorowym ogniwie paliwowym energia chemiczna (w postaci wodoru i tlenu) jest przetwarzana bezpośrednio (bez spalania) na energię elektryczną. Ogniwo paliwowe składa się z katody, elektrod i anody. Wodór jest podawany do anody, gdzie jest rozbijany na protony i elektrony. Protony i elektrony mają różne drogi do katody. Protony wędrują przez elektrodę do katody, a elektrony przemieszczają się wokół ogniw paliwowych, aby dostać się do katody. Ten ruch wytwarza następnie użyteczną energię elektryczną. Z drugiej strony protony i elektrony wodoru łączą się z tlenem, tworząc wodę.

Elektrolizery to jeden ze sposobów ekstrakcji wodoru z wody. Proces ten jest zasadniczo odwrotnością tego, co dzieje się, gdy działa wodorowe ogniwo paliwowe. Elektrolizer składa się z anody, ogniwa elektrochemicznego i katody. Woda i napięcie są doprowadzane do anody, która dzieli wodę na wodór i tlen. Wodór przechodzi przez ogniwo elektrochemiczne do katody, a tlen jest podawany bezpośrednio do katody. Stamtąd można wydobywać i przechowywać wodór i tlen. W okresach, gdy produkcja energii elektrycznej nie jest wymagana, nagromadzony gaz można wyciągnąć z magazynu i przepuścić z powrotem przez ogniwo paliwowe.

Ten system wykorzystuje wodór jako paliwo, dlatego prawdopodobnie istnieje wiele mitów na temat jego bezpieczeństwa. Po wybuchu Hindenburga wiele osób z dala od nauki, a nawet niektórzy naukowcy, zaczęli wierzyć, że stosowanie wodoru jest bardzo niebezpieczne. Jednak ostatnie badania wykazały, że przyczyną tej tragedii był rodzaj materiału użytego do budowy, a nie wpompowany do środka wodór. Po przeprowadzeniu testów bezpieczeństwa przechowywania wodoru stwierdzono, że przechowywanie wodoru w ogniwach paliwowych jest bezpieczniejsze niż przechowywanie benzyny w samochodowym zbiorniku paliwa.

Ile kosztują nowoczesne wodorowe ogniwa paliwowe? Firmy oferują obecnie systemy paliw wodorowych do produkcji energii za około 3000 USD za kilowat. Badania rynku wykazały, że gdy koszt spadnie do 1500 USD za kilowat, konsumenci na masowym rynku energii będą gotowi do przejścia na ten rodzaj paliwa.

Pojazdy z wodorowymi ogniwami paliwowymi są nadal droższe niż pojazdy z silnikiem spalinowym, ale producenci badają sposoby na podniesienie ceny do porównywalnego poziomu. W niektórych odległych rejonach, gdzie nie ma linii energetycznych, wykorzystanie wodoru jako paliwa lub autonomicznego zasilania w domu może być teraz bardziej ekonomiczne niż np. budowa infrastruktury dla tradycyjnych nośników energii.

Dlaczego wodorowe ogniwa paliwowe wciąż nie są szeroko stosowane? W chwili obecnej głównym problemem dystrybucji wodorowych ogniw paliwowych jest ich wysoki koszt. Systemy paliw wodorowych po prostu nie mają w tej chwili masowego zapotrzebowania. Jednak nauka nie stoi w miejscu i w niedalekiej przyszłości samochód jeżdżący na wodzie może stać się rzeczywistością.

www.tesla-tehnika.biz

Samochód napędzany wodą może wkrótce stać się rzeczywistością, a wodorowe ogniwa paliwowe zostaną zainstalowane w wielu domach...

Technologia wodorowa ogniwa paliwowe nie nowe. Zaczęło się w 1776 roku, kiedy Henry Cavendish po raz pierwszy odkrył wodór podczas rozpuszczania metali w rozcieńczonych kwasach. Pierwsze wodorowe ogniwo paliwowe zostało wynalezione już w 1839 roku przez Williama Grove'a. Od tego czasu wodorowe ogniwa paliwowe były stopniowo ulepszane i są obecnie instalowane w promach kosmicznych, dostarczając im energię i służąc jako źródło wody. Obecnie technologia wodorowych ogniw paliwowych jest bliska wejścia na rynek masowy w samochodach, domach i urządzeniach przenośnych.

W wodorowym ogniwie paliwowym energia chemiczna (w postaci wodoru i tlenu) jest przetwarzana bezpośrednio (bez spalania) na energię elektryczną. Ogniwo paliwowe składa się z katody, elektrod i anody. Wodór jest podawany do anody, gdzie jest rozbijany na protony i elektrony. Protony i elektrony mają różne drogi do katody. Protony wędrują przez elektrodę do katody, a elektrony przemieszczają się wokół ogniw paliwowych, aby dostać się do katody. Ten ruch wytwarza następnie użyteczną energię elektryczną. Z drugiej strony protony i elektrony wodoru łączą się z tlenem, tworząc wodę.

Elektrolizery to jeden ze sposobów ekstrakcji wodoru z wody. Proces ten jest zasadniczo odwrotnością tego, co dzieje się, gdy działa wodorowe ogniwo paliwowe. Elektrolizer składa się z anody, ogniwa elektrochemicznego i katody. Woda i napięcie są doprowadzane do anody, która dzieli wodę na wodór i tlen. Wodór przechodzi przez ogniwo elektrochemiczne do katody, a tlen jest podawany bezpośrednio do katody. Stamtąd można wydobywać i przechowywać wodór i tlen. W okresach, gdy produkcja energii elektrycznej nie jest wymagana, nagromadzony gaz można wyciągnąć z magazynu i przepuścić z powrotem przez ogniwo paliwowe.

Ten system wykorzystuje wodór jako paliwo, dlatego prawdopodobnie istnieje wiele mitów na temat jego bezpieczeństwa. Po wybuchu Hindenburga wiele osób z dala od nauki, a nawet niektórzy naukowcy, zaczęli wierzyć, że stosowanie wodoru jest bardzo niebezpieczne. Jednak ostatnie badania wykazały, że przyczyną tej tragedii był rodzaj materiału użytego do budowy, a nie wpompowany do środka wodór. Po przetestowaniu bezpieczeństwa przechowywania wodoru stwierdzono, że magazynowanie wodoru w ogniwach paliwowych jest bezpieczniejsze niż przechowywanie benzyny w baku samochodu.

Ile kosztują nowoczesne wodorowe ogniwa paliwowe?? Firmy oferują obecnie wodór układy paliwowe wytwarzanie energii kosztem około 3000 USD za kilowat. Badania rynku wykazały, że gdy koszt spadnie do 1500 USD za kilowat, konsumenci na masowym rynku energii będą gotowi do przejścia na ten rodzaj paliwa.

Pojazdy z wodorowymi ogniwami paliwowymi są nadal droższe niż pojazdy z silnikiem spalinowym, ale producenci badają sposoby na podniesienie ceny do porównywalnego poziomu. W niektórych odległych rejonach, gdzie nie ma linii energetycznych, wykorzystanie wodoru jako paliwa lub autonomicznego zasilania w domu może być teraz bardziej ekonomiczne niż np. budowa infrastruktury dla tradycyjnych nośników energii.

Dlaczego wodorowe ogniwa paliwowe wciąż nie są szeroko stosowane? W chwili obecnej głównym problemem dystrybucji wodorowych ogniw paliwowych jest ich wysoki koszt. Systemy paliw wodorowych po prostu nie mają w tej chwili masowego zapotrzebowania. Jednak nauka nie stoi w miejscu i w niedalekiej przyszłości samochód jeżdżący na wodzie może stać się rzeczywistością.

Produkcja, montaż, testowanie i testowanie ogniw/ogniw paliwowych (wodorowych)
Wyprodukowano w fabrykach w USA i Kanadzie

Ogniwa paliwowe (wodór)

Firma Intech GmbH / LLC Intech GmbH istnieje na rynku usług inżynierskich od 1997 roku, od wielu lat urzędniczka różnych urządzeń przemysłowych, zwraca uwagę na różne ogniwa/ogniwa paliwowe (wodorowe).

Ogniwo paliwowe/ogniwo jest

Korzyści z ogniw/ogniw paliwowych

Ogniwo paliwowe/ogniwo to urządzenie, które skutecznie generuje prąd stały i ciepło z paliwa bogatego w wodór w wyniku reakcji elektrochemicznej.

Ogniwo paliwowe jest podobne do akumulatora, ponieważ generuje prąd stały w wyniku reakcji chemicznej. Ogniwo paliwowe zawiera anodę, katodę i elektrolit. Jednak w przeciwieństwie do akumulatorów, ogniwa paliwowe/ogniwa nie mogą magazynować energii elektrycznej, nie rozładowują się i nie wymagają ładowania energii elektrycznej. Ogniwa paliwowe/ogniwa mogą w sposób ciągły wytwarzać energię elektryczną, o ile mają dostęp do paliwa i powietrza.

W przeciwieństwie do innych generatorów prądu, takich jak silniki spalinowe lub turbiny zasilane gazem, węglem, olejem itp., ogniwa paliwowe nie spalają paliwa. Oznacza to brak głośnych wirników wysokiego ciśnienia, głośnego hałasu wydechu, żadnych wibracji. Ogniwa paliwowe/ogniwa wytwarzają energię elektryczną poprzez cichą reakcję elektrochemiczną. Inną cechą ogniw/ogniw paliwowych jest to, że przekształcają one energię chemiczną paliwa bezpośrednio w energię elektryczną, ciepło i wodę.

Ogniwa paliwowe są bardzo wydajne i nie wytwarzają dużych ilości gazów cieplarnianych, takich jak dwutlenek węgla, metan i podtlenek azotu. Jedynymi produktami emitowanymi podczas pracy są woda w postaci pary wodnej i niewielka ilość dwutlenku węgla, który nie jest w ogóle emitowany, jeśli jako paliwo stosuje się czysty wodór. Ogniwa paliwowe/ogniwa są składane w zespoły, a następnie w poszczególne moduły funkcjonalne.

Historia rozwoju ogniw paliwowych/ogniw

W latach 50. i 60. jedno z największych wyzwań dla ogniw paliwowych zrodziło się z zapotrzebowania amerykańskiej Narodowej Agencji Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej (NASA) na źródła energii do długotrwałych misji kosmicznych. Alkaliczne ogniwo paliwowe NASA wykorzystuje wodór i tlen jako paliwo, łącząc je w reakcji elektrochemicznej. Produktem wyjściowym są trzy produkty uboczne reakcji przydatne w lotach kosmicznych - elektryczność do zasilania statku kosmicznego, woda do picia i chłodzenia oraz ciepło do ogrzania astronautów.

Odkrycie ogniw paliwowych datuje się na początek XIX wieku. Pierwsze dowody na działanie ogniw paliwowych uzyskano w 1838 roku.

Pod koniec lat 30. rozpoczęto prace nad alkalicznymi ogniwami paliwowymi, a do 1939 r. zbudowano ogniwo wykorzystujące wysokociśnieniowe elektrody niklowane. Podczas II wojny światowej opracowano ogniwa paliwowe/ogniwa dla okrętów podwodnych brytyjskiej marynarki wojennej, aw 1958 roku wprowadzono zespół paliwowy składający się z alkalicznych ogniw/ogniw paliwowych o średnicy nieco ponad 25 cm.

Zainteresowanie wzrosło w latach 50. i 60., a także w latach 80., kiedy w świecie przemysłowym brakowało oleju opałowego. W tym samym okresie kraje świata również zaniepokoiły się problemem zanieczyszczenia powietrza i zastanowiły się nad sposobami wytwarzania przyjaznej dla środowiska energii elektrycznej. Obecnie technologia ogniw paliwowych/ogniw paliwowych przechodzi szybki rozwój.

Jak działają ogniwa paliwowe/ogniwa?

Ogniwa paliwowe/ogniwa wytwarzają energię elektryczną i ciepło poprzez trwającą reakcję elektrochemiczną przy użyciu elektrolitu, katody i anody.

Anoda i katoda są oddzielone elektrolitem przewodzącym protony. Po dostaniu się wodoru do anody, a tlenu do katody, rozpoczyna się reakcja chemiczna, w wyniku której Elektryczność, ciepło i woda.

Na katalizatorze anodowym wodór cząsteczkowy dysocjuje i traci elektrony. Jony wodorowe (protony) przechodzą przez elektrolit do katody, podczas gdy elektrony przechodzą przez elektrolit i przechodzą przez zewnętrzną obwód elektryczny, tworząc prąd stały, który można wykorzystać do zasilania urządzeń. Na katalizatorze katodowym cząsteczka tlenu łączy się z elektronem (dostarczanym z komunikacji zewnętrznej) i przychodzącym protonem i tworzy wodę, która jest jedynym produktem reakcji (w postaci pary i/lub cieczy).

Poniżej znajduje się odpowiednia reakcja:

Reakcja anodowa: 2H 2 => 4H+ + 4e -
Reakcja na katodzie: O 2 + 4H+ + 4e - => 2H 2 O
Ogólna reakcja elementarna: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Rodzaje i różnorodność ogniw paliwowych/ogniw

Podobnie jak w przypadku istnienia różnych typów silników spalinowych, istnieją różne rodzaje ogniw paliwowych – wybór odpowiedniego typu ogniwa paliwowego zależy od jego zastosowania.

Ogniwa paliwowe dzielą się na wysokotemperaturowe i niskotemperaturowe. Ogniwa paliwowe niskotemperaturowe wymagają jako paliwa stosunkowo czystego wodoru. Często oznacza to, że przetwarzanie paliwa jest wymagane do przekształcenia paliwa pierwotnego (takiego jak gaz ziemny) w czysty wodór. Proces ten zużywa dodatkową energię i wymaga specjalnego sprzętu. Ogniwa paliwowe wysokotemperaturowe nie wymagają tej dodatkowej procedury, ponieważ mogą „wewnętrznie przekształcać” paliwo w podwyższonych temperaturach, co oznacza, że ​​nie ma potrzeby inwestowania w infrastrukturę wodorową.

Ogniwa paliwowe/ogniwa na stopionym węglanie (MCFC)

Ogniwa paliwowe z elektrolitem stopionym węglanem to wysokotemperaturowe ogniwa paliwowe. Wysoka temperatura pracy pozwala na bezpośrednie wykorzystanie gazu ziemnego bez procesora paliwa oraz gazu opałowego o niskiej Wartość opałowa paliwo procesy produkcji oraz z innych źródeł.

Działanie RCFC różni się od innych ogniw paliwowych. Ogniwa te wykorzystują elektrolit z mieszaniny stopionych soli węglanowych. Obecnie stosuje się dwa rodzaje mieszanin: węglan litu i węglan potasu lub węglan litu i węglan sodu. Aby stopić sole węglanowe i osiągnąć wysoki stopień ruchliwości jonów w elektrolicie, ogniwa paliwowe ze stopionym elektrolitem węglanowym pracują w wysokich temperaturach (650°C). Wydajność waha się między 60-80%.

Po podgrzaniu do temperatury 650°C sole stają się przewodnikiem dla jonów węglanowych (CO 3 2-). Jony te przechodzą z katody do anody, gdzie łączą się z wodorem, tworząc wodę, dwutlenek węgla i wolne elektrony. Elektrony te są przesyłane przez zewnętrzny obwód elektryczny z powrotem do katody, wytwarzając jako produkt uboczny prąd elektryczny i ciepło.

Reakcja anodowa: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Reakcja na katodzie: CO 2 + 1/2O 2 + 2e - => CO 3 2-
Ogólna reakcja elementarna: H 2 (g) + 1/2O 2 (g) + CO 2 (katoda) => H 2 O (g) + CO 2 (anoda)

Wysokie temperatury pracy ogniw paliwowych na stopiony elektrolit węglanowy mają pewne zalety. W wysokich temperaturach dochodzi do reformingu wewnętrznego gazu ziemnego, co eliminuje potrzebę procesora paliwa. Dodatkowo do zalet można zaliczyć możliwość zastosowania na elektrodach standardowych materiałów konstrukcyjnych, takich jak blacha ze stali nierdzewnej oraz katalizator niklowy. Ciepło odpadowe może być wykorzystywane do wytwarzania pary pod wysokim ciśnieniem do różnych zastosowań przemysłowych i komercyjnych.

Swoje zalety mają również wysokie temperatury reakcji w elektrolicie. Stosowanie wysokich temperatur zajmuje dużo czasu, aby osiągnąć optymalne warunki pracy, a system wolniej reaguje na zmiany zużycia energii. Cechy te pozwalają na stosowanie systemów ogniw paliwowych ze stopionym elektrolitem węglanowym w warunkach stałej mocy. Wysokie temperatury zapobiegają uszkodzeniu ogniwa paliwowego przez tlenek węgla.

Ogniwa paliwowe ze stopionym węglanem nadają się do stosowania w dużych instalacjach stacjonarnych. Elektrociepłownie o mocy wyjściowej 3,0 MW są produkowane przemysłowo. Rozbudowywane są elektrownie o mocy do 110 MW.

Ogniwa paliwowe/ogniwa na bazie kwasu fosforowego (PFC)

Ogniwa paliwowe oparte na kwasie fosforowym (ortofosforowym) były pierwszymi ogniwami paliwowymi do użytku komercyjnego.

Ogniwa paliwowe na bazie kwasu fosforowego (ortofosforowego) wykorzystują elektrolit na bazie kwasu ortofosforowego (H 3 PO 4) o stężeniu do 100%. Przewodność jonowa kwasu fosforowego jest niska w niskich temperaturach, dlatego te ogniwa paliwowe są stosowane w temperaturach do 150–220°C.

Nośnikiem ładunku w ogniwach paliwowych tego typu jest wodór (H+, proton). Podobny proces zachodzi w ogniwach paliwowych z membraną do wymiany protonów, w których wodór dostarczany do anody jest rozbijany na protony i elektrony. Protony przechodzą przez elektrolit i łączą się z tlenem z powietrza na katodzie, tworząc wodę. Elektrony są kierowane wzdłuż zewnętrznego obwodu elektrycznego i generowany jest prąd elektryczny. Poniżej znajdują się reakcje, które generują energię elektryczną i ciepło.

Reakcja na anodzie: 2H 2 => 4H + + 4e -
Reakcja na katodzie: O 2 (g) + 4H + + 4e - \u003d\u003e 2 H 2 O
Ogólna reakcja elementarna: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Sprawność ogniw paliwowych opartych na kwasie fosforowym (ortofosforowym) przy wytwarzaniu energii elektrycznej przekracza 40%. W skojarzonej produkcji ciepła i energii elektrycznej sprawność ogólna wynosi około 85%. Ponadto, przy danych temperaturach roboczych, ciepło odpadowe może być wykorzystywane do podgrzewania wody i wytwarzania pary pod ciśnieniem atmosferycznym.

Wysoka wydajność elektrociepłowni na ogniwach paliwowych opartych na kwasie fosforowym (ortofosforowym) w skojarzonej produkcji ciepła i energii elektrycznej jest jedną z zalet tego typu ogniw paliwowych. Zakłady stosują tlenek węgla w stężeniu około 1,5%, co znacznie poszerza wybór paliwa. Ponadto CO 2 nie wpływa na elektrolit i działanie ogniwa paliwowego, ten typ ogniwa współpracuje z reformowanym paliwem naturalnym. Prosta konstrukcja, niska lotność elektrolitu i zwiększona stabilność to także zalety tego typu ogniwa paliwowego.

Elektrociepłownie o mocy wyjściowej do 500 kW są produkowane przemysłowo. Instalacje o mocy 11 MW przeszły odpowiednie testy. Rozbudowywane są elektrownie o mocy do 100 MW.

Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC)

Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem to ogniwa paliwowe o najwyższej temperaturze pracy. Temperatura pracy może wahać się od 600°C do 1000°C, co pozwala na stosowanie różnych rodzajów paliwa bez specjalnej obróbki wstępnej. Aby poradzić sobie z tak wysokimi temperaturami, stosowanym elektrolitem jest cienki tlenek metalu na bazie ceramiki, często ze stopu itru i cyrkonu, który jest przewodnikiem jonów tlenu (O 2 ).

Elektrolit stały zapewnia hermetyczne przejście gazu z jednej elektrody na drugą, podczas gdy elektrolity ciekłe znajdują się w porowatym podłożu. Nośnikiem ładunku w ogniwach paliwowych tego typu jest jon tlenu (O 2-). Na katodzie cząsteczki tlenu są oddzielane od powietrza na jon tlenu i cztery elektrony. Jony tlenu przechodzą przez elektrolit i łączą się z wodorem, tworząc cztery wolne elektrony. Elektrony są kierowane przez zewnętrzny obwód elektryczny, generując prąd elektryczny i ciepło odpadowe.

Reakcja na anodzie: 2H 2 + 2O 2- => 2H 2 O + 4e -
Reakcja na katodzie: O 2 + 4e - \u003d\u003e 2O 2-
Ogólna reakcja elementarna: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Sprawność wytwarzanej energii elektrycznej jest najwyższa ze wszystkich ogniw paliwowych – około 60-70%. Wysokie temperatury robocze umożliwiają skojarzone wytwarzanie ciepła i energii elektrycznej w celu wytworzenia pary pod wysokim ciśnieniem. Połączenie wysokotemperaturowego ogniwa paliwowego z turbiną tworzy hybrydowe ogniwo paliwowe, które zwiększa wydajność wytwarzania energii do 75%.

Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem działają w bardzo wysokich temperaturach (600°C-1000°C), co skutkuje długim czasem osiągnięcia optymalnych warunków pracy, a system wolniej reaguje na zmiany zużycia energii. W tak wysokich temperaturach roboczych nie jest wymagany konwerter do odzyskiwania wodoru z paliwa, co pozwala elektrowni cieplnej na pracę ze stosunkowo zanieczyszczonymi paliwami ze zgazowania węgla lub gazów odlotowych i tym podobnych. Ponadto to ogniwo paliwowe doskonale nadaje się do zastosowań o dużej mocy, w tym przemysłowych i dużych centralnych elektrowni. Produkowane przemysłowo moduły o wyjściowej mocy elektrycznej 100 kW.

Ogniwa paliwowe/ogniwa z bezpośrednim utlenianiem metanolu (DOMTE)

Technologia wykorzystania ogniw paliwowych z bezpośrednim utlenianiem metanolu przechodzi okres aktywnego rozwoju. Z powodzeniem sprawdziła się w dziedzinie zasilania telefonów komórkowych, laptopów, a także tworzenia przenośnych źródeł zasilania. do czego zmierza przyszłe zastosowanie tych elementów.

Struktura ogniw paliwowych z bezpośrednim utlenianiem metanolu jest podobna do ogniw paliwowych z membraną wymiany protonów (MOFEC), tj. polimer jest używany jako elektrolit, a jon wodorowy (proton) jest używany jako nośnik ładunku. Jednak ciekły metanol (CH 3 OH) utlenia się w obecności wody na anodzie, uwalniając CO 2 , jony wodorowe i elektrony, które są prowadzone przez zewnętrzny obwód elektryczny i wytwarzany jest prąd elektryczny. Jony wodoru przechodzą przez elektrolit i reagują z tlenem z powietrza i elektronami z obwodu zewnętrznego, tworząc wodę na anodzie.

Reakcja na anodzie: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Reakcja na katodzie: 3/2O 2 + 6 H + + 6e - => 3H 2 O
Ogólna reakcja elementarna: CH 3 OH + 3/2O 2 => CO 2 + 2H 2 O

Zaletą tego typu ogniw paliwowych jest ich niewielki rozmiar, ze względu na zastosowanie paliwa płynnego, oraz brak konieczności stosowania konwertera.

Alkaliczne ogniwa paliwowe/ogniwa (AFC)

Alkaliczne ogniwa paliwowe są jednym z najbardziej wydajnych elementów wykorzystywanych do wytwarzania energii elektrycznej, ze sprawnością wytwarzania energii sięgającą nawet 70%.

Alkaliczne ogniwa paliwowe wykorzystują elektrolit, czyli wodny roztwór wodorotlenku potasu, zawarty w porowatej, stabilizowanej matrycy. Stężenie wodorotlenku potasu może się zmieniać w zależności od temperatury pracy ogniwa paliwowego, która waha się od 65°C do 220°C. Nośnikiem ładunku w SFC jest jon wodorotlenkowy (OH-) przemieszczający się z katody do anody, gdzie reaguje z wodorem, tworząc wodę i elektrony. Woda wytwarzana na anodzie wraca do katody, ponownie wytwarzając tam jony wodorotlenkowe. W wyniku tej serii reakcji zachodzących w ogniwie paliwowym powstaje energia elektryczna, a jako produkt uboczny ciepło:

Reakcja na anodzie: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reakcja na katodzie: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4 OH -
Ogólna reakcja układu: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Zaletą SFC jest to, że te ogniwa paliwowe są najtańsze w produkcji, ponieważ katalizatorem potrzebnym na elektrodach może być dowolna z substancji, które są tańsze niż te stosowane jako katalizatory w innych ogniwach paliwowych. SCFC działają w stosunkowo niskich temperaturach i należą do najbardziej wydajnych ogniw paliwowych – takie właściwości mogą odpowiednio przyczynić się do szybszego wytwarzania energii i wysokiej wydajności paliwowej.

Jedną z charakterystycznych cech SHTE jest wysoka wrażliwość na CO 2 , który może być zawarty w paliwie lub powietrzu. CO 2 reaguje z elektrolitem, szybko go zatruwa i znacznie obniża sprawność ogniwa paliwowego. Dlatego zastosowanie KŁŻ ogranicza się do przestrzeni zamkniętych, takich jak pojazdy kosmiczne i podwodne, muszą one działać na czystym wodorze i tlenie. Co więcej, cząsteczki takie jak CO, H 2 O i CH4, które są bezpieczne dla innych ogniw paliwowych, a nawet paliwo dla niektórych z nich, są szkodliwe dla KŁŻ.

Ogniwa paliwowe/ogniwa z elektrolitem polimerowym (PETE)

W przypadku ogniw paliwowych z elektrolitem polimerowym, membrana polimerowa składa się z włókien polimerowych z obszarami wodnymi, w których przewodzenie jonów wody (H 2 O + (proton, czerwień) przyłączonych do cząsteczki wody). Cząsteczki wody stanowią problem ze względu na powolną wymianę jonów. Dlatego wymagane jest wysokie stężenie wody zarówno w paliwie, jak i na elektrodach spalinowych, co ogranicza temperaturę pracy do 100°C.

Ogniwa/ogniwa paliwowe na kwas stały (SCFC)

W stałych kwasowych ogniwach paliwowych elektrolit (CsHSO 4 ) nie zawiera wody. Temperatura robocza wynosi zatem 100-300°C. Rotacja anionów SO 4 2-oksy umożliwia przemieszczanie się protonów (czerwony), jak pokazano na rysunku. Zazwyczaj ogniwo paliwowe ze stałym kwasem jest kanapką, w której bardzo cienka warstwa stałego związku kwasowego jest umieszczona pomiędzy dwiema mocno ściśniętymi elektrodami, aby zapewnić dobry kontakt. Po podgrzaniu składnik organiczny odparowuje, pozostawiając pory w elektrodach, zachowując zdolność do licznych kontaktów między paliwem (lub tlenem na drugim końcu ogniwa), elektrolitem i elektrodami.

Innowacyjne, energooszczędne miejskie elektrociepłownie są zwykle budowane na ogniwach paliwowych ze stałym tlenkiem (SOFC), ogniwach paliwowych z elektrolitem polimerowym (PEFC), ogniwach paliwowych na kwas fosforowy (PCFC), ogniwach paliwowych z membraną do wymiany protonów (MPFC) i alkalicznych ogniwach paliwowych ( APFC) . Zwykle mają następujące cechy:

Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC) należy uznać za najbardziej odpowiednie, które:

• działają w wyższej temperaturze, co zmniejsza zapotrzebowanie na drogie metale szlachetne (takie jak platyna)
• może pracować dla różne rodzaje paliwa węglowodorowe, głównie gaz ziemny
• mają dłuższy czas rozruchu i dlatego lepiej nadają się do długotrwałej eksploatacji
• wykazują wysoką sprawność wytwarzania energii (do 70%)
• ze względu na wysokie temperatury pracy urządzenia można łączyć z systemami odzysku ciepła, podnosząc ogólną sprawność systemu do 85%
• mają prawie zerową emisję, działają cicho i mają niskie wymagania operacyjne w porównaniu z istniejącymi technologiami wytwarzania energii

Ponieważ małe elektrownie cieplne można podłączyć do konwencjonalnej sieci gazowej, ogniwa paliwowe nie wymagają oddzielny system dostawa wodoru. W przypadku stosowania małych elektrowni cieplnych opartych na ogniwach paliwowych ze stałym tlenkiem, wytworzone ciepło można zintegrować z wymiennikami ciepła do ogrzewania wody i powietrza wentylacyjnego, zwiększając ogólną wydajność systemu. Ta innowacyjna technologia najlepiej nadaje się do wydajnego wytwarzania energii bez potrzeby kosztownej infrastruktury i złożonej integracji instrumentów.

Zastosowania ogniw paliwowych/ogniw

Zastosowanie ogniw/ogniw paliwowych w systemach telekomunikacyjnych

Wraz z szybkim rozpowszechnianiem się systemów komunikacji bezprzewodowej na całym świecie, a także rosnącymi społecznymi i ekonomicznymi korzyściami technologii telefonii komórkowej, potrzeba niezawodnego i ekonomicznego zasilania awaryjnego stała się krytyczna. Straty w sieci w ciągu roku spowodowane złą pogodą, klęskami żywiołowymi lub ograniczoną przepustowością sieci są stałym wyzwaniem dla operatorów sieci.

Tradycyjne rozwiązania do zasilania awaryjnego dla telekomunikacji obejmują akumulatory (ogniwo kwasowo-ołowiowe z regulacją zaworową) zapewniające krótkotrwałe zasilanie awaryjne oraz generatory na olej napędowy i propan zapewniające dłuższe zasilanie awaryjne. Baterie są stosunkowo tanim źródłem zasilania awaryjnego przez 1 do 2 godzin. Jednak akumulatory nie nadają się do dłuższych okresów podtrzymania, ponieważ są drogie w utrzymaniu, stają się zawodne po długim użytkowaniu, są wrażliwe na temperatury i po utylizacji są niebezpieczne dla środowiska. Generatory na olej napędowy i propan mogą zapewnić ciągłe zasilanie awaryjne. Jednak generatory mogą być zawodne, wymagać obszernej konserwacji i uwalniać do atmosfery wysoki poziom zanieczyszczeń i gazów cieplarnianych.

Aby wyeliminować ograniczenia tradycyjnych rozwiązań zasilania awaryjnego, opracowano innowacyjną technologię zielonych ogniw paliwowych. Ogniwa paliwowe są niezawodne, ciche, zawierają mniej ruchomych części niż generator, mają szerszy zakres temperatur pracy niż akumulator od -40°C do +50°C, dzięki czemu zapewniają wyjątkowo wysoki poziom oszczędności energii. Ponadto koszt eksploatacji takiej instalacji jest niższy niż koszt generatora. Niższe koszty ogniw paliwowych są wynikiem tylko jednej wizyty konserwacyjnej rocznie i znacznie wyższej wydajności zakładu. W końcu ogniwo paliwowe to przyjazne dla środowiska rozwiązanie technologiczne o minimalnym wpływie na środowisko.

Jednostki ogniw paliwowych zapewniają zasilanie awaryjne dla krytycznych infrastruktur sieci komunikacyjnych dla komunikacji bezprzewodowej, stałej i szerokopasmowej w systemie telekomunikacyjnym, w zakresie od 250 W do 15 kW, oferują wiele niezrównanych innowacyjnych funkcji:

• NIEZAWODNOŚĆ– Niewiele ruchomych części i brak rozładowania w trybie czuwania
• OSZCZĘDZANIE ENERGII
• CISZA– niski poziom hałasu
• STABILNOŚĆ– zakres pracy od -40°C do +50°C
• ZDOLNOŚĆ ADAPTACJI– instalacja zewnętrzna i wewnętrzna (kontener/pojemnik ochronny)
• WYSOKA MOC– do 15 kW
• NISKA POTRZEBA KONSERWACJI– minimalna roczna konserwacja
• GOSPODARKA- atrakcyjny całkowity koszt posiadania
• CZYSTA ENERGIA– niska emisja przy minimalnym wpływie na środowisko

System cały czas wykrywa napięcie szyny DC i płynnie akceptuje obciążenia krytyczne, jeśli napięcie szyny DC spadnie poniżej wartości zadanej przez użytkownika. System jest zasilany wodorem, który dostaje się do stosu ogniw paliwowych na dwa sposoby – albo z komercyjnego źródła wodoru, albo z ciekłego paliwa składającego się z metanolu i wody, przy użyciu pokładowego systemu reformera.

Energia elektryczna jest wytwarzana przez stos ogniw paliwowych w postaci prądu stałego. Moc DC jest przesyłana do konwertera, który przekształca nieregulowaną moc DC ze stosu ogniw paliwowych w wysokiej jakości regulowaną moc DC dla wymaganych obciążeń. Instalacja ogniw paliwowych może zapewnić zasilanie awaryjne przez wiele dni, ponieważ czas ten jest ograniczony jedynie ilością wodoru lub metanolu/wody, która jest dostępna w magazynie.

Ogniwa paliwowe oferują doskonałą wydajność energetyczną, zwiększoną niezawodność systemu, bardziej przewidywalną wydajność w szerokim zakresie klimatów i niezawodną żywotność w porównaniu ze standardowymi w branży zestawami akumulatorów kwasowo-ołowiowych z zaworami. Koszty cyklu życia są również niższe ze względu na znacznie mniejsze wymagania dotyczące konserwacji i wymiany. Ogniwa paliwowe oferują użytkownikowi końcowemu korzyści środowiskowe, ponieważ koszty utylizacji i ryzyko związane z odpowiedzialnością związane z ogniwami kwasowo-ołowiowymi są coraz większym problemem.

Na wydajność akumulatorów elektrycznych może mieć negatywny wpływ szereg czynników, takich jak poziom naładowania, temperatura, cykle, żywotność i inne zmienne. Dostarczona energia będzie się różnić w zależności od tych czynników i nie jest łatwa do przewidzenia. Na wydajność ogniwa paliwowego z membraną do wymiany protonów (PEMFC) nie mają wpływu te czynniki i może zapewniać moc krytyczną, o ile dostępne jest paliwo. Większa przewidywalność to ważna korzyść przy przejściu na ogniwa paliwowe w zastosowaniach zasilania awaryjnego o znaczeniu krytycznym.

Ogniwa paliwowe wytwarzają energię tylko wtedy, gdy dostarczane jest paliwo, podobnie jak generator turbiny gazowej, ale nie mają ruchomych części w strefie wytwarzania. Dlatego w przeciwieństwie do generatora nie ulegają szybkiemu zużyciu i nie wymagają stałej konserwacji i smarowania.

Paliwo używane do napędu konwertera paliwa o wydłużonym czasie trwania jest mieszaniną metanolu i wody. Metanol jest powszechnie dostępnym, komercyjnym paliwem, które ma obecnie wiele zastosowań, w tym spryskiwaczy szyb, plastikowych butelek, dodatków silnikowych i farb emulsyjnych. Metanol jest łatwy w transporcie, miesza się z wodą, ma dobrą biodegradowalność i nie zawiera siarki. Ma niską temperaturę zamarzania (-71°C) i nie ulega rozkładowi podczas długiego przechowywania.

Zastosowanie ogniw/ogniw paliwowych w sieciach komunikacyjnych

Sieci bezpieczeństwa wymagają niezawodnych rozwiązań zasilania awaryjnego, które mogą działać przez wiele godzin lub dni w sytuacji awaryjnej, jeśli sieć energetyczna stanie się niedostępna.

Dzięki niewielkiej liczbie ruchomych części i brakowi redukcji mocy w trybie czuwania, innowacyjna technologia ogniw paliwowych oferuje atrakcyjne rozwiązanie w porównaniu z obecnie dostępnymi systemami zasilania awaryjnego.

Najbardziej przekonującym powodem stosowania technologii ogniw paliwowych w sieciach komunikacyjnych jest zwiększona ogólna niezawodność i bezpieczeństwo. Podczas zdarzeń, takich jak przerwy w dostawie prądu, trzęsienia ziemi, burze i huragany, ważne jest, aby systemy działały i miały niezawodne źródło zasilania awaryjnego przez dłuższy czas, niezależnie od temperatury lub wieku systemu zasilania awaryjnego.

Asortyment zasilaczy z ogniw paliwowych jest idealny do obsługi bezpiecznych sieci komunikacyjnych. Dzięki zasadom energooszczędności zapewniają przyjazne dla środowiska, niezawodne zasilanie awaryjne o wydłużonym czasie działania (do kilku dni) w zakresie mocy od 250 W do 15 kW.

Zastosowanie ogniw/ogniw paliwowych w sieciach danych

Niezawodne zasilanie sieci danych, takich jak szybkie sieci danych i szkielety światłowodowe, ma kluczowe znaczenie na całym świecie. Informacje przesyłane przez takie sieci zawierają krytyczne dane dla instytucji takich jak banki, linie lotnicze czy centra medyczne. Awaria zasilania w takich sieciach nie tylko stanowi zagrożenie dla przesyłanych informacji, ale z reguły prowadzi do znacznych strat finansowych. Niezawodne, innowacyjne instalacje ogniw paliwowych, które zapewniają zasilanie w trybie czuwania, zapewniają niezawodność niezbędną do zapewnienia nieprzerwanego zasilania.

Jednostki ogniw paliwowych pracujące na mieszaninie paliw płynnych metanolu i wody zapewniają niezawodne zasilanie awaryjne o wydłużonym czasie działania, nawet do kilku dni. Ponadto jednostki te charakteryzują się znacznie zmniejszonymi wymaganiami konserwacyjnymi w porównaniu z generatorami i akumulatorami, wymagając tylko jednej wizyty konserwacyjnej rocznie.

Typowe cechy aplikacji dla wykorzystania instalacji ogniw paliwowych w sieciach danych:

• Aplikacje o mocy wejściowej od 100 W do 15 kW
• Aplikacje wymagające żywotności baterii > 4 godziny
• Repeatery w systemach światłowodowych (hierarchia synchronicznych systemów cyfrowych, szybki internet, Voice over IP…)
• Węzły sieciowe szybkiej transmisji danych
• Węzły transmisji WiMAX

Instalacje rezerwowe z ogniwami paliwowymi oferują liczne korzyści dla krytycznych infrastruktur sieci danych w porównaniu z tradycyjnymi generatorami akumulatorowymi lub wysokoprężnymi, umożliwiając zwiększone wykorzystanie na miejscu:

1. Technologia paliw płynnych rozwiązuje problem magazynowania wodoru i zapewnia praktycznie nieograniczone zasilanie awaryjne.
2. Ze względu na cichą pracę, niewielką wagę, odporność na ekstremalne temperatury i praktycznie bezwibracyjną pracę, ogniwa paliwowe mogą być instalowane na zewnątrz, w obiektach przemysłowych/kontenerach lub na dachach.
3. Przygotowanie do użytkowania systemu na miejscu jest szybkie i ekonomiczne, a koszt eksploatacji niski.
4. Paliwo jest biodegradowalne i stanowi przyjazne dla środowiska rozwiązanie dla środowiska miejskiego.

Zastosowanie ogniw/ogniw paliwowych w systemach bezpieczeństwa

Najstaranniej zaprojektowane systemy bezpieczeństwa i komunikacji w budynkach są tak niezawodne, jak moc, która je zasila. Chociaż większość systemów zawiera pewien rodzaj awaryjnego systemu zasilania bezprzerwowego na wypadek krótkotrwałych strat zasilania, nie uwzględniają one dłuższych przerw w zasilaniu, które mogą wystąpić po klęskach żywiołowych lub atakach terrorystycznych. To może być krytyczna kwestia dla wielu agencji korporacyjnych i rządowych.

W przypadku braku niezawodne alternatywne źródło ciągłego zasilania.

Generatory Diesla są głośne, trudne do zlokalizowania i są dobrze znane ze swojej niezawodności i konserwacja. W przeciwieństwie do tego, instalacja rezerwowa z ogniwami paliwowymi jest cicha, niezawodna, ma zerową lub bardzo niską emisję i jest łatwa do zainstalowania na dachu lub na zewnątrz budynku. Nie rozładowuje się ani nie traci mocy w trybie czuwania. Zapewnia ciągłość działania krytycznych systemów, nawet po zaprzestaniu działalności instytucji i opuszczeniu budynku przez ludzi.

Innowacyjne instalacje ogniw paliwowych chronią kosztowne inwestycje w zastosowaniach o znaczeniu krytycznym. Zapewniają przyjazne dla środowiska, niezawodne zasilanie awaryjne o wydłużonym czasie działania (do wielu dni) w zakresie mocy od 250 W do 15 kW, w połączeniu z licznymi niezrównanymi funkcjami, a zwłaszcza wysokim poziomem oszczędności energii.

Jednostki rezerwowe zasilania z ogniw paliwowych oferują liczne korzyści w zastosowaniach o znaczeniu krytycznym, takich jak systemy bezpieczeństwa i zarządzania budynkami, w porównaniu z tradycyjnymi generatorami akumulatorowymi lub wysokoprężnymi. Technologia paliw płynnych rozwiązuje problem magazynowania wodoru i zapewnia praktycznie nieograniczone zasilanie awaryjne.

Zastosowanie ogniw/ogniw paliwowych w domowym ogrzewaniu i energetyce

Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC) są wykorzystywane do budowy niezawodnych, energooszczędnych i bezemisyjnych elektrowni cieplnych do wytwarzania energii elektrycznej i ciepła z powszechnie dostępnego gazu ziemnego i odnawialnych źródeł paliw. Te innowacyjne jednostki są wykorzystywane na wielu różnych rynkach, od wytwarzania energii w gospodarstwie domowym po zasilanie obszarów oddalonych, a także pomocnicze źródła zasilania.

Te energooszczędne jednostki wytwarzają ciepło do ogrzewania pomieszczeń i ciepłej wody, a także energię elektryczną, którą można wykorzystać w domu i odprowadzić z powrotem do sieci energetycznej. Rozproszone źródła wytwarzania energii mogą obejmować ogniwa fotowoltaiczne (słoneczne) i mikroturbiny wiatrowe. Technologie te są widoczne i powszechnie znane, ale ich działanie uzależnione jest od warunków pogodowych i nie są w stanie stale generować energii elektrycznej przez cały rok. Pod względem mocy elektrownie cieplne mogą wahać się od mniej niż 1 kW do 6 MW i więcej.

Zastosowanie ogniw/ogniw paliwowych w sieciach dystrybucyjnych

Małe elektrociepłownie są projektowane do pracy w rozproszonej sieci wytwórczej składającej się z dużej liczby małych zespołów prądotwórczych zamiast jednej scentralizowanej elektrowni.

Poniższy rysunek przedstawia utratę sprawności wytwarzania energii elektrycznej, gdy jest ona wytwarzana przez elektrociepłownię i przesyłana do domów za pośrednictwem obecnie eksploatowanych tradycyjnych sieci przesyłowych. Straty sprawności w wytwarzaniu sieciowym obejmują straty z elektrowni, przesyłu niskiego i wysokiego napięcia oraz straty dystrybucyjne.

Rysunek przedstawia wyniki integracji małych elektrowni cieplnych: energia elektryczna jest wytwarzana ze sprawnością wytwarzania do 60% w miejscu użytkowania. Ponadto gospodarstwo domowe może wykorzystywać ciepło wytwarzane przez ogniwa paliwowe do ogrzewania wody i pomieszczeń, co zwiększa ogólną wydajność przetwarzania energii z paliw i poprawia oszczędność energii.

Wykorzystywanie ogniw paliwowych do ochrony środowiska — wykorzystanie powiązanego gazu z ropy naftowej

Jednym z najważniejszych zadań w przemyśle naftowym jest utylizacja towarzyszącego gazu ropopochodnego. Istniejące metody utylizacji towarzyszącego gazu ropopochodnego mają wiele wad, z których najważniejszą jest to, że nie są ekonomicznie opłacalne. Powiązany gaz ropopochodny jest spalany, co powoduje ogromne szkody dla środowiska i zdrowia ludzkiego.

Innowacyjne elektrociepłownie oparte na ogniwach paliwowych wykorzystujące jako paliwo gaz ropopochodny otwierają drogę do radykalnego i opłacalnego rozwiązania problemów związanych z utylizacją gazu ropopochodnego.

1. Jedną z głównych zalet instalacji ogniw paliwowych jest to, że mogą one działać niezawodnie i w sposób zrównoważony na gazie ropopochodnym o zmiennym składzie. Ze względu na bezpłomieniową reakcję chemiczną leżącą u podstaw działania ogniwa paliwowego, zmniejszenie udziału procentowego np. metanu powoduje tylko odpowiednie zmniejszenie mocy wyjściowej.
2. Elastyczność w stosunku do obciążenia elektrycznego odbiorników, dyferencjału, udaru obciążenia.
3. Do montażu i podłączenia elektrociepłowni na ogniwach paliwowych ich realizacja nie wymaga nakładów inwestycyjnych, ponieważ Jednostki są łatwo montowane na nieprzygotowanych placach w pobliżu pól, są łatwe w obsłudze, niezawodne i wydajne.
4. Wysoka automatyzacja i nowoczesne zdalne sterowanie nie wymagają stałej obecności personelu w zakładzie.
5. Prostota i techniczna doskonałość konstrukcji: brak części ruchomych, ciernych, układów smarowania zapewnia znaczne korzyści ekonomiczne z eksploatacji instalacji ogniw paliwowych.
6. Zużycie wody: brak w temperaturze otoczenia do +30 °C i znikome w wyższych temperaturach.
7. Wylot wody: brak.
8. Ponadto elektrownie cieplne na ogniwa paliwowe nie hałasują, nie wibrują,

Ogniwa paliwowe to sposób na elektrochemiczną konwersję energii paliwa wodorowego na energię elektryczną, a jedynym produktem ubocznym tego procesu jest woda.

Paliwo wodorowe stosowane obecnie w ogniwach paliwowych zwykle pochodzi z reformingu parowego metanu (tj. konwersji węglowodorów za pomocą pary i ciepła do metanu), chociaż podejście może być bardziej ekologiczne, takie jak elektroliza wody przy użyciu energii słonecznej.

Główne elementy ogniwa paliwowego to:

• anoda, w której utlenia się wodór;
• katoda, w której tlen jest redukowany;
• polimerowa membrana elektrolityczna, przez którą transportowane są protony lub jony wodorotlenkowe (w zależności od ośrodka) – nie przepuszcza wodoru i tlenu;
• pola przepływu tlenu i wodoru, które są odpowiedzialne za dostarczanie tych gazów do elektrody.

Aby zasilić np. samochód, kilka ogniw paliwowych jest montowanych w akumulator, a ilość energii dostarczanej przez ten akumulator zależy od całkowitej powierzchni elektrod i ilości ogniw w niej zawartych. Energia w ogniwie paliwowym jest generowana w następujący sposób: wodór jest utleniany na anodzie, a elektrony z niego są przesyłane do katody, gdzie następuje redukcja tlenu. Elektrony otrzymane z utleniania wodoru na anodzie mają wyższy potencjał chemiczny niż elektrony redukujące tlen na katodzie. Ta różnica między potencjałami chemicznymi elektronów umożliwia pozyskiwanie energii z ogniw paliwowych.

Historia stworzenia

Historia ogniw paliwowych sięga lat 30. XX wieku, kiedy to William R. Grove zaprojektował pierwsze wodorowe ogniwo paliwowe. W tym ogniwie jako elektrolit zastosowano kwas siarkowy. Grove próbował osadzić miedź z wodnego roztworu siarczanu miedzi na powierzchni żelaza. Zauważył, że pod wpływem prądu elektronowego woda rozkłada się na wodór i tlen. Po tym odkryciu, Grove i Christian Schoenbein, chemik z Uniwersytetu w Bazylei (Szwajcaria), który pracował równolegle z nim, jednocześnie wykazali w 1839 r. możliwość generowania energii w wodorowo-tlenowym ogniwie paliwowym przy użyciu kwaśnego elektrolitu. Te wczesne próby, choć dość prymitywne z natury, przyciągnęły uwagę kilku współczesnych, w tym Michaela Faradaya.

Kontynuowano badania nad ogniwami paliwowymi, a w latach 30. XX wieku F.T. Firma Bacon wprowadziła nowy składnik do alkalicznego ogniwa paliwowego (jednego z rodzajów ogniw paliwowych) - membranę jonowymienną ułatwiającą transport jonów wodorotlenowych.

Jednym z najbardziej znanych historycznych przykładów zastosowania alkalicznych ogniw paliwowych jest ich wykorzystanie jako głównego źródła energii podczas lotów kosmicznych w programie Apollo.

Zostały wybrane przez NASA ze względu na ich trwałość i stabilność techniczną. Użyli membrany przewodzącej wodorotlenek, która była skuteczniejsza niż jej siostra wymieniająca protony.

Przez prawie dwa stulecia od stworzenia pierwszego prototypu ogniwa paliwowego włożono wiele pracy w ich ulepszenie. Ogólnie energia końcowa uzyskana z ogniwa paliwowego zależy od kinetyki reakcji redoks, oporu wewnętrznego ogniwa oraz przenoszenia masy reagujących gazów i jonów do składników aktywnych katalitycznie. Z biegiem lat w pierwotnym pomyśle wprowadzono wiele ulepszeń, takich jak:

1) zastąpienie drutów platynowych elektrodami węglowymi z nanocząstkami platyny; 2) wynalezienie membran o wysokiej przewodności i selektywności, takich jak nafion, w celu ułatwienia transportu jonów; 3) połączenie warstwy katalitycznej, na przykład nanocząstek platyny, rozmieszczonych na bazie węglowej, z membranami jonowymiennymi, w wyniku czego powstaje jednostka membrana-elektroda o minimalnej rezystancji wewnętrznej; 4) wykorzystanie i optymalizację pól przepływu w celu dostarczenia wodoru i tlenu na powierzchnię katalityczną, zamiast bezpośredniego rozcieńczania ich w roztworze.

Te i inne ulepszenia ostatecznie zaowocowały technologią, która była wystarczająco wydajna, aby można ją było zastosować w pojazdach takich jak Toyota Mirai.

Ogniwa paliwowe z membranami do wymiany wodorotlenków

Uniwersytet Delaware prowadzi badania nad rozwojem ogniw paliwowych z membranami do wymiany wodorotlenków - HEMFCs (hydrooxide exchange membrana fuel cells). Ogniwa paliwowe z membranami do wymiany wodorotlenków zamiast membran do wymiany protonów - PEMFC (ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów) - mniej borykają się z jednym z głównych problemów PEMFC - problemem stabilności katalizatora, ponieważ znacznie więcej katalizatorów z metali nieszlachetnych jest stabilnych w środowisku alkalicznym niż w kwaśnym. Stabilność katalizatorów w roztworach alkalicznych jest wyższa ze względu na fakt, że rozpuszczanie metali uwalnia więcej energii przy niskim pH niż przy wysokim pH. Większość pracy w tym laboratorium poświęcona jest również opracowaniu nowych katalizatorów anodowych i katodowych do reakcji utleniania wodoru i redukcji tlenu, aby jeszcze skuteczniej je przyspieszać. Ponadto laboratorium opracowuje nowe membrany do wymiany wodorotlenków, ponieważ przewodnictwo i trwałość takich membran nie zostały jeszcze ulepszone, aby mogły konkurować z membranami do wymiany protonów.

Szukaj nowych katalizatorów

Przyczynę strat przepięciowych w reakcji redukcji tlenu wyjaśniają liniowe zależności skali między produktami pośrednimi tej reakcji. W tradycyjnym czteroelektronowym mechanizmie tej reakcji tlen jest sekwencyjnie redukowany, tworząc produkty pośrednie - OOH*, O* i OH*, aby ostatecznie utworzyć wodę (H2O) na powierzchni katalitycznej. Ponieważ energie adsorpcji produktów pośrednich na pojedynczym katalizatorze są ze sobą silnie skorelowane, nie znaleziono jeszcze katalizatora, który przynajmniej teoretycznie nie miałby strat przepięciowych. Chociaż szybkość tej reakcji jest niska, zmiana ze środowiska kwaśnego na środowisko alkaliczne, takie jak w HEMFC, nie ma na nią większego wpływu. Szybkość reakcji utleniania wodoru jest jednak prawie o połowę zmniejszona, a fakt ten motywuje badania mające na celu znalezienie przyczyny tego spadku i odkrycie nowych katalizatorów.

Zalety ogniw paliwowych

W przeciwieństwie do paliw węglowodorowych, ogniwa paliwowe są bardziej, jeśli nie doskonale, przyjazne dla środowiska i nie wytwarzają w wyniku swojej działalności gazów cieplarnianych. Co więcej, ich paliwo (wodór) jest w zasadzie odnawialne, ponieważ można je otrzymać poprzez hydrolizę wody. Tak więc wodorowe ogniwa paliwowe w przyszłości mogą stać się w pełni częścią procesu produkcji energii, w którym energia słoneczna i wiatrowa jest wykorzystywana do produkcji paliwa wodorowego, które następnie jest wykorzystywane w ogniwie paliwowym do produkcji wody. W ten sposób cykl jest zamknięty i nie pozostaje ślad węglowy.

W przeciwieństwie do akumulatorów, ogniwa paliwowe mają tę zaletę, że nie trzeba ich ładować – mogą natychmiast zacząć dostarczać energię, gdy tylko jest potrzebna. Oznacza to, że jeśli zostaną zastosowane na przykład w dziedzinie pojazdów, to po stronie konsumenta prawie nie nastąpią żadne zmiany. W przeciwieństwie do energii słonecznej i wiatrowej, ogniwa paliwowe mogą wytwarzać energię w sposób ciągły i są znacznie mniej zależne od warunków zewnętrznych. Z kolei energia geotermalna jest dostępna tylko w określonych obszarach geograficznych, podczas gdy ogniwa paliwowe ponownie nie mają tego problemu.

Wodorowe ogniwa paliwowe są jednym z najbardziej obiecujących źródeł energii ze względu na ich przenośność i elastyczność pod względem skali.

Złożoność magazynowania wodoru

Oprócz problemów z wadami obecnych membran i katalizatorów, inne trudności techniczne dla ogniw paliwowych wiążą się z przechowywaniem i transportem paliwa wodorowego. Wodór ma bardzo niską energię właściwą na jednostkę objętości (ilość energii na jednostkę objętości w danej temperaturze i ciśnieniu) i dlatego musi być przechowywany pod bardzo wysokim ciśnieniem, aby mógł być stosowany w pojazdach. W przeciwnym razie rozmiar pojemnika do przechowywania wymaganej ilości paliwa będzie niemożliwie duży. Z powodu tych ograniczeń w przechowywaniu wodoru podjęto próby znalezienia sposobów wytwarzania wodoru z czegoś innego niż jego forma gazowa, na przykład w ogniwach paliwowych z wodorku metalu. Jednak obecne zastosowania konsumenckich ogniw paliwowych, takie jak Toyota Mirai, wykorzystują wodór w stanie nadkrytycznym (wodór o temperaturze powyżej 33 K i ciśnieniu powyżej 13,3 atmosfery, czyli powyżej wartości krytycznych) i jest to obecnie najwygodniejsza opcja.

Perspektywy regionu

Ze względu na istniejące trudności techniczne i problemy pozyskania wodoru z wody z wykorzystaniem energii słonecznej, w niedalekiej przyszłości badania prawdopodobnie skoncentrują się głównie na poszukiwaniu alternatywnych źródeł wodoru. Jednym z popularnych pomysłów jest użycie amoniaku (azotek wodoru) bezpośrednio w ogniwie paliwowym zamiast wodoru lub wytwarzanie wodoru z amoniaku. Powodem tego jest to, że amoniak jest mniej wymagający pod względem ciśnienia, co sprawia, że ​​jest wygodniejszy do przechowywania i przenoszenia. Ponadto amoniak jest atrakcyjnym źródłem wodoru, ponieważ nie zawiera węgla. To rozwiązuje problem zatrucia katalizatora z powodu niewielkiej ilości CO w wodorze wytwarzanym z metanu.

W przyszłości ogniwa paliwowe mogą znaleźć szerokie zastosowanie w technologii pojazdów i rozproszonym wytwarzaniu energii, na przykład na obszarach mieszkalnych. Pomimo tego, że w chwili obecnej wykorzystanie ogniw paliwowych jako głównego źródła energii wymaga dużych nakładów finansowych, to w przypadku znalezienia tańszych i wydajniejszych katalizatorów, stabilnych membran o wysokiej przewodności oraz alternatywnych źródeł wodoru, wodorowe ogniwa paliwowe mogą stać się wysoce atrakcyjne ekonomicznie.

Procesy chemiczne w ogniwie paliwowym

Ogniwa paliwowe wykorzystują proces elektrochemiczny do łączenia wodoru z tlenem z powietrza. Podobnie jak akumulatory, ogniwa paliwowe wykorzystują elektrody (stałe przewodniki elektryczne) w elektrolicie (środku przewodzącym prąd elektryczny). Kiedy cząsteczki wodoru wchodzą w kontakt z elektrodą ujemną (anodą), ta ostatnia zostaje rozdzielona na protony i elektrony. Protony przechodzą przez membranę wymiany protonów (POM) do elektrody dodatniej (katody) ogniwa paliwowego, wytwarzając energię elektryczną. Istnieje chemiczna kombinacja cząsteczek wodoru i tlenu z tworzeniem się wody, jako produktu ubocznego tej reakcji. Jedynym rodzajem emisji z ogniwa paliwowego jest para wodna.
Energia elektryczna wytwarzana przez ogniwa paliwowe może być wykorzystywana w elektrycznym układzie napędowym pojazdu (składającym się z konwertera mocy elektrycznej i silnika indukcyjnego prądu przemiennego) do dostarczania energii mechanicznej do napędzania pojazdu. Zadaniem konwertera mocy jest przekształcenie prądu stałego wytwarzanego przez ogniwa paliwowe na prąd zmienny, który jest wykorzystywany przez silnik trakcyjny pojazdu.

Schemat ideowy ogniwa paliwowego z membraną do wymiany protonów:
1 - anoda;
2 - membrana wymiany protonów (REM);
3 - katalizator (czerwony);
4 - katoda

Ogniwo paliwowe z membraną do wymiany protonów (PEMFC) wykorzystuje jedną z najprostszych reakcji dowolnego ogniwa paliwowego.

Oddzielne ogniwo paliwowe

Zastanów się, jak działa ogniwo paliwowe. Anoda, ujemny biegun ogniwa paliwowego, przewodzi elektrony, które są uwolnione od cząsteczek wodoru, dzięki czemu można je wykorzystać w zewnętrznym obwodzie elektrycznym (obwodzie). Aby to zrobić, wygrawerowane są w nim kanały, rozprowadzające wodór równomiernie na całej powierzchni katalizatora. Katoda (biegun dodatni ogniwa paliwowego) ma wygrawerowane kanały, które rozprowadzają tlen po powierzchni katalizatora. Przewodzi również elektrony z powrotem z obwodu zewnętrznego (obwodu) do katalizatora, gdzie mogą łączyć się z jonami wodoru i tlenem, tworząc wodę. Elektrolit jest membraną do wymiany protonów. Jest to specjalny materiał, podobny do zwykłego plastiku, ale z możliwością przepuszczania dodatnio naładowanych jonów i blokowania przejścia elektronów.
Katalizator to specjalny materiał, który ułatwia reakcję tlenu z wodorem. Katalizator jest zwykle wykonany z proszku platyny osadzonego w bardzo cienkiej warstwie na kalce lub tkaninie. Katalizator musi być szorstki i porowaty, aby jego powierzchnia w jak największym stopniu stykała się z wodorem i tlenem. Strona katalizatora pokryta platyną znajduje się przed membraną wymiany protonów (POM).
Gazowy wodór (H 2 ) dostarczany jest do ogniwa paliwowego pod ciśnieniem od strony anody. Kiedy cząsteczka H2 wchodzi w kontakt z platyną na katalizatorze, dzieli się na dwie części, dwa jony (H+) i dwa elektrony (e–). Elektrony przechodzą przez anodę, gdzie przechodzą przez obwód zewnętrzny (obwód), wykonując użyteczną pracę (na przykład napędzając silnik elektryczny) i powracając od strony katodowej ogniwa paliwowego.
Tymczasem od strony katodowej ogniwa paliwowego gazowy tlen (O 2 ) jest przepychany przez katalizator, gdzie tworzy dwa atomy tlenu. Każdy z tych atomów ma silny ładunek ujemny, który przyciąga dwa jony H+ przez błonę, gdzie łączą się z atomem tlenu i dwoma elektronami z zewnętrznej pętli (łańcucha), tworząc cząsteczkę wody (H 2 O).
Ta reakcja w pojedynczym ogniwie paliwowym wytwarza moc około 0,7 wata. Aby podnieść moc do wymaganego poziomu, konieczne jest połączenie wielu pojedynczych ogniw paliwowych w stos ogniw paliwowych.
Ogniwa paliwowe POM pracują w stosunkowo niskiej temperaturze (ok. 80°C), co oznacza, że ​​można je szybko nagrzać do temperatury roboczej i nie wymagają drogich układów chłodzenia. Ciągłe doskonalenie technologii i materiałów stosowanych w tych ogniwach zbliżyło ich moc do poziomu, w którym bateria takich ogniw paliwowych, zajmująca niewielką część bagażnika samochodu, może dostarczyć energię potrzebną do prowadzenia samochodu.
W ciągu ostatnich lat większość wiodących światowych producentów samochodów zainwestowała znaczne środki w rozwój projektów samochodów wykorzystujących ogniwa paliwowe. Wiele z nich już zademonstrowało pojazdy na ogniwa paliwowe o zadowalającej mocy i charakterystyce dynamicznej, chociaż były one dość drogie.
Doskonalenie konstrukcji takich samochodów jest bardzo intensywne.

Pojazd z ogniwami paliwowymi, wykorzystuje elektrownię umieszczoną pod podłogą pojazdu

Pojazd NECAR V bazuje na pojeździe Mercedes-Benz klasy A, w którym cała elektrownia wraz z ogniwami paliwowymi znajduje się pod podłogą pojazdu. Takie konstruktywne rozwiązanie pozwala pomieścić w aucie czterech pasażerów i bagaż. Tutaj nie wodór, ale metanol jest używany jako paliwo do samochodu. Metanol za pomocą reformera (urządzenia, które przekształca metanol w wodór) jest przekształcany w wodór, który jest niezbędny do zasilania ogniwa paliwowego. Zastosowanie reformera na pokładzie samochodu umożliwia wykorzystanie prawie każdego węglowodoru jako paliwa, co umożliwia tankowanie samochodu na ogniwa paliwowe przy wykorzystaniu istniejącej sieci stacji paliw. Teoretycznie ogniwa paliwowe wytwarzają wyłącznie energię elektryczną i wodę. Przekształcenie paliwa (benzyny lub metanolu) w wodór wymagany do ogniwa paliwowego nieco zmniejsza atrakcyjność dla środowiska takiego pojazdu.
Honda, która działa w branży ogniw paliwowych od 1989 roku, wyprodukowała w 2003 roku niewielką partię pojazdów Honda FCX-V4 z ogniwami paliwowymi do wymiany protonów. typ membrany Firma Ballard. Te ogniwa paliwowe generują 78 kW energia elektryczna, a do napędu kół napędowych wykorzystywane są silniki trakcyjne o mocy 60 kW i momencie obrotowym 272 N m. Samochód na ogniwo paliwowe, w porównaniu z autem tradycyjnym, ma masę o około 40% mniejszą, co zapewnia mu doskonałą dynamika, a doprowadzenie sprężonego wodoru daje możliwość przejechania nawet 355 km.

Honda FCX wykorzystuje energię ogniwa paliwowego do napędzania się.
Honda FCX jest pierwszym na świecie pojazdem na ogniwa paliwowe, który otrzymał rządowy certyfikat w Stanach Zjednoczonych. Samochód posiada certyfikat ZEV - Zero Emission Vehicle (pojazd o zerowej emisji zanieczyszczeń). Honda nie zamierza jeszcze sprzedawać tych samochodów, ale leasinguje około 30 samochodów na jednostkę. Kalifornia i Tokio, gdzie infrastruktura paliw wodorowych już istnieje.

Samochód koncepcyjny Hy Wire firmy General Motors ma elektrownię zasilaną ogniwami paliwowymi

Duże badania nad rozwojem i tworzeniem pojazdów z ogniwami paliwowymi prowadzi General Motors.

Podwozie pojazdu Hy Wire

Samochód koncepcyjny GM Hy Wire otrzymał 26 patentów. Podstawą auta jest funkcjonalna platforma o grubości 150 mm. Wewnątrz platformy znajdują się butle z wodorem, elektrownia zasilana ogniwami paliwowymi i systemy sterowania pojazdem wykorzystujące najnowsza technologia sterowanie elektroniczne przewodowe. Podwozie samochodu Hy Wire to cienka platforma, która zawiera wszystkie główne elementy konstrukcyjne samochodu: butle wodorowe, ogniwa paliwowe, akumulatory, silniki elektryczne i systemy sterowania. Takie podejście do projektowania umożliwia wymianę karoserii w trakcie eksploatacji, a także testuje eksperymentalne pojazdy Opla z ogniwami paliwowymi i projektuje zakład produkcji ogniw paliwowych.

Projekt „bezpiecznego” zbiornika paliwa na skroplony wodór:
1 - urządzenie do napełniania;
2 - zbiornik zewnętrzny;
3 - podpory;
4 - czujnik poziomu;
5 - zbiornik wewnętrzny;
6 - linia do napełniania;
7 - izolacja i próżnia;
8 - grzejnik;
9 - puszka montażowa

BMW poświęca wiele uwagi problemowi wykorzystania wodoru jako paliwa do samochodów. Wraz z Magną Steyer, znaną z prac nad wykorzystaniem skroplonego wodoru w badaniach kosmicznych, BMW opracowało zbiornik na skroplony wodór, który może być stosowany w samochodach.

Testy potwierdziły bezpieczeństwo użytkowania zbiornika paliwa z ciekłym wodorem

Firma przeprowadziła szereg testów bezpieczeństwa konstrukcji według standardowych metod i potwierdziła jej niezawodność.
W 2002 roku na targach motoryzacyjnych we Frankfurcie (Niemcy) został pokazany Mini Cooper Hydrogen, który jako paliwo wykorzystuje skroplony wodór. Zbiornik paliwa Ten samochód zajmuje tyle samo miejsca, co konwencjonalny zbiornik gazu. Wodór w tym samochodzie nie jest wykorzystywany do ogniw paliwowych, ale jako paliwo do silników spalinowych.

Pierwszy na świecie masowo produkowany samochód z ogniwem paliwowym zamiast akumulatora

W 2003 roku BMW ogłosiło wprowadzenie na rynek pierwszego masowo produkowanego pojazdu z ogniwami paliwowymi, BMW 750 hL. Zamiast tradycyjnej baterii stosuje się ogniwo paliwowe. Ten samochód ma 12-cylindrowy silnik spalinowy zasilany wodorem, a ogniwo paliwowe służy jako alternatywa dla konwencjonalnego akumulatora, pozwalając klimatyzatorowi i innym odbiornikom pracować, gdy samochód jest zaparkowany przez długi czas z wyłączonym silnikiem.

Tankowanie wodoru odbywa się za pomocą robota, kierowca nie bierze udziału w tym procesie

Ta sama firma BMW opracowała również zrobotyzowane dystrybutory paliwa, które zapewniają szybkie i bezpieczne tankowanie samochodów skroplonym wodorem.
Pojawienie się w ostatnich latach dużej liczby rozwiązań mających na celu tworzenie samochodów wykorzystujących paliwa alternatywne i alternatywne układy napędowe wskazuje, że silniki spalinowe, które dominowały w samochodach przez ostatnie stulecie, ostatecznie ustąpią miejsca czystszym, bardziej wydajnym i cichym konstrukcjom. Ich powszechne stosowanie jest obecnie powstrzymywane nie przez problemy techniczne, ale raczej przez problemy gospodarcze i społeczne. Dla ich powszechnego wykorzystania konieczne jest stworzenie pewnej infrastruktury dla rozwoju produkcji paliw alternatywnych, tworzenie i dystrybucja nowych stacji benzynowych oraz pokonanie szeregu barier psychologicznych. Stosowanie wodoru jako paliwa samochodowego będzie wymagało rozwiązania problemów związanych z przechowywaniem, dostawą i dystrybucją z zastosowaniem poważnych środków bezpieczeństwa.
Teoretycznie wodór jest dostępny w nieograniczonych ilościach, ale jego produkcja jest bardzo energochłonna. Dodatkowo, aby przystosować samochody do pracy na paliwie wodorowym, trzeba dokonać dwóch dużych zmian w układzie energetycznym: najpierw z benzyny na metanol, a potem przez jakiś czas na wodór. Minie trochę czasu, zanim ten problem zostanie rozwiązany.

Opis:

W artykule bardziej szczegółowo omówiono ich strukturę, klasyfikację, zalety i wady, zakres, efektywność, historię powstania oraz współczesne perspektywy wykorzystania.

Wykorzystanie ogniw paliwowych do zasilania budynków

Część 1

W artykule omówiono bardziej szczegółowo zasadę działania ogniw paliwowych, ich konstrukcję, klasyfikację, zalety i wady, zakres, wydajność, historię powstania oraz współczesne perspektywy użytkowania. W drugiej części artykułu, który ukaże się w kolejnym numerze magazynu ABOK, zawiera przykłady obiektów, w których jako źródła ciepła i energii elektrycznej (lub tylko energii elektrycznej) wykorzystano różnego rodzaju ogniwa paliwowe.

Wstęp

Ogniwa paliwowe to bardzo wydajny, niezawodny, trwały i przyjazny dla środowiska sposób wytwarzania energii.

Początkowo stosowane tylko w przemyśle kosmicznym, ogniwa paliwowe są obecnie coraz częściej wykorzystywane w różnych dziedzinach – takich jak elektrownie stacjonarne, ciepłownictwo budynków, silniki pojazdów, zasilacze do laptopów i telefonów komórkowych. Niektóre z tych urządzeń to prototypy laboratoryjne, niektóre przechodzą testy przedseryjne lub są wykorzystywane do celów demonstracyjnych, ale wiele modeli jest masowo produkowanych i wykorzystywanych w projektach komercyjnych.

Ogniwo paliwowe (generator elektrochemiczny) to urządzenie, które zamienia energię chemiczną paliwa (wodór) na energię elektryczną bezpośrednio w procesie reakcji elektrochemicznej, w przeciwieństwie do tradycyjnych technologii wykorzystujących spalanie paliw stałych, ciekłych i gazowych. Bezpośrednia konwersja elektrochemiczna paliwa jest bardzo wydajna i atrakcyjna z punktu widzenia ochrony środowiska, ponieważ podczas pracy uwalniana jest minimalna ilość zanieczyszczeń, a ponadto nie występują silne hałasy i wibracje.

Z praktycznego punktu widzenia ogniwo paliwowe przypomina konwencjonalną baterię galwaniczną. Różnica polega na tym, że początkowo akumulator jest naładowany, czyli napełniony „paliwem”. Podczas pracy „paliwo” jest zużywane, a akumulator rozładowywany. W przeciwieństwie do akumulatora ogniwo paliwowe wykorzystuje do wytwarzania energii elektrycznej paliwo dostarczane z zewnętrznego źródła (rys. 1).

Do produkcji energii elektrycznej można wykorzystać nie tylko czysty wodór, ale także inne surowce zawierające wodór, takie jak gaz ziemny, amoniak, metanol czy benzyna. Zwykłe powietrze służy jako źródło tlenu, który jest również niezbędny do reakcji.

Gdy jako paliwo stosowany jest czysty wodór, produktami reakcji oprócz energii elektrycznej są ciepło i woda (lub para wodna), czyli do atmosfery nie są emitowane żadne gazy, które powodują zanieczyszczenie powietrza lub powodują efekt cieplarniany. Jeżeli jako paliwo stosuje się surowiec zawierający wodór, taki jak gaz ziemny, produktem ubocznym reakcji będą inne gazy, takie jak tlenki węgla i azotu, ale jego ilość jest znacznie mniejsza niż przy spalaniu tego samego ilość gazu ziemnego.

Proces chemicznej konwersji paliwa w celu wytworzenia wodoru nazywamy reformingiem, a odpowiednie urządzenie nazywamy reformerem.

Zalety i wady ogniw paliwowych

Ogniwa paliwowe są bardziej energooszczędne niż silniki spalinowe, ponieważ nie ma ograniczeń termodynamicznych dotyczących sprawności energetycznej ogniw paliwowych. Sprawność ogniw paliwowych wynosi 50%, natomiast sprawność silników spalinowych 12-15%, a sprawność elektrowni turbin parowych nie przekracza 40%. Dzięki wykorzystaniu ciepła i wody wydajność ogniw paliwowych zostaje dodatkowo zwiększona.

W przeciwieństwie do np. silników spalinowych, sprawność ogniw paliwowych pozostaje bardzo wysoka, nawet gdy nie pracują z pełną mocą. Dodatkowo moc ogniw paliwowych można zwiększyć po prostu dodając osobne bloki, podczas gdy sprawność się nie zmienia, tzn. duże instalacje są tak samo wydajne jak małe. Okoliczności te pozwalają na bardzo elastyczny dobór składu sprzętu zgodnie z życzeniem klienta i ostatecznie prowadzą do obniżenia kosztów sprzętu.

Ważną zaletą ogniw paliwowych jest ich przyjazność dla środowiska. Emisje do powietrza z ogniw paliwowych są tak niskie, że w niektórych częściach Stanów Zjednoczonych nie wymagają specjalnych zezwoleń od rządowych agencji jakości powietrza.

Ogniwa paliwowe można umieszczać bezpośrednio w budynku, zmniejszając tym samym straty na przesyle energii, a ciepło powstałe w wyniku reakcji można wykorzystać do zasilania budynku w ciepło lub ciepłą wodę. Autonomiczne źródła zaopatrzenia w ciepło i energię elektryczną mogą być bardzo korzystne na obszarach oddalonych i w regionach, które charakteryzują się niedoborem energii elektrycznej i jej wysokimi kosztami, ale jednocześnie istnieją rezerwy surowców zawierających wodór (ropa naftowa, gaz ziemny) .

Zaletami ogniw paliwowych są również dostępność paliwa, niezawodność (brak ruchomych części w ogniwie), trwałość i łatwość obsługi.

Jednym z głównych mankamentów dzisiejszych ogniw paliwowych jest ich stosunkowo wysoki koszt, ale ten mankament można szybko przezwyciężyć – coraz więcej firm produkuje komercyjne próbki ogniw paliwowych, są one stale ulepszane, a ich koszt maleje.

Najefektywniejsze wykorzystanie czystego wodoru jako paliwa będzie jednak wymagało stworzenia specjalnej infrastruktury do jego produkcji i transportu. Obecnie wszystkie projekty komercyjne wykorzystują gaz ziemny i podobne paliwa. Pojazdy silnikowe mogą korzystać ze zwykłej benzyny, co pozwoli na utrzymanie istniejącej rozwiniętej sieci stacji benzynowych. Jednak stosowanie takiego paliwa prowadzi do szkodliwych emisji do atmosfery (choć bardzo niskich) i komplikuje (a tym samym zwiększa koszt) ogniwa paliwowego. W przyszłości rozważa się możliwość wykorzystania przyjaznych środowisku odnawialnych źródeł energii (np. energii słonecznej czy wiatrowej) do rozkładu wody na wodór i tlen poprzez elektrolizę, a następnie przekształcenia powstałego paliwa w ogniwo paliwowe. Takie elektrociepłownie pracujące w obiegu zamkniętym mogą być całkowicie ekologicznym, niezawodnym, trwałym i wydajnym źródłem energii.

Inną cechą ogniw paliwowych jest to, że są najbardziej wydajne, gdy jednocześnie wykorzystują energię elektryczną i cieplną. Jednak nie w każdym obiekcie istnieje możliwość wykorzystania energii cieplnej. W przypadku wykorzystania ogniw paliwowych wyłącznie do wytwarzania energii elektrycznej, ich sprawność spada, choć przewyższa sprawność „tradycyjnych” instalacji.

Historia i współczesne zastosowania ogniw paliwowych

Zasada działania ogniw paliwowych została odkryta w 1839 roku. Angielski naukowiec William Grove (1811-1896) odkrył, że proces elektrolizy - rozkładu wody na wodór i tlen za pomocą prądu elektrycznego - jest odwracalny, tj. wodór i tlen można łączyć w cząsteczki wody bez spalania, ale z uwolnienie ciepła i prądu elektrycznego. Grove nazwał urządzenie, w którym przeprowadzono taką reakcję „baterią gazową”, która była pierwszym ogniwem paliwowym.

Aktywny rozwój technologii ogniw paliwowych rozpoczął się po II wojnie światowej i jest związany z przemysłem lotniczym. W tym czasie prowadzono poszukiwania wydajnego i niezawodnego, ale jednocześnie dość kompaktowego źródła energii. W latach 60. specjaliści NASA (National Aeronautics and Space Administration, NASA) wybrali ogniwa paliwowe jako źródło zasilania statków kosmicznych Apollo (loty załogowe na Księżyc), Apollo-Sojuz, Gemini i programów Skylab. Apollo wykorzystał trzy jednostki 1,5 kW (moc szczytowa 2,2 kW) wykorzystując kriogeniczny wodór i tlen do produkcji energii elektrycznej, ciepła i wody. Masa każdej instalacji wynosiła 113 kg. Te trzy ogniwa pracowały równolegle, ale energia generowana przez jedną jednostkę wystarczyła do bezpiecznego powrotu. Podczas 18 lotów ogniwa paliwowe przepracowały łącznie 10 000 godzin bez żadnych awarii. Obecnie ogniwa paliwowe wykorzystywane są w promie kosmicznym „Space Shuttle”, który wykorzystuje trzy jednostki o mocy 12 W, które wytwarzają całą energię elektryczną na pokładzie statku kosmicznego (rys. 2). Woda uzyskana w wyniku reakcji elektrochemicznej jest wykorzystywana jako woda pitna, a także do urządzeń chłodniczych.

W naszym kraju trwały również prace nad stworzeniem ogniw paliwowych do zastosowań w kosmonautyce. Na przykład ogniwa paliwowe były używane do zasilania radzieckiego promu kosmicznego Buran.

Rozwój metod komercyjnego wykorzystania ogniw paliwowych rozpoczął się w połowie lat sześćdziesiątych. Zmiany te były częściowo finansowane przez organizacje rządowe.

Obecnie rozwój technologii wykorzystania ogniw paliwowych przebiega w kilku kierunkach. Jest to tworzenie elektrowni stacjonarnych na ogniwach paliwowych (zarówno dla scentralizowanego, jak i zdecentralizowanego zaopatrzenia w energię), elektrowni samochodowych (powstały próbki samochodów i autobusów na ogniwach paliwowych, m.in. w naszym kraju) (rys. 3), oraz także zasilacze do różnych urządzeń mobilnych (laptopy, telefony komórkowe itp.) (rys. 4).

Przykłady zastosowania ogniw paliwowych w różnych dziedzinach podano w tabeli. jeden.

Jednym z pierwszych komercyjnych modeli ogniw paliwowych przeznaczonych do autonomicznego zasilania budynków w energię cieplną i elektryczną był model PC25 Model A produkowany przez ONSI Corporation (obecnie United Technologies, Inc.). To ogniwo paliwowe o mocy nominalnej 200 kW należy do typu ogniw z elektrolitem na bazie kwasu fosforowego (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC). Cyfra „25” w nazwie modelu oznacza numer seryjny wzoru. Większość poprzednich modeli to egzemplarze eksperymentalne lub testowe, takie jak model „PC11” o mocy 12,5 kW, który pojawił się w latach 70. XX wieku. Nowe modele zwiększyły moc pobieraną z pojedynczego ogniwa paliwowego, a także zmniejszyły koszt na kilowat wyprodukowanej energii. Obecnie jednym z najbardziej wydajnych modeli komercyjnych jest ogniwo paliwowe PC25 Model C. Podobnie jak model „A” jest to w pełni automatyczne ogniwo paliwowe typu PAFC o mocy 200 kW, przeznaczone do montażu bezpośrednio na obsługiwanym obiekcie jako niezależne źródło ciepła i energii elektrycznej. Takie ogniwo paliwowe można zainstalować na zewnątrz budynku. Na zewnątrz jest to równoległościan o długości 5,5 m, szerokości 3 m i wysokości 3 m, ważący 18 140 kg. Różnica w stosunku do poprzednich modeli to ulepszony reformer i wyższa gęstość prądu.

W niektórych typach ogniw paliwowych proces chemiczny można odwrócić: poprzez przyłożenie różnicy potencjałów do elektrod woda może zostać rozłożona na wodór i tlen, które gromadzą się na porowatych elektrodach. Po podłączeniu obciążenia takie regeneracyjne ogniwo paliwowe zacznie generować energię elektryczną.

Obiecującym kierunkiem wykorzystania ogniw paliwowych jest ich wykorzystanie w połączeniu z odnawialnymi źródłami energii, takimi jak panele fotowoltaiczne czy turbiny wiatrowe. Ta technologia pozwala całkowicie uniknąć zanieczyszczenia powietrza. Podobny system ma powstać np. w Centrum Szkoleniowym im. Adama Josepha Lewisa w Oberlinie (zob. ABOK, 2002, nr 5, s. 10). Obecnie jednym ze źródeł energii w tym budynku są panele słoneczne. Wspólnie ze specjalistami NASA opracowano projekt wykorzystania paneli fotowoltaicznych do produkcji wodoru i tlenu z wody za pomocą elektrolizy. Wodór jest następnie wykorzystywany w ogniwach paliwowych do wytwarzania energii elektrycznej i gorąca woda. Umożliwi to budynkowi utrzymanie wydajności wszystkich systemów w pochmurne dni i w nocy.

Zasada działania ogniw paliwowych

Rozważmy zasadę działania ogniwa paliwowego na przykładzie najprostszego elementu z membraną do wymiany protonów (Proton Exchange Membrane, PEM). Taki element składa się z membrany polimerowej umieszczonej pomiędzy anodą (elektrodą dodatnią) a katodą (elektrodą ujemną) wraz z katalizatorami anodowymi i katodowymi. Jako elektrolit stosuje się membranę polimerową. Schemat elementu PEM pokazano na ryc. 5.

Membrana do wymiany protonów (PEM) to cienki (około 2-7 arkuszy zwykłego papieru grubości) stały związek organiczny. Ta membrana działa jak elektrolit: w obecności wody rozdziela materię na jony naładowane dodatnio i ujemnie.

Na anodzie zachodzi proces utleniania, a na katodzie proces redukcji. Anoda i katoda w ogniwie PEM są wykonane z porowatego materiału, który jest mieszaniną cząstek węgla i platyny. Platyna działa jak katalizator, który promuje reakcję dysocjacji. Anoda i katoda są porowate, aby umożliwić swobodny przepływ przez nie odpowiednio wodoru i tlenu.

Anoda i katoda są umieszczone między dwiema metalowymi płytkami, które dostarczają wodór i tlen do anody i katody oraz odprowadzają ciepło i wodę, a także energię elektryczną.

Cząsteczki wodoru przechodzą przez kanały w płycie do anody, gdzie rozkładają się na pojedyncze atomy (rys. 6).

Następnie w wyniku chemisorpcji w obecności katalizatora atomy wodoru, z których każdy oddaje jeden elektron e - , są przekształcane w dodatnio naładowane jony wodoru H+, czyli protony (rys. 7).

Dodatnio naładowane jony wodoru (protony) dyfundują przez membranę do katody, a przepływ elektronów jest kierowany do katody przez zewnętrzny obwód elektryczny, do którego podłączone jest obciążenie (odbiorca energii elektrycznej) (rys. 8).

Tlen dostarczany do katody w obecności katalizatora wchodzi w reakcję chemiczną z jonami wodorowymi (protonami) z membrany wymiany protonów i elektronami z zewnętrznego obwodu elektrycznego (rys. 9). W wyniku reakcji chemicznej powstaje woda.

Reakcja chemiczna w ogniwie paliwowym innego typu (na przykład z kwaśnym elektrolitem, który jest roztworem kwasu fosforowego H 3 PO 4) jest absolutnie identyczna z reakcją chemiczną w ogniwie paliwowym z membraną do wymiany protonów.

W każdym ogniwie paliwowym część energii reakcji chemicznej jest uwalniana w postaci ciepła.

Przepływ elektronów w obwodzie zewnętrznym to prąd stały, który służy do wykonywania pracy. Otwarcie obwodu zewnętrznego lub zatrzymanie ruchu jonów wodorowych zatrzymuje reakcję chemiczną.

Ilość energii elektrycznej wytwarzanej przez ogniwo paliwowe zależy od rodzaju ogniwa paliwowego, wymiarów geometrycznych, temperatury, ciśnienia gazu. Pojedyncze ogniwo paliwowe zapewnia siłę elektromotoryczną mniejszą niż 1,16 V. Możliwe jest zwiększenie rozmiaru ogniw paliwowych, ale w praktyce stosuje się kilka ogniw połączonych w baterie (rys. 10).

Urządzenie z ogniwem paliwowym

Rozważmy urządzenie z ogniwem paliwowym na przykładzie modelu PC25 Model C. Schemat ogniwa paliwowego pokazano na ryc. jedenaście.

Ogniwo paliwowe „PC25 Model C” składa się z trzech głównych części: procesora paliwa, właściwej sekcji wytwarzania energii i konwertera napięcia.

Główna część ogniwa paliwowego – sekcja energetyczna – to stos złożony z 256 pojedynczych ogniw paliwowych. Skład elektrod ogniw paliwowych obejmuje katalizator platynowy. Przez te ogniwa przy napięciu 155 woltów generowany jest stały prąd elektryczny o natężeniu 1400 amperów. Wymiary baterii to około 2,9 m długości oraz 0,9 m szerokości i wysokości.

Ponieważ proces elektrochemiczny odbywa się w temperaturze 177°C, konieczne jest podgrzanie akumulatora w momencie rozruchu i odprowadzenie z niego ciepła podczas pracy. W tym celu ogniwo paliwowe zawiera oddzielny obieg wody, a akumulator jest wyposażony w specjalne płyty chłodzące.

Procesor paliwa umożliwia przekształcenie gazu ziemnego w wodór, który jest niezbędny do reakcji elektrochemicznej. Ten proces nazywa się reformowaniem. Głównym elementem procesora paliwa jest reformer. W reformerze gaz ziemny (lub inne paliwo zawierające wodór) reaguje z parą wodną w wysokiej temperaturze (900°C) i pod wysokim ciśnieniem w obecności katalizatora niklowego. Zachodzą następujące reakcje chemiczne:

CH4 (metan) + H2O3H2 + CO

(reakcja endotermiczna, z absorpcją ciepła);

CO + H 2 O H 2 + CO 2

(reakcja jest egzotermiczna, z uwolnieniem ciepła).

Całkowitą reakcję wyraża równanie:

CH4 (metan) + 2H 2 O 4H 2 + CO 2

(reakcja endotermiczna, z absorpcją ciepła).

Aby zapewnić wysoką temperaturę wymaganą do konwersji gazu ziemnego, część zużytego paliwa ze stosu ogniw paliwowych jest kierowana do palnika, który utrzymuje wymaganą temperaturę reformera.

Para potrzebna do reformingu wytwarzana jest z kondensatu powstałego podczas pracy ogniwa paliwowego. W tym przypadku wykorzystywane jest ciepło odprowadzone ze stosu ogniw paliwowych (rys. 12).

Stos ogniw paliwowych generuje przerywany prąd stały, który charakteryzuje się niskim napięciem i wysokim prądem. Konwerter napięcia służy do konwersji na standard przemysłowy AC. Ponadto konwerter napięcia zawiera różne urządzenia sterujące i obwody blokad bezpieczeństwa, które umożliwiają wyłączenie ogniwa paliwowego w przypadku różnych awarii.

W takim ogniwie paliwowym około 40% energii zawartej w paliwie można przekształcić w energię elektryczną. W przybliżeniu taką samą ilość, około 40% energii z paliwa, można przetworzyć na energię, która jest następnie wykorzystywana jako źródło ciepła do ogrzewania, dostarczania ciepłej wody i podobnych celów. Tak więc całkowita wydajność takiej instalacji może osiągnąć 80%.

Niewątpliwą zaletą takiego źródła ciepła i energii elektrycznej jest możliwość jego praca automatyczna. Do konserwacji właściciele obiektu, na którym zainstalowane jest ogniwo paliwowe, nie muszą utrzymywać specjalnie przeszkolonego personelu - konserwację okresową mogą przeprowadzać pracownicy organizacji obsługującej.

Rodzaje ogniw paliwowych

Obecnie znanych jest kilka rodzajów ogniw paliwowych, które różnią się składem stosowanego elektrolitu. Najbardziej rozpowszechnione są cztery typy (tab. 2):

1. Ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC).

2. Ogniwa paliwowe na bazie kwasu ortofosforowego (fosforowego) (Ogniwa paliwowe z kwasem fosforowym, PAFC).

3. Ogniwa paliwowe na bazie stopionego węglanu (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).

4. Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem, SOFC). Obecnie największa flota ogniw paliwowych budowana jest w oparciu o technologię PAFC.

Jedną z kluczowych cech różnych typów ogniw paliwowych jest temperatura pracy. Pod wieloma względami to temperatura określa zakres ogniw paliwowych. Na przykład wysokie temperatury mają kluczowe znaczenie dla laptopów, dlatego dla tego segmentu rynku opracowywane są ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów o niskich temperaturach roboczych.

Do autonomicznego zasilania budynków wymagane są ogniwa paliwowe o dużej mocy zainstalowanej, a jednocześnie możliwe jest wykorzystanie energii cieplnej, dlatego do tych celów można stosować inne rodzaje ogniw paliwowych.

Ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów (PEMFC)

Te ogniwa paliwowe działają w stosunkowo niskich temperaturach roboczych (60-160°C). Charakteryzują się dużą gęstością mocy, pozwalają na szybką regulację mocy wyjściowej i można je szybko włączyć. Wadą tego typu elementów są wysokie wymagania dotyczące jakości paliwa, ponieważ zanieczyszczone paliwo może uszkodzić membranę. Moc znamionowa tego typu ogniw paliwowych wynosi 1-100 kW.

Ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów zostały pierwotnie opracowane przez General Electric Corporation w latach 60. dla NASA. Ten typ ogniwa paliwowego wykorzystuje elektrolit polimerowy w stanie stałym, zwany membraną wymiany protonów (PEM). Protony mogą przechodzić przez membranę wymiany protonów, ale elektrony nie mogą przez nią przejść, co powoduje różnicę potencjałów między katodą a anodą. Ze względu na swoją prostotę i niezawodność takie ogniwa paliwowe były wykorzystywane jako źródło zasilania w załogowym statku kosmicznym Gemini.

Ten typ ogniwa paliwowego jest wykorzystywany jako źródło zasilania dla szerokiej gamy różnych urządzeń, w tym prototypów i prototypów, od telefonów komórkowych po autobusy i stacjonarne systemy zasilania. Niska temperatura pracy pozwala na wykorzystanie takich ogniw do zasilania różnego rodzaju skomplikowanych urządzeń elektronicznych. Mniej efektywne jest ich wykorzystanie jako źródła energii cieplnej i elektrycznej dla budynków użyteczności publicznej i przemysłowych, gdzie wymagane są duże ilości energii cieplnej. Jednocześnie takie elementy są obiecujące jako autonomiczne źródło zasilania dla małych budynków mieszkalnych, takich jak domki budowane w regionach o gorącym klimacie.

Ogniwa paliwowe z kwasem fosforowym (PAFC)

Testy tego typu ogniw paliwowych prowadzono już na początku lat 70-tych. Zakres temperatur pracy - 150-200 °C. Głównym obszarem zastosowania są autonomiczne źródła ciepła i energii elektrycznej średniej mocy (ok. 200 kW).

Elektrolit stosowany w tych ogniwach paliwowych to roztwór kwasu fosforowego. Elektrody wykonane są z papieru pokrytego węglem, w którym rozproszony jest katalizator platynowy.

Sprawność elektryczna ogniw paliwowych PAFC wynosi 37-42%. Ponieważ jednak te ogniwa paliwowe działają w wystarczająco wysokiej temperaturze, możliwe jest wykorzystanie pary wytworzonej w wyniku działania. W takim przypadku ogólna wydajność może osiągnąć 80%.

Aby wytworzyć energię, surowiec zawierający wodór musi zostać przekształcony w czysty wodór w procesie reformingu. Na przykład, jeśli jako paliwo stosuje się benzynę, należy usunąć związki siarki, ponieważ siarka może uszkodzić katalizator platynowy.

Ogniwa paliwowe PAFC były pierwszymi komercyjnymi ogniwami paliwowymi, które miały ekonomiczne uzasadnienie. Najpopularniejszym modelem było ogniwo paliwowe PC25 o mocy 200 kW produkowane przez ONSI Corporation (obecnie United Technologies, Inc.) (rys. 13). Na przykład elementy te są wykorzystywane jako źródło ciepła i elektryczności na posterunku policji w nowojorskim Central Parku lub jako dodatkowe źródło energii dla Conde Nast Building i Four Times Square. Najbardziej duża platforma tego typu jest testowana jako elektrownia o mocy 11 MW zlokalizowana w Japonii.

Ogniwa paliwowe na bazie kwasu fosforowego są również wykorzystywane jako źródło energii w pojazdach. Na przykład w 1994 r. H-Power Corp., Georgetown University i Departament Energii USA wyposażyły ​​autobus w elektrownię o mocy 50 kW.

Ogniwa paliwowe ze stopionym węglanem (MCFC)

Ogniwa paliwowe tego typu pracują w bardzo wysokich temperaturach – 600-700 °C. Te temperatury robocze pozwalają na wykorzystanie paliwa bezpośrednio w samym ogniwie, bez potrzeby stosowania oddzielnego reformera. Proces ten nazywa się „reformowaniem wewnętrznym”. Pozwala znacznie uprościć konstrukcję ogniwa paliwowego.

Ogniwa paliwowe na bazie stopionego węglanu wymagają znacznego czasu rozruchu i nie pozwalają na szybką regulację mocy wyjściowej, dlatego ich głównym obszarem zastosowania są duże stacjonarne źródła ciepła i energii elektrycznej. Wyróżnia je jednak wysoka sprawność konwersji paliwa - 60% sprawność elektryczna i do 85% sprawność ogólna.

W tego typu ogniwach paliwowych elektrolit składa się z węglanu potasu i węglanu litu podgrzanych do około 650 °C. W tych warunkach sole są w stanie stopionym, tworząc elektrolit. Na anodzie wodór oddziałuje z jonami CO 3, tworząc wodę, dwutlenek węgla i uwalniając elektrony, które są wysyłane do obwodu zewnętrznego, a na katodzie tlen oddziałuje z dwutlenkiem węgla i elektronami z obwodu zewnętrznego, ponownie tworząc jony CO 3 .

Próbki laboratoryjne ogniw paliwowych tego typu zostały stworzone pod koniec lat pięćdziesiątych przez holenderskich naukowców G. H. J. Broersa i J. A. A. Ketelaara. W latach 60. z tymi pierwiastkami pracował inżynier Francis T. Bacon, potomek słynnego XVII-wiecznego angielskiego pisarza i naukowca, dlatego ogniwa paliwowe MCFC są czasami nazywane elementami Bacon. Programy NASA Apollo, Apollo-Soyuz i Scylab wykorzystywały właśnie takie ogniwa paliwowe jako źródło zasilania (ryc. 14). W tym samym czasie amerykański departament wojskowy przetestował kilka próbek ogniw paliwowych MCFC produkowanych przez Texas Instruments, w których jako paliwo stosowano wojskowe gatunki benzyny. W połowie lat 70. Departament Energii Stanów Zjednoczonych rozpoczął badania nad opracowaniem stacjonarnego ogniwa paliwowego ze stopionego węglanu, odpowiedniego do: praktyczne zastosowanie. W latach 90. uruchomiono szereg jednostek komercyjnych o mocy do 250 kW, na przykład w US Naval Air Station Miramar w Kalifornii. W 1996 roku firma FuelCell Energy, Inc. oddał do użytku przedseryjną fabrykę o mocy 2 MW w Santa Clara w Kalifornii.

Ogniwa paliwowe z tlenkiem stałym (SOFC)

Ogniwa paliwowe z tlenkami półprzewodnikowymi są proste w konstrukcji i działają w bardzo wysokich temperaturach - 700-1000 °C. Tak wysokie temperatury pozwalają na stosowanie stosunkowo „brudnego”, nierafinowanego paliwa. Te same cechy co w ogniwach paliwowych na bazie stopionego węglanu determinują podobny obszar zastosowań – duże stacjonarne źródła ciepła i energii elektrycznej.

Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem różnią się strukturalnie od ogniw paliwowych opartych na technologiach PAFC i MCFC. Anoda, katoda i elektrolit wykonane są ze specjalnych gatunków ceramiki. Najczęściej jako elektrolit stosuje się mieszaninę tlenku cyrkonu i tlenku wapnia, ale można stosować inne tlenki. Elektrolit tworzy sieć krystaliczną pokrytą z obu stron porowatym materiałem elektrodowym. Konstrukcyjnie takie elementy wykonywane są w postaci rurek lub płaskich płytek, co umożliwia wykorzystanie w ich produkcji technologii szeroko stosowanych w przemyśle elektronicznym. W rezultacie ogniwa paliwowe z tlenkiem stałym mogą działać w bardzo wysokich temperaturach, dzięki czemu mogą być wykorzystywane do wytwarzania zarówno energii elektrycznej, jak i cieplnej.

W wysokich temperaturach pracy na katodzie tworzą się jony tlenu, które migrują przez sieć krystaliczną do anody, gdzie oddziałują z jonami wodoru, tworząc wodę i uwalniając wolne elektrony. W tym przypadku wodór jest uwalniany z gazu ziemnego bezpośrednio w ogniwie, czyli nie ma potrzeby stosowania oddzielnego reformera.

Teoretyczne podstawy do stworzenia tlenkowych ogniw paliwowych w stanie stałym zostały położone pod koniec lat 30. XX wieku, kiedy szwajcarscy naukowcy Bauer (Emil Bauer) i Preis (H. Preis) eksperymentowali z cyrkonem, itrem, cerem, lantanem i wolframem jako elektrolity.

Pierwsze prototypy takich ogniw paliwowych zostały stworzone pod koniec lat pięćdziesiątych przez szereg firm amerykańskich i holenderskich. Większość z tych firm wkrótce porzuciła dalsze badania z powodu trudności technologicznych, ale jedna z nich, Westinghouse Electric Corp. (obecnie „Siemens Westinghouse Power Corporation”), kontynuowała pracę. Firma przyjmuje obecnie zamówienia na komercyjny model ogniwa paliwowego ze stałym tlenkiem o topologii rurowej, którego oczekuje się w tym roku (Rysunek 15). Segment rynku takich elementów to instalacje stacjonarne do produkcji energii cieplnej i elektrycznej o mocy od 250 kW do 5 MW.

Ogniwa paliwowe typu SOFC wykazały bardzo wysoką niezawodność. Na przykład prototyp ogniwa paliwowego Siemens Westinghouse przepracował 16 600 godzin i nadal działa, co czyni go najdłuższym nieprzerwanym okresem eksploatacji ogniwa paliwowego na świecie.

Wysokotemperaturowy, wysokociśnieniowy tryb pracy ogniw paliwowych SOFC umożliwia tworzenie elektrowni hybrydowych, w których emisje z ogniw paliwowych napędzają turbiny gazowe wykorzystywane do wytwarzania energii elektrycznej. Pierwsza taka hybrydowa fabryka działa w Irvine w Kalifornii. Moc znamionowa tej instalacji wynosi 220 kW, z czego 200 kW z ogniwa paliwowego i 20 kW z generatora mikroturbinowego.