Gorivne celice naredite sami doma. Tehnologija gorivnih celic in njena uporaba v avtomobilih

V luči nedavnih dogodkov, povezanih s pregrevanjem, požari in celo eksplozijami prenosnih računalnikov zaradi napake litij-ionskih baterij, si ne moremo pomagati, da se ne spomnimo novih alternativnih tehnologij, ki bodo po mnenju večine strokovnjakov v prihodnosti lahko dopolnile ali nadomestile tradicionalne baterije danes. Govorimo o novih virih energije – gorivnih celicah.

Po splošnem pravilu, ki ga je pred 40 leti oblikoval eden od ustanoviteljev Intela Gordon Moore, se zmogljivost procesorja podvoji vsakih 18 mesecev. Baterije ne morejo dohajati čipov. Njihova zmogljivost se po mnenju strokovnjakov poveča le za 10% na leto.

Gorivna celica deluje na osnovi celične (porozne) membrane, ki ločuje anodni in katodni prostor gorivne celice. Ta membrana je obojestransko prevlečena z ustreznimi katalizatorji. Gorivo se dovaja na anodo, v tem primeru se uporablja raztopina metanola (metilnega alkohola). Kot posledica kemične reakcije razgradnje goriva nastanejo prosti naboji, ki prodrejo skozi membrano do katode. Električni tokokrog je tako sklenjen, v njem pa se ustvari električni tok, ki napaja napravo. Ta vrsta gorivne celice se imenuje gorivna celica z neposrednim metanolom (DMFC). Razvoj gorivnih celic se je začel že zdavnaj, vendar so bili prvi rezultati, ki so dali razlog za govor o resnični konkurenci z litij-ionskimi baterijami, pridobljeni šele v zadnjih dveh letih.

Leta 2004 je bilo na trgu tovrstnih naprav približno 35 proizvajalcev, vendar so le redka podjetja lahko razglasila pomembne uspehe na tem področju. Januarja je Fujitsu predstavil svoj razvoj - baterija je imela debelino 15 mm in je vsebovala 300 mg 30% raztopine metanola. Moč 15 W ji je omogočila prenosni računalnik 8 ur. Mesec dni kasneje je majhno podjetje PolyFuel prvo napovedalo komercialno proizvodnjo prav takih membran, s katerimi naj bi bili opremljeni napajalniki za gorivo. In že marca je Toshiba predstavila prototip mobilnega računalnika, ki deluje na gorivo. Proizvajalec je trdil, da lahko tak prenosnik zdrži do petkrat dlje kot prenosnik s tradicionalno baterijo.

Leta 2005 je LG Chem napovedal izdelavo svoje gorivne celice. Za njegov razvoj je bilo porabljenih približno 5 let in 5 milijard dolarjev. Tako je bilo mogoče ustvariti napravo z močjo 25 W in težo 1 kg, ki je povezana s prenosnim računalnikom prek vmesnika USB in zagotavlja njeno delovanje 10 ur. Tudi letošnje leto 2006 so zaznamovali številni zanimivi dogodki. Zlasti ameriški razvijalci iz Ultracell so pokazali gorivno celico, ki zagotavlja 25 W moči in je opremljena s tremi zamenljivimi kartušami s 67% metanolom. Zmožen je zagotoviti napajanje prenosnika 24 ur. Teža baterije je bila približno kilogram, vsaka kartuša je tehtala približno 260 gramov.

Poleg tega, da lahko zagotovijo večjo zmogljivost kot litij-ionske baterije, so metanolne baterije neeksplozivne. Pomanjkljivosti vključujejo njihove precej visoke stroške in potrebo po občasni menjavi metanolnih kartuš.

Če baterije za gorivo ne nadomestijo tradicionalnih, jih je najverjetneje mogoče uporabiti skupaj z njimi. Po mnenju strokovnjakov bo trg gorivnih celic v letu 2006 znašal približno 600 milijonov dolarjev, kar je precej skromna številka. Vendar pa strokovnjaki do leta 2010 napovedujejo trikratno povečanje - do 1,9 milijarde dolarjev.

Razprava o članku "Alkoholne baterije nadomeščajo litij"

zemoneng

Prekleto, informacije o tej napravi sem našel v ženski reviji.
No, naj povem nekaj besed o tem:
1: neprijetnost je v tem, da boste po 6-10 urah dela morali iskati novo kartušo, in to je drago. Zakaj bi trošil denar za te neumnosti
2: kolikor razumem, je treba po prejemu energije iz metilnega alkohola sprostiti vodo. Prenosnik in voda sta nezdružljivi stvari.
3: zakaj pišeš v ženskih revijah? Sodeč po komentarjih »Nič ne vem.« in »Kaj je to?« ta članek ni nivo strani, posvečene LEPOTI.

Nastavek cevi za polnjenje vstavim v nastavek za polnjenje goriva in ga obrnem za pol obrata, da zaprem priključek. Klik preklopnega stikala in utripanje LED diode na bencinski črpalki z ogromnim napisom h3 nakazujeta, da se je točenje začelo. Minuta - in rezervoar je poln, lahko greš!

Elegantne konture karoserije, izjemno nizko vzmetenje, nizkoprofilni sliki dajejo pravo dirkaško zvrst. Skozi prozoren pokrov lahko vidite zapletenost cevovodov in kablov. Nekje sem že zasledil podobno rešitev ... Aja, pri Audiju R8 se motor vidi tudi skozi zadnje steklo. Toda pri Audiju je tradicionalni bencin, ta avto pa na vodik. Kot BMW Hydrogen 7, le da za razliko od slednjega tukaj ni motorja z notranjim zgorevanjem. Edini gibljivi deli sta krmilni mehanizem in rotor elektromotorja. In energijo zanj zagotavlja gorivna celica. Ta avtomobil je izdalo singapursko podjetje Horizon Fuel Cell Technologies, ki je specializirano za razvoj in proizvodnjo gorivnih celic. Leta 2009 je britansko podjetje Riversimple že predstavilo urbani avtomobil na vodik, ki ga poganjajo gorivne celice Horizon Fuel Cell Technologies. Razvit je bil v sodelovanju z univerzama Oxford in Cranfield. Toda Horizon H-racer 2.0 je solo razvoj.

Gorivna celica je sestavljena iz dveh poroznih elektrod, prevlečenih s plastjo katalizatorja in ločenih z membrano za izmenjavo protonov. Vodik se na anodnem katalizatorju pretvori v protone in elektrone, ki preko anode in zunanjega električnega tokokroga pridejo do katode, kjer se vodik in kisik rekombinirata v vodo.

"Pojdi!" - po gagarinsko me s komolcem pocuka glavni urednik. Vendar ne tako hitro: najprej morate "segreti" gorivno celico pri delni obremenitvi. Preklopno stikalo preklopim v način "ogrevanje" ("ogrevanje") in počakam na dodeljeni čas. Nato za vsak slučaj dolijem rezervoar do konca. Zdaj pa gremo: stroj, ki gladko brenči z motorjem, se premika naprej. Dinamika je impresivna, čeprav kaj drugega pričakovati od električnega avtomobila - trenutek je konstanten pri kateri koli hitrosti. Čeprav ne za dolgo - poln rezervoar vodika zdrži le nekaj minut (Horizon obljublja, da bo v bližnji prihodnosti izdal novo različico, v kateri vodik ni shranjen kot plin pod pritiskom, ampak ga zadržuje porozen material v adsorberju) . Da, in nadzoruje se, odkrito povedano, ne zelo dobro - na daljinskem upravljalniku sta samo dva gumba. A v vsakem primeru je škoda, da je to le radijsko vodena igrača, ki nas je stala 150 dolarjev. Ne bi imeli nič proti vožnji pravega avtomobila na gorivne celice kot elektrarne.

Rezervoar, elastična gumijasta posoda znotraj togega ohišja, se pri polnjenju goriva raztegne in deluje kot črpalka za gorivo, ki "stiska" vodik v gorivno celico. Da rezervoarja ne bi "ponovno polnili", je eden od priključkov s plastično cevjo povezan z zasilnim tlačnim varnostnim ventilom.

Polnilni stolpec

Naredite sami

Horizon H-racer 2.0 prihaja kot komplet SKD (naredi sam), kupite ga lahko na primer na Amazonu. Vendar ga ni težko sestaviti - le postavite gorivno celico na mesto in jo pritrdite z vijaki, povežite cevi z rezervoarjem za vodik, gorivno celico, polnilnim vratom in zasilnim ventilom, in ostane le še, da namestite zgornji del telesa. na mestu, pri čemer ne smemo pozabiti na sprednji in zadnji odbijač. Kompletu je priložena polnilna postaja, ki prejema vodik z elektrolizo vode. Napaja se z dvema AA baterijama, če želite, da je energija popolnoma “čista” pa iz sončnih kolektorjev (tudi priloženi).

www.popmech.ru

Kako narediti gorivno celico z lastnimi rokami?

Seveda je najenostavnejša rešitev problema zagotavljanja neprekinjenega delovanja brezgorivnih sistemov nakup že pripravljenega sekundarnega vira energije na hidravlični ali kakšni drugi osnovi, vendar se v tem primeru zagotovo ne bo mogoče izogniti dodatne stroške in v tem procesu je precej težko razmisliti o kakršni koli ideji za polet ustvarjalne misli. Poleg tega izdelava gorivne celice z lastnimi rokami sploh ni tako težka, kot se morda zdi na prvi pogled, in po želji se lahko tudi najbolj neizkušen mojster spopade z nalogo. Poleg tega bo več kot prijeten bonus nizki stroški za ustvarjanje tega elementa, saj bo kljub vsem njegovim prednostim in pomembnosti popolnoma varno preživeti z razpoložljivimi improviziranimi sredstvi.

Hkrati je edini odtenek, ki ga je treba upoštevati pred dokončanjem naloge, ta, da lahko z lastnimi rokami izdelate napravo z izjemno nizko porabo energije, izvajanje naprednejših in zapletenih naprav pa je treba še vedno prepustiti usposobljenim strokovnjakom . Kar zadeva vrstni red dela in zaporedje dejanj, je treba najprej dokončati ohišje, za kar je najbolje uporabiti pleksi steklo z debelimi stenami (vsaj 5 centimetrov). Za lepljenje sten ohišja in montažo notranjih predelnih sten, za kar je najbolje uporabiti tanjše pleksi steklo (dovolj je 3 milimetre), je idealno uporabiti dvokompozitno lepilo, čeprav je ob veliki želji možno tudi kakovostno spajkanje. neodvisno z uporabo naslednjih razmerij: na 100 gramov kloroforma - 6 gramov ostružkov iz istega pleksi stekla.

V tem primeru je treba postopek izvajati izključno pod pokrovom. Da bi ohišje opremili s tako imenovanim odtočnim sistemom, je treba v njegovi sprednji steni previdno izvrtati skoznjo luknjo, katere premer bo natančno ustrezal dimenzijam gumijastega zamaška, ki služi kot nekakšno tesnilo med ohišje in stekleno odtočno cev. Kar zadeva dimenzije same cevi, je idealno, da je njena širina enaka pet ali šest milimetrov, čeprav je vse odvisno od vrste konstrukcije, ki se načrtuje. Verjetneje bo morebitne bralce tega članka nekoliko presenetila stara plinska maska, navedena na seznamu potrebnih elementov za izdelavo gorivne celice. Medtem pa je celotna korist te naprave v aktivnem oglju, ki se nahaja v predelih njegovega respiratorja, ki se lahko kasneje uporabi kot elektrode.

Ker govorimo o praškasti konsistenci, boste za izboljšanje dizajna potrebovali najlonske nogavice, iz katerih lahko preprosto naredite vrečko in vanjo položite premog, sicer se bo preprosto razlil iz luknje. Kar zadeva distribucijsko funkcijo, je gorivo koncentrirano v prvi komori, medtem ko bo kisik, potreben za normalno delovanje gorivne celice, nasprotno, krožil v zadnjem, petem predelku. Sam elektrolit, ki se nahaja med elektrodama, je treba impregnirati s posebno raztopino (bencin s parafinom v razmerju 125 do 2 mililitrov), kar je treba storiti še preden je zračni elektrolit postavljen v četrti predelek. Da bi zagotovili ustrezno prevodnost, so na premog položene bakrene plošče s predhodno spajkanimi žicami, skozi katere se bo prenašala električna energija iz elektrod.

To stopnjo načrtovanja lahko varno štejemo za končno, po kateri se končana naprava napolni, za kar je potreben elektrolit. Za pripravo je potrebno enake dele etilnega alkohola zmešati z destilirano vodo in nadaljevati s postopnim uvajanjem jedkega kalija s hitrostjo 70 gramov na kozarec tekočine. Prvi preizkus izdelane naprave je sestavljen iz hkratnega polnjenja prve (tekoče gorivo) in tretje (elektrolit iz etilnega alkohola in jedke pepelike) posode telesa iz pleksi stekla.

www.uznay-kak.ru

Vodikove gorivne celice | LAVENT

Že dolgo sem vam želel povedati o drugi smeri podjetja Alfaintek. To je razvoj, prodaja in servis vodikovih gorivnih celic. Takoj želim razložiti situacijo s temi gorivnimi celicami v Rusiji.

Zaradi precej visokih stroškov in popolne odsotnosti vodikovih postaj za polnjenje teh gorivnih celic naj ne bi bili naprodaj v Rusiji. Kljub temu so v Evropi, še posebej na Finskem, te gorivne celice vsako leto bolj priljubljene. Kaj je skrivnost? Pa poglejmo. Ta naprava je okolju prijazna, enostavna za uporabo in učinkovita. Človeku priskoči na pomoč, kjer potrebuje električno energijo. Lahko ga vzamete s seboj na pot, na pohod, uporabite na podeželju, v stanovanju kot avtonomni vir električne energije.

Elektrika v gorivni celici nastane s kemično reakcijo vodika iz jeklenke s kovinskim hidridom in kisikom iz zraka. Cilinder ni eksploziven in ga lahko leta in leta shranite v vaši omari. To je morda ena glavnih prednosti te tehnologije shranjevanja vodika. Prav shranjevanje vodika je ena glavnih težav pri razvoju vodikovega goriva. Edinstvene nove lahke gorivne celice, ki pretvorijo vodik v običajno elektriko na varen, tih način in brez emisij.

Ta vrsta električne energije se lahko uporablja tam, kjer ni centralne električne energije, ali kot vir zasilnega napajanja.

Za razliko od klasičnih baterij, ki jih je treba med polnjenjem napolniti in hkrati odklopiti od porabnika električne energije, gorivna celica deluje kot »pametna« naprava. Ta tehnologija zagotavlja neprekinjeno napajanje skozi celotno obdobje uporabe zaradi edinstvene funkcije ohranjanja moči ob menjavi rezervoarja goriva, ki uporabniku omogoča, da nikoli ne izklopi porabnika. V zaprtem ohišju lahko gorivne celice hranimo več let brez izgube vodika in zmanjšanja njihove moči.

Gorivna celica je zasnovana za znanstvenike in raziskovalce, organe pregona, reševalce, lastnike ladij in marin ter vse, ki potrebujejo zanesljiv vir energije v nujnih primerih. Dobite lahko napetost 12 voltov ali 220 voltov in takrat boste imeli dovolj energije za uporabo televizorja, stereo sistema, hladilnika, aparata za kavo, grelnika vode, sesalnika, vrtalnika, mikro štedilnika in drugih električnih naprav.

Hidrocelične gorivne celice se lahko prodajajo kot posamezna enota ali kot baterije z 2-4 celicami. Dva ali štiri elemente je mogoče kombinirati za povečanje moči ali toka.

ČAS DELOVANJA GOSPODINJSKIH APARATOV Z GORIVNIMI CELICAMI

* - neprekinjeno delo

Gorivne celice so popolnoma napolnjene na posebnih vodikovih postajah. Kaj pa, če potujete daleč stran od njih in ni možnosti za polnjenje? Posebej za takšne primere so strokovnjaki Alfaintek razvili jeklenke za shranjevanje vodika, s katerimi bodo gorivne celice delovale veliko dlje.

Izdelujeta se dve vrsti jeklenk: NS-MN200 in NS-MN1200.Sestavljena NS-MN200 je velikosti nekoliko večja od pločevinke Coca-Cole, sprejme 230 litrov vodika, kar ustreza 40Ah (12V), in tehta le 2,5 kg .Jeklenka s kovinskim hidridom NS-MH1200 drži 1200 litrov vodika, kar ustreza 220Ah (12V). Teža jeklenke je 11 kg.

Tehnika kovinskega hidrida je varen in enostaven način za shranjevanje, transport in uporabo vodika. Ko je vodik shranjen kot kovinski hidrid, je v obliki kemične spojine in ne v plinasti obliki. Ta metoda omogoča pridobitev dovolj visoke energijske gostote. Prednost uporabe kovinskega hidrida je v tem, da je tlak v jeklenki samo 2-4 bare.Jeklenka ni eksplozivna in jo lahko hranimo leta brez zmanjšanja prostornine snovi. Ker je vodik shranjen kot kovinski hidrid, je čistost vodika, pridobljenega iz jeklenke, zelo visoka, 99,999 %. Jeklenke za shranjevanje vodika v obliki kovinskega hidrida se lahko uporabljajo ne samo z gorivnimi celicami HC 100,200,400, temveč tudi v drugih primerih, kjer je potreben čisti vodik. Jeklenke je mogoče preprosto povezati z gorivno celico ali drugo napravo s priključkom za hitro povezavo in gibljivo cevjo.

Škoda, da se te gorivne celice ne prodajajo v Rusiji. Toda med našim prebivalstvom je toliko ljudi, ki jih potrebujejo. No, počakajmo in bomo videli, vi poglejte in bomo imeli. Medtem bomo kupovali varčne sijalke, ki jih vsiljuje država.

P.S. Zdi se, da je tema dokončno šla v pozabo. Toliko let po tem, ko je bil ta članek napisan, ni prišlo nič. Mogoče seveda ne iščem povsod, a tisto, kar pade v oči, ni prav nič prijetno. Tehnologija in ideja sta dobri, razvoja pa še ni.

lavent.ru

Gorivne celice so prihodnost, ki se začne danes!

Začetek 21. stoletja obravnava ekologijo kot eno najpomembnejših svetovnih nalog. In prva stvar, na katero bi morali biti pozorni v sedanjih razmerah, je iskanje in uporaba alternativnih virov energije. Prav ti so sposobni preprečiti onesnaževanje okolja okoli nas, pa tudi popolnoma opustiti nenehno naraščajoče stroške goriva na osnovi ogljikovodikov.

Že danes se uporabljajo viri energije, kot so sončne celice in vetrne turbine. Toda na žalost je njihovo pomanjkanje povezano z odvisnostjo od vremena, pa tudi od sezone in časa dneva. Zaradi tega se postopoma opušča njihova uporaba v astronavtiki, letalski in avtomobilski industriji, za stacionarno uporabo pa so opremljeni s sekundarnimi viri energije – baterijami.

Vendar pa je najboljša rešitev gorivna celica, saj ne zahteva stalnega polnjenja z energijo. To je naprava, ki je sposobna obdelave in pretvarjanja različnih vrst goriva (bencin, alkohol, vodik itd.) neposredno v električno energijo.

Gorivna celica deluje po naslednjem principu: od zunaj se dovaja gorivo, ki ga kisik oksidira, energija, ki se pri tem sprosti, pa se pretvori v električno energijo. Ta princip delovanja zagotavlja skoraj večno delovanje.

Od konca 19. stoletja so znanstveniki neposredno preučevali gorivne celice in nenehno razvijali nove modifikacije. Tako danes, odvisno od delovnih pogojev, obstajajo alkalne ali alkalne (AFC), neposredne borohidratne (DBFC), elektrogalvanske (EGFC), neposredne metanolne (DMFC), cink-zračne (ZAFC), mikrobne (MFC), znani so tudi modeli mravljinčne kisline (DFAFC) in kovinsko-hidridni (MHFC).

Ena najbolj obetavnih je vodikova gorivna celica. Uporabo vodika v elektrarnah spremlja znatno sproščanje energije, izpušni plini takšne naprave pa so čista vodna para ali pitna voda, ki ne ogroža okolja.

Uspešno testiranje tovrstnih gorivnih celic na vesoljskih plovilih je v zadnjem času vzbudilo precejšnje zanimanje proizvajalcev elektronike in različne opreme. Na primer, PolyFuel je predstavil miniaturno vodikovo gorivno celico za prenosnike. Toda previsoki stroški takšne naprave in težave pri njenem neoviranem polnjenju omejuje industrijsko proizvodnjo in široko distribucijo. Honda že več kot 10 let proizvaja tudi avtomobilske gorivne celice. Vendar ta vrsta prevoza ne gre v prodajo, ampak le za službeno uporabo zaposlenih v podjetju. Avtomobili so pod nadzorom inženirjev.

Mnogi se sprašujejo, ali je mogoče sestaviti gorivno celico z lastnimi rokami. Navsezadnje bo pomembna prednost domače naprave majhna naložba v nasprotju z industrijskim modelom. Za miniaturni model boste potrebovali 30 cm platinirane nikljane žice, majhen kos plastike ali lesa, sponko za 9-voltno baterijo in samo baterijo, prozoren lepilni trak, kozarec vode in voltmeter. Takšna naprava vam bo omogočila, da vidite in razumete bistvo dela, vendar seveda ne bo delovala za proizvodnjo električne energije za avto.

fb.ru

Vodikove gorivne celice: malo zgodovine | vodik

V našem času je problem pomanjkanja tradicionalnih energetskih virov in poslabšanja ekologije planeta kot celote zaradi njihove uporabe še posebej pereč. Zato so bila v zadnjih letih porabljena znatna finančna in intelektualna sredstva za razvoj potencialno obetavnih nadomestkov za ogljikovodikova goriva. Vodik lahko postane takšen nadomestek v zelo bližnji prihodnosti, saj njegovo uporabo v elektrarnah spremlja sproščanje velike količine energije, izpušni plini pa so vodna para, kar pomeni, da ne predstavljajo nevarnosti za okolje.

Kljub nekaterim tehničnim težavam, ki še vedno obstajajo pri uvajanju gorivnih celic na osnovi vodika, so številni proizvajalci avtomobilov cenili obljube tehnologije in že aktivno razvijajo prototipe množično proizvedenih vozil, ki lahko kot glavno gorivo uporabljajo vodik. Že leta 2011 je Daimler AG predstavil konceptualne modele Mercedes-Benz z elektrarnami na vodik. Poleg tega je korejsko podjetje Hyndayi uradno objavilo, da ne namerava več razvijati električnih avtomobilov in bo vse moči usmerilo v razvoj cenovno dostopnega avtomobila na vodik.

Čeprav ideja o uporabi vodika kot goriva za mnoge ni divja, večina ne razume, kako delujejo vodikove gorivne celice in kaj je na njih tako izjemnega.

Da bi razumeli pomen tehnologije, predlagamo, da se obrnemo na zgodovino vodikovih gorivnih celic.

Prvi, ki je opisal potencial uporabe vodika v gorivnih celicah, je bil Nemec Christian Friedrich. Leta 1838 je svoje delo objavil v znani znanstveni reviji tistega časa.

Že naslednje leto je sodnik iz Oulsa, Sir William Robert Grove, ustvaril prototip uporabne vodikove baterije. Vendar pa je bila moč naprave premajhna tudi po standardih tistega časa, tako da o njeni praktični uporabi ni bilo govora.

Kar se tiče izraza "gorivne celice", se ta dolguje znanstvenikoma Ludwigu Mondu in Charlesu Langerju, ki sta leta 1889 poskušala ustvariti gorivno celico, ki deluje na zrak in koksarni plin. Po drugih je izraz prvi uporabil William White Jaques, ki se je prvi odločil za uporabo fosforne kisline v elektrolitu.

V dvajsetih letih 20. stoletja so bile v Nemčiji izvedene številne raziskave, rezultat katerih je bilo odkritje gorivnih celic s trdnim oksidom in načinov uporabe karbonatnega cikla. Omeniti velja, da se te tehnologije v našem času učinkovito uporabljajo.

Leta 1932 je inženir Francis T. Bacon začel delati na študiji neposrednih gorivnih celic na osnovi vodika. Pred njim so znanstveniki uporabljali ustaljeno shemo - porozne platinaste elektrode so bile postavljene v žveplovo kislino. Očitna pomanjkljivost takšne sheme je predvsem v neupravičenih visokih stroških zaradi uporabe platine. Poleg tega je uporaba jedke žveplove kisline predstavljala nevarnost za zdravje in včasih življenje raziskovalcev. Bacon se je odločil optimizirati vezje in platino zamenjal z nikljem, kot elektrolit pa uporabil alkalno sestavo.

Zahvaljujoč produktivnemu delu za izboljšanje svoje tehnologije je Bacon že leta 1959 širši javnosti predstavil svojo originalno vodikovo gorivno celico, ki je proizvedla 5 kW in je lahko poganjala varilni stroj. Predstavljeno napravo je poimenoval "Bacon Cell".

Oktobra istega leta je nastal edinstven traktor, ki je deloval na vodik in je proizvedel dvajset konjskih moči.

V šestdesetih letih dvajsetega stoletja je ameriško podjetje General Electric, shemo, ki jo je razvil Bacon, izboljšalo in uporabilo za vesoljska programa Apollo in NASA Gemini. Strokovnjaki Nase so ugotovili, da je uporaba jedrskega reaktorja predraga, tehnično zahtevna in nevarna. Poleg tega je bilo treba zaradi velikih dimenzij opustiti uporabo baterij s sončnimi kolektorji. Rešitev problema so bile vodikove gorivne celice, ki so sposobne oskrbeti vesoljsko plovilo z energijo, njegovo posadko pa s čisto vodo.

Prvi avtobus, ki je kot gorivo uporabljal vodik, je bil izdelan leta 1993. In že leta 1997 so svetovne avtomobilske znamke, kot sta Toyota in Daimler Benz, predstavile prototipe osebnih avtomobilov, ki jih poganjajo vodikove gorivne celice.

Nekoliko nenavadno je, da obetavno okolju prijazno gorivo, ki so ga pred petnajstimi leti uvedli v avtomobil, še ni postalo razširjeno. Razlogov za to je veliko, med katerimi sta morda glavna politična in zahtevnost pri oblikovanju ustrezne infrastrukture. Upajmo, da bo vodik še povedal svoje in bo pomemben tekmec električnim avtomobilom.(odnaknopka)

energycraft.org

Naša materialna družba brez energije se ne more ne samo razvijati, ampak celo obstajati na splošno. Od kod prihaja energija? Do nedavnega smo ljudje za pridobivanje uporabljali le en način, borili smo se z naravo, izkopane trofeje smo sežigali v kuriščih, najprej doma, nato v parnih lokomotivah in močnih termoelektrarnah.

Na kilovatnih urah, ki jih porabi sodobni laik, ni oznak, ki bi kazale, koliko let je narava delala, da je lahko civiliziran človek užival prednosti tehnologije, in koliko let mora še delati, da ublaži škodo, ki jo povzroča jo s tako civilizacijo. Vendar pa v družbi dozoreva razumevanje, da bo iluzorne idile prej ali slej konec. Ljudje vse pogosteje izumljajo načine za zagotavljanje energije za svoje potrebe z minimalno škodo za naravo.

Vodikove gorivne celice so sveti gral čiste energije. Obdelujejo vodik, enega pogostih elementov periodnega sistema, in oddajajo le vodo, najpogostejšo snov na planetu. Rožnato sliko kvari pomanjkanje dostopa ljudi do vodika kot snovi. Veliko ga je, vendar le v vezanem stanju, in veliko težje ga je pridobiti kot črpati nafto iz nerov ali kopati premog.

Ena od možnosti čiste in okolju prijazne proizvodnje vodika so mikrobne gorivne celice (MTB), ki s pomočjo mikroorganizmov razgradijo vodo na kisik in vodik. Tudi tukaj ni vse gladko. Mikrobi odlično delajo pri proizvodnji čistega goriva, vendar za doseganje učinkovitosti, ki se zahteva v praksi, potrebuje MTB katalizator, ki pospeši eno od kemičnih reakcij procesa.

Ta katalizator je plemenita kovina platina, zaradi katere je uporaba MTB ekonomsko neupravičena in praktično nemogoča.

Znanstveniki z univerze Wisconsin-Milwaukee so našli zamenjavo za drag katalizator. Namesto platine so predlagali uporabo poceni nanopalic iz kombinacije ogljika, dušika in železa. Novi katalizator je sestavljen iz grafitnih palic z dušikom, vnesenim v površinsko plast, in jeder iz železovega karbida. Med trimesečnim testiranjem novosti je katalizator pokazal višje zmogljivosti kot pri platini. Izkazalo se je, da je delovanje nanopalic bolj stabilno in nadzorovano.

In kar je najpomembnejše, zamisel univerzitetnih znanstvenikov je veliko cenejša. Tako je strošek platinskih katalizatorjev približno 60 % stroška MTB, medtem ko je strošek nanopalic 5 % njihove trenutne cene.

Po mnenju ustvarjalca katalitičnih nanopalic, profesorja Yuhong Chena (Junhong Chen): "Gorivne celice lahko neposredno pretvorijo gorivo v elektriko. Skupaj z njimi lahko elektriko iz obnovljivih virov dostavimo tja, kjer jo potrebujemo, kar je čisto, učinkovito in trajnostno.”

Zdaj se profesor Chen in njegova ekipa raziskovalcev ukvarjajo s preučevanjem natančnih značilnosti katalizatorja. Njihov cilj je dati svojemu izumu praktičen poudarek, ga narediti primernega za množično proizvodnjo in uporabo.

Glede na Gizmag

www.facepla.net

Vodikove gorivne celice in energetski sistemi

Avto na vodni pogon lahko kmalu postane resničnost in vodikove gorivne celice bodo vgrajene v marsikaterem domu ...

Tehnologija vodikovih gorivnih celic ni nova. Začelo se je leta 1776, ko je Henry Cavendish med raztapljanjem kovin v razredčenih kislinah prvič odkril vodik. Prvo vodikovo gorivno celico je že leta 1839 izumil William Grove. Od takrat so vodikove gorivne celice postopoma izboljševali in jih zdaj vgrajujejo v vesoljske raketoplane, ki jih oskrbujejo z energijo in služijo kot vir vode. Danes je tehnologija vodikovih gorivnih celic na robu, da doseže množični trg, v avtomobilih, domovih in prenosnih napravah.

V vodikovi gorivni celici se kemična energija (v obliki vodika in kisika) pretvori neposredno (brez izgorevanja) v električno energijo. Gorivna celica je sestavljena iz katode, elektrod in anode. Vodik se dovaja na anodo, kjer se razdeli na protone in elektrone. Protoni in elektroni imajo različne poti do katode. Protoni potujejo skozi elektrodo do katode, elektroni pa potujejo okoli gorivnih celic, da pridejo do katode. To gibanje ustvarja pozneje uporabno električno energijo. Po drugi strani pa se vodikovi protoni in elektroni združijo s kisikom in tvorijo vodo.

Elektrolizerji so eden od načinov pridobivanja vodika iz vode. Postopek je v bistvu nasproten temu, kar se zgodi, ko deluje vodikova gorivna celica. Elektrolizer je sestavljen iz anode, elektrokemične celice in katode. Voda in napetost sta dovedena do anode, ki vodo razdeli na vodik in kisik. Vodik prehaja skozi elektrokemijsko celico do katode, kisik pa se dovaja neposredno na katodo. Od tam je mogoče ekstrahirati in shraniti vodik in kisik. V času, ko električna energija ni potrebna, se lahko nabrani plin črpa iz shranjevalnika in vrne skozi gorivno celico.

Ta sistem kot gorivo uporablja vodik, zato verjetno obstaja veliko mitov o njegovi varnosti. Po eksploziji Hindenburga so mnogi ljudje daleč od znanosti in celo nekateri znanstveniki začeli verjeti, da je uporaba vodika zelo nevarna. Vendar so nedavne raziskave pokazale, da je bil vzrok za to tragedijo vrsta materiala, ki je bil uporabljen pri gradnji, in ne vodik, ki je bil črpan v notranjosti. Po opravljenih testih o varnosti shranjevanja vodika je bilo ugotovljeno, da je shranjevanje vodika v gorivnih celicah varnejše od shranjevanja bencina v avtomobilskem rezervoarju za gorivo.

Koliko stanejo sodobne vodikove gorivne celice? Podjetja trenutno ponujajo sisteme vodikovega goriva za proizvodnjo energije za približno 3000 USD na kilovat. Tržne raziskave so pokazale, da bodo porabniki na množičnem energetskem trgu pripravljeni preiti na to vrsto goriva, ko bo cena padla na 1500 dolarjev na kilovat.

Vozila na vodikove gorivne celice so še vedno dražja od vozil z motorjem z notranjim zgorevanjem, vendar proizvajalci iščejo načine, kako bi ceno dvignili na primerljivo raven. Na nekaterih oddaljenih območjih, kjer ni električnih vodov, je lahko uporaba vodika kot goriva ali avtonomnega napajanja doma zdaj bolj ekonomična kot na primer gradnja infrastrukture za tradicionalne nosilce energije.

Zakaj vodikove gorivne celice še vedno niso v široki uporabi? Njihova visoka cena je trenutno glavna težava pri distribuciji vodikovih gorivnih celic. Sistemi za gorivo na vodik trenutno preprosto nimajo množičnega povpraševanja. Vendar pa znanost ne miruje in v bližnji prihodnosti lahko avto na vodi postane prava resničnost.

www.tesla-tehnika.biz

Avto na vodni pogon lahko kmalu postane resničnost in vodikove gorivne celice bodo vgrajene v marsikaterem domu ...

Vodikova tehnologija gorivne celice ni novo. Začelo se je leta 1776, ko je Henry Cavendish med raztapljanjem kovin v razredčenih kislinah prvič odkril vodik. Prvo vodikovo gorivno celico je že leta 1839 izumil William Grove. Od takrat so vodikove gorivne celice postopoma izboljševali in jih zdaj vgrajujejo v vesoljske raketoplane, ki jih oskrbujejo z energijo in služijo kot vir vode. Danes je tehnologija vodikovih gorivnih celic na robu, da doseže množični trg, v avtomobilih, domovih in prenosnih napravah.

V vodikovi gorivni celici se kemična energija (v obliki vodika in kisika) pretvori neposredno (brez izgorevanja) v električno energijo. Gorivna celica je sestavljena iz katode, elektrod in anode. Vodik se dovaja na anodo, kjer se razdeli na protone in elektrone. Protoni in elektroni imajo različne poti do katode. Protoni potujejo skozi elektrodo do katode, elektroni pa potujejo okoli gorivnih celic, da pridejo do katode. To gibanje ustvarja pozneje uporabno električno energijo. Po drugi strani pa se vodikovi protoni in elektroni združijo s kisikom in tvorijo vodo.

Elektrolizerji so eden od načinov pridobivanja vodika iz vode. Postopek je v bistvu nasproten temu, kar se zgodi, ko deluje vodikova gorivna celica. Elektrolizer je sestavljen iz anode, elektrokemične celice in katode. Voda in napetost sta dovedena do anode, ki vodo razdeli na vodik in kisik. Vodik prehaja skozi elektrokemijsko celico do katode, kisik pa se dovaja neposredno na katodo. Od tam je mogoče ekstrahirati in shraniti vodik in kisik. V času, ko električna energija ni potrebna, se lahko nabrani plin črpa iz shranjevalnika in vrne skozi gorivno celico.

Ta sistem kot gorivo uporablja vodik, zato verjetno obstaja veliko mitov o njegovi varnosti. Po eksploziji Hindenburga so mnogi ljudje daleč od znanosti in celo nekateri znanstveniki začeli verjeti, da je uporaba vodika zelo nevarna. Vendar so nedavne raziskave pokazale, da je bil vzrok za to tragedijo vrsta materiala, ki je bil uporabljen pri gradnji, in ne vodik, ki je bil črpan v notranjosti. Po testiranju varnosti shranjevanja vodika je bilo ugotovljeno, da shranjevanje vodika v gorivnih celicah je varnejše kot shranjevanje bencina v avtomobilskem rezervoarju za gorivo.

Koliko stanejo sodobne vodikove gorivne celice?? Podjetja trenutno ponujajo vodik sistemi za gorivo proizvajajo energijo po ceni približno 3000 dolarjev na kilovat. Tržne raziskave so pokazale, da bodo porabniki na množičnem energetskem trgu pripravljeni preiti na to vrsto goriva, ko bo cena padla na 1500 dolarjev na kilovat.

Vozila na vodikove gorivne celice so še vedno dražja od vozil z motorjem z notranjim zgorevanjem, vendar proizvajalci iščejo načine, kako bi ceno dvignili na primerljivo raven. Na nekaterih oddaljenih območjih, kjer ni električnih vodov, je lahko uporaba vodika kot goriva ali avtonomnega napajanja doma zdaj bolj ekonomična kot na primer gradnja infrastrukture za tradicionalne nosilce energije.

Zakaj vodikove gorivne celice še vedno niso v široki uporabi? Njihova visoka cena je trenutno glavna težava pri distribuciji vodikovih gorivnih celic. Sistemi za gorivo na vodik trenutno preprosto nimajo množičnega povpraševanja. Vendar pa znanost ne miruje in v bližnji prihodnosti lahko avto na vodi postane prava resničnost.

Izdelava, sestavljanje, testiranje in testiranje gorivnih (vodikovih) celic/celic
Proizvedeno v tovarnah v ZDA in Kanadi

Gorivne (vodikove) celice/celice

Podjetje Intech GmbH / LLC Intech GmbH je na trgu inženirskih storitev od leta 1997, uradnik za več let različne industrijske opreme, vam predstavlja različne gorivne (vodikove) celice / celice.

Gorivna celica/celica je

Prednosti gorivnih celic/celic

Gorivna celica/celica je naprava, ki z elektrokemično reakcijo učinkovito ustvarja enosmerni tok in toploto iz goriva, bogatega z vodikom.

Gorivna celica je podobna bateriji, saj s kemično reakcijo ustvarja enosmerni tok. Gorivna celica vključuje anodo, katodo in elektrolit. Vendar pa za razliko od baterij gorivne celice/celice ne morejo shranjevati električne energije, se ne praznijo in ne potrebujejo električne energije za ponovno polnjenje. Gorivne celice/celice lahko neprekinjeno proizvajajo elektriko, dokler imajo dovod goriva in zraka.

Za razliko od drugih generatorjev energije, kot so motorji z notranjim zgorevanjem ali turbine na plin, premog, olje itd., gorivne celice/celice ne zgorevajo goriva. To pomeni brez hrupnih visokotlačnih rotorjev, brez glasnega hrupa izpušnih plinov in brez vibracij. Gorivne celice/celice proizvajajo elektriko s tiho elektrokemično reakcijo. Druga lastnost gorivnih celic/celic je, da pretvorijo kemično energijo goriva neposredno v elektriko, toploto in vodo.

Gorivne celice so zelo učinkovite in ne proizvajajo velikih količin toplogrednih plinov, kot so ogljikov dioksid, metan in dušikov oksid. Edina produkta, ki nastaneta med delovanjem, sta voda v obliki pare in majhna količina ogljikovega dioksida, ki pa se sploh ne izpusti, če kot gorivo uporabljamo čisti vodik. Gorivne celice/celice sestavljajo v sklope in nato v posamezne funkcionalne module.

Zgodovina razvoja gorivne celice/celice

V 50. in 60. letih 20. stoletja je eden največjih izzivov za gorivne celice nastal zaradi potrebe ameriške Nacionalne uprave za letalstvo in vesolje (NASA) po virih energije za dolgotrajne vesoljske misije. Nasina alkalna gorivna celica/celica uporablja vodik in kisik kot gorivo, ki združuje oba v elektrokemični reakciji. Rezultat so trije stranski produkti reakcije, ki so uporabni pri vesoljskih poletih - elektrika za napajanje vesoljskega plovila, voda za pitje in hladilne sisteme ter toplota za ogrevanje astronavtov.

Odkritje gorivnih celic sega v začetek 19. stoletja. Prvi dokaz o učinku gorivnih celic je bil pridobljen leta 1838.

V poznih tridesetih letih prejšnjega stoletja so začeli delati na alkalnih gorivnih celicah in do leta 1939 je bila izdelana celica z visokotlačnimi ponikljanimi elektrodami. Med drugo svetovno vojno so bile razvite gorivne celice/celice za podmornice britanske mornarice in leta 1958 je bil uveden gorivni sklop, sestavljen iz alkalnih gorivnih celic/celic s premerom nekaj več kot 25 cm.

Zanimanje se je povečalo v 50. in 60. letih prejšnjega stoletja ter tudi v 80. letih prejšnjega stoletja, ko je industrijski svet občutil pomanjkanje kurilnega olja. V istem obdobju so tudi svetovne države postale zaskrbljene nad problemom onesnaženosti zraka in razmišljale o načinih pridobivanja okolju prijazne električne energije. Trenutno se tehnologija gorivnih celic/celic hitro razvija.

Kako delujejo gorivne celice/celice

Gorivne celice/celice ustvarjajo elektriko in toploto s stalno elektrokemično reakcijo z uporabo elektrolita, katode in anode.

Anoda in katoda sta ločeni z elektrolitom, ki prevaja protone. Ko vodik vstopi v anodo in kisik vstopi v katodo, se začne kemična reakcija, posledično elektrika, toploto in vodo.

Na anodnem katalizatorju molekularni vodik disociira in izgubi elektrone. Vodikovi ioni (protoni) se vodijo skozi elektrolit do katode, medtem ko elektroni prehajajo skozi elektrolit in prehajajo skozi zunanjo električni tokokrog, ki ustvarja enosmerni tok, ki se lahko uporablja za napajanje opreme. Na katodnem katalizatorju se molekula kisika združi z elektronom (ki se dovaja iz zunanjih komunikacij) in prihajajočim protonom ter tvori vodo, ki je edini produkt reakcije (v obliki hlapov in/ali tekočine).

Spodaj je ustrezna reakcija:

Anodna reakcija: 2H 2 => 4H+ + 4e -
Reakcija na katodi: O 2 + 4H+ + 4e - => 2H 2 O
Splošna reakcija elementa: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Vrste in vrste gorivnih celic/celic

Podobno kot obstajajo različne vrste motorjev z notranjim zgorevanjem, obstajajo tudi različne vrste gorivnih celic – izbira ustrezne vrste gorivne celice je odvisna od njene uporabe.

Gorivne celice delimo na visokotemperaturne in nizkotemperaturne. Nizkotemperaturne gorivne celice potrebujejo razmeroma čist vodik kot gorivo. To pogosto pomeni, da je za pretvorbo primarnega goriva (kot je zemeljski plin) v čisti vodik potrebna predelava goriva. Ta proces porabi dodatno energijo in zahteva posebno opremo. Visokotemperaturne gorivne celice ne potrebujejo tega dodatnega postopka, saj lahko "notranje pretvorijo" gorivo pri povišanih temperaturah, kar pomeni, da ni treba vlagati v vodikovo infrastrukturo.

Gorivne celice/celice na staljenem karbonatu (MCFC)

Gorivne celice s staljenim karbonatnim elektrolitom so visokotemperaturne gorivne celice. Visoka delovna temperatura omogoča neposredno uporabo zemeljskega plina brez procesorja goriva in kurilnega plina z nizko kalorična vrednost goriva proizvodnih procesov in iz drugih virov.

Delovanje RCFC je drugačno od drugih gorivnih celic. Te celice uporabljajo elektrolit iz mešanice staljenih karbonatnih soli. Trenutno se uporabljata dve vrsti mešanic: litijev karbonat in kalijev karbonat ali litijev karbonat in natrijev karbonat. Za taljenje karbonatnih soli in doseganje visoke stopnje mobilnosti ionov v elektrolitu delujejo gorivne celice s staljenim karbonatnim elektrolitom pri visokih temperaturah (650°C). Učinkovitost se giblje med 60-80%.

Pri segrevanju na temperaturo 650°C postanejo soli prevodnik za karbonatne ione (CO 3 2-). Ti ioni prehajajo s katode na anodo, kjer se združijo z vodikom in tvorijo vodo, ogljikov dioksid in proste elektrone. Ti elektroni se pošljejo skozi zunanje električno vezje nazaj na katodo, pri čemer se kot stranski produkt ustvari električni tok in toplota.

Anodna reakcija: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Reakcija na katodi: CO 2 + 1/2O 2 + 2e - => CO 3 2-
Splošna reakcija elementa: H 2 (g) + 1/2O 2 (g) + CO 2 (katoda) => H 2 O (g) + CO 2 (anoda)

Visoke delovne temperature gorivnih celic s staljenim karbonatnim elektrolitom imajo določene prednosti. Pri visokih temperaturah pride do notranjega reformiranja zemeljski plin, kar odpravlja potrebo po procesorju goriva. Poleg tega prednosti vključujejo možnost uporabe standardnih konstrukcijskih materialov, kot sta pločevina iz nerjavečega jekla in katalizator iz niklja na elektrodah. Odpadno toploto je mogoče uporabiti za proizvodnjo visokotlačne pare za različne industrijske in komercialne namene.

Tudi visoke reakcijske temperature v elektrolitu imajo svoje prednosti. Uporaba visokih temperatur traja dolgo časa, da se dosežejo optimalni pogoji delovanja, sistem pa se počasneje odziva na spremembe v porabi energije. Te lastnosti omogočajo uporabo sistemov gorivnih celic s staljenim karbonatnim elektrolitom v pogojih konstantne moči. Visoke temperature preprečujejo poškodbe gorivne celice zaradi ogljikovega monoksida.

Gorivne celice iz staljenega karbonata so primerne za uporabo v velikih stacionarnih napravah. Termoelektrarne z izhodno električno močjo 3,0 MW so industrijsko proizvedene. Razvijajo se naprave z izhodno močjo do 110 MW.

Gorivne celice/celice na osnovi fosforne kisline (PFC)

Gorivne celice na osnovi fosforne (ortofosforne) kisline so bile prve gorivne celice za komercialno uporabo.

Gorivne celice na osnovi fosforne (ortofosforne) kisline uporabljajo elektrolit na osnovi ortofosforne kisline (H 3 PO 4) s koncentracijo do 100 %. Ionska prevodnost fosforne kisline je nizka pri nizkih temperaturah, zato se te gorivne celice uporabljajo pri temperaturah do 150–220 °C.

Nosilec naboja v tovrstnih gorivnih celicah je vodik (H+, proton). Podoben proces poteka v gorivnih celicah z membrano za izmenjavo protonov, v katerih se vodik, doveden na anodo, razdeli na protone in elektrone. Protoni prehajajo skozi elektrolit in se združijo s kisikom iz zraka na katodi, da tvorijo vodo. Elektroni so usmerjeni vzdolž zunanjega električnega tokokroga in nastane električni tok. Spodaj so reakcije, ki ustvarjajo elektriko in toploto.

Reakcija na anodi: 2H 2 => 4H + + 4e -
Reakcija na katodi: O 2 (g) + 4H + + 4e - \u003d\u003e 2 H 2 O
Splošna reakcija elementa: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Izkoristek gorivnih celic na osnovi fosforne (ortofosforne) kisline je pri pridobivanju električne energije več kot 40 %. Pri kombinirani proizvodnji toplote in električne energije je skupni izkoristek približno 85 %. Poleg tega se lahko pri določenih delovnih temperaturah odpadna toplota uporabi za ogrevanje vode in ustvarjanje pare pri atmosferskem tlaku.

Visoka zmogljivost termoelektrarn na gorivne celice na osnovi fosforne (ortofosforne) kisline pri soproizvodnji toplote in električne energije je ena od prednosti tovrstnih gorivnih celic. Rastline uporabljajo ogljikov monoksid v koncentraciji približno 1,5%, kar močno razširi izbiro goriva. Poleg tega CO 2 ne vpliva na elektrolit in delovanje gorivne celice, ta vrsta celice deluje na reformirano naravno gorivo. Enostavna konstrukcija, nizka hlapnost elektrolita in povečana stabilnost so tudi prednosti te vrste gorivnih celic.

Industrijsko se proizvajajo termoelektrarne z izhodno električno močjo do 500 kW. Naprave za 11 MW so opravile ustrezne teste. Razvijajo se naprave z izhodno močjo do 100 MW.

Trdne oksidne gorivne celice/celice (SOFC)

Gorivne celice s trdnim oksidom so gorivne celice z najvišjo delovno temperaturo. Delovna temperatura se lahko spreminja od 600°C do 1000°C, kar omogoča uporabo različnih vrst goriva brez posebne predpriprave. Za obvladovanje teh visokih temperatur je uporabljeni elektrolit tanek trden kovinski oksid na osnovi keramike, pogosto zlitina itrija in cirkonija, ki je prevodnik kisikovih (O 2-) ionov.

Trdni elektrolit zagotavlja hermetični prehod plina iz ene elektrode v drugo, medtem ko se tekoči elektroliti nahajajo v poroznem substratu. Nosilec naboja v tovrstnih gorivnih celicah je kisikov ion (O 2-). Na katodi se molekule kisika ločijo od zraka na kisikov ion in štiri elektrone. Kisikovi ioni prehajajo skozi elektrolit in se združijo z vodikom, da tvorijo štiri proste elektrone. Elektroni so usmerjeni skozi zunanji električni tokokrog, ki ustvarja električni tok in odpadno toploto.

Reakcija na anodi: 2H 2 + 2O 2- => 2H 2 O + 4e -
Reakcija na katodi: O 2 + 4e - \u003d\u003e 2O 2-
Splošna reakcija elementa: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Izkoristek proizvedene električne energije je najvišji od vseh gorivnih celic - okoli 60-70%. Visoke delovne temperature omogočajo kombinirano proizvodnjo toplote in električne energije za ustvarjanje visokotlačne pare. Kombinacija visokotemperaturne gorivne celice in turbine ustvari hibridno gorivno celico za povečanje učinkovitosti proizvodnje električne energije do 75 %.

Gorivne celice s trdnim oksidom delujejo pri zelo visokih temperaturah (600°C-1000°C), kar povzroči dolgotrajno doseganje optimalnih delovnih pogojev, sistem pa se počasneje odziva na spremembe porabe energije. Pri tako visokih delovnih temperaturah ni potreben pretvornik za pridobivanje vodika iz goriva, kar omogoča termoelektrarni, da deluje z relativno nečistimi gorivi iz uplinjanja premoga ali odpadnih plinov ipd. Poleg tega je ta gorivna celica odlična za aplikacije z visoko močjo, vključno z industrijskimi in velikimi centralnimi elektrarnami. Industrijsko izdelani moduli z izhodno električno močjo 100 kW.

Gorivne celice/celice z direktno oksidacijo metanola (DOMTE)

Tehnologija uporabe gorivnih celic z neposredno oksidacijo metanola je v obdobju aktivnega razvoja. Uspešno se je uveljavil na področju napajanja mobilnih telefonov, prenosnih računalnikov, kot tudi za izdelavo prenosnih napajalnikov. čemu je namenjena prihodnja uporaba teh elementov.

Zgradba gorivnih celic z direktno oksidacijo metanola je podobna gorivnim celicam z membrano za izmenjavo protonov (MOFEC), t.j. kot elektrolit se uporablja polimer, kot nosilec naboja pa vodikov ion (proton). Toda tekoči metanol (CH 3 OH) oksidira v prisotnosti vode na anodi, pri čemer se sproščajo CO 2 , vodikovi ioni in elektroni, ki se vodijo skozi zunanji električni tokokrog, in nastane električni tok. Vodikovi ioni prehajajo skozi elektrolit in reagirajo s kisikom iz zraka ter elektroni iz zunanjega tokokroga, da tvorijo vodo na anodi.

Reakcija na anodi: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Reakcija na katodi: 3/2O 2 + 6 H + + 6e - => 3H 2 O
Splošna reakcija elementa: CH 3 OH + 3/2O 2 => CO 2 + 2H 2 O

Prednost te vrste gorivnih celic je njihova majhnost zaradi uporabe tekočega goriva in odsotnost potrebe po uporabi pretvornika.

Alkalne gorivne celice/celice (AFC)

Alkalne gorivne celice so eden najučinkovitejših elementov, ki se uporabljajo za proizvodnjo električne energije, saj izkoristek proizvodnje električne energije doseže do 70 %.

Alkalne gorivne celice uporabljajo elektrolit, to je vodno raztopino kalijevega hidroksida, ki je v porozni, stabilizirani matriki. Koncentracija kalijevega hidroksida se lahko spreminja glede na delovno temperaturo gorivne celice, ki sega od 65°C do 220°C. Nosilec naboja v SFC je hidroksidni ion (OH-), ki se premika od katode do anode, kjer reagira z vodikom, da proizvede vodo in elektrone. Voda, proizvedena na anodi, se premakne nazaj na katodo in tam ponovno ustvari hidroksidne ione. Kot rezultat tega niza reakcij, ki potekajo v gorivni celici, se proizvaja elektrika in kot stranski produkt toplota:

Reakcija na anodi: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reakcija na katodi: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4 OH -
Splošna reakcija sistema: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Prednost SFC-jev je, da so te gorivne celice najcenejše za proizvodnjo, saj je katalizator, potreben na elektrodah, lahko katera koli snov, ki je cenejša od tistih, ki se uporabljajo kot katalizatorji za druge gorivne celice. SCFC-ji delujejo pri razmeroma nizkih temperaturah in so med najučinkovitejšimi gorivnimi celicami - takšne lastnosti lahko prispevajo k hitrejši proizvodnji energije in visoki učinkovitosti goriva.

Ena od značilnih lastnosti SHTE je njegova visoka občutljivost na CO 2 , ki ga lahko vsebujeta gorivo ali zrak. CO 2 reagira z elektrolitom, ga hitro zastrupi in močno zmanjša učinkovitost gorivne celice. Zato je uporaba SFC omejena na zaprte prostore, kot so vesoljska in podvodna vozila, delovati morajo na čisti vodik in kisik. Poleg tega so molekule, kot so CO, H 2 O in CH4, ki so varne za druge gorivne celice in celo gorivo za nekatere od njih, škodljive za SFC.

Gorivne celice/celice s polimernim elektrolitom (PETE)

V primeru gorivnih celic s polimernim elektrolitom je polimerna membrana sestavljena iz polimernih vlaken z vodnimi območji, v katerih poteka prevajanje vodnih ionov (H 2 O + (proton, rdeč) vezan na molekulo vode). Molekule vode predstavljajo problem zaradi počasne izmenjave ionov. Zato je potrebna visoka koncentracija vode tako v gorivu kot na izpušnih elektrodah, kar omejuje delovno temperaturo na 100°C.

Trdnokislinske gorivne celice/celice (SCFC)

V trdnih kislinskih gorivnih celicah elektrolit (CsHSO 4 ) ne vsebuje vode. Delovna temperatura je torej 100-300°C. Vrtenje anionov SO 4 2-oksi omogoča protonom (rdeče), da se premikajo, kot je prikazano na sliki. Običajno je trdna kislinska gorivna celica sendvič, v katerem je zelo tanka plast trdne kislinske spojine stisnjena med dve tesno stisnjeni elektrodi, da se zagotovi dober stik. Pri segrevanju organska komponenta izhlapi in zapusti skozi pore v elektrodah, pri čemer ohrani sposobnost številnih stikov med gorivom (ali kisikom na drugem koncu celice), elektrolitom in elektrodami.

Inovativne energetsko varčne komunalne toplotne in elektrarne so običajno zgrajene na gorivnih celicah s trdnim oksidom (SOFC), gorivnih celicah s polimernim elektrolitom (PEFC), gorivnih celicah s fosforno kislino (PCFC), gorivnih celicah s protonsko izmenjevalno membrano (MPFC) in alkalnih gorivnih celicah ( APFC). Običajno imajo naslednje značilnosti:

Kot najprimernejše je treba priznati trdne oksidne gorivne celice (SOFC), ki:

• delujejo pri višji temperaturi, kar zmanjša potrebo po dragih plemenitih kovinah (kot je platina)
• lahko dela za različne vrste ogljikovodikova goriva, predvsem zemeljski plin
• imajo daljši zagonski čas in so zato bolj primerni za dolgotrajno delovanje
• izkazuje visoko učinkovitost proizvodnje električne energije (do 70%)
• zaradi visokih delovnih temperatur je enote mogoče kombinirati s sistemi za rekuperacijo toplote, s čimer dosežemo skupno učinkovitost sistema do 85 %
• imajo skoraj ničelne emisije, delujejo tiho in imajo nizke obratovalne zahteve v primerjavi z obstoječimi tehnologijami za proizvodnjo električne energije

Ker se male termoelektrarne lahko priključijo na klasično plinovodno omrežje, gorivne celice ne potrebujejo ločen sistem dobava vodika. Pri uporabi malih termoelektrarn, ki temeljijo na trdnih oksidnih gorivnih celicah, se lahko proizvedena toplota integrira v toplotne izmenjevalnike za ogrevanje vode in prezračevalni zrak, kar poveča splošno učinkovitost sistema. Ta inovativna tehnologija je najbolj primerna za učinkovito proizvodnjo električne energije brez potrebe po dragi infrastrukturi in kompleksni integraciji instrumentov.

Aplikacije gorivne celice/celice

Uporaba gorivnih celic/celic v telekomunikacijskih sistemih

S hitrim širjenjem brezžičnih komunikacijskih sistemov po vsem svetu ter naraščajočimi družbenimi in gospodarskimi koristmi tehnologije mobilnih telefonov je potreba po zanesljivem in stroškovno učinkovitem rezervnem napajanju postala kritična. Izgube v omrežju skozi vse leto zaradi slabega vremena, naravnih nesreč ali omejene zmogljivosti omrežja so stalni izziv za upravljavce omrežij.

Tradicionalne telekomunikacijske rešitve za rezervno napajanje vključujejo baterije (ventilsko regulirane svinčeno-kislinske baterijske celice) za kratkoročno rezervno napajanje ter dizelske in propanske generatorje za daljše rezervno napajanje. Baterije so razmeroma poceni vir rezervne energije za 1 do 2 uri. Vendar pa baterije niso primerne za daljša rezervna obdobja, ker jih je drago vzdrževati, po dolgotrajni uporabi postanejo nezanesljive, so občutljive na temperature in po odstranitvi nevarne za okolje. Dizelski in propanski generatorji lahko zagotovijo stalno rezervno napajanje. Vendar pa so lahko generatorji nezanesljivi, zahtevajo obsežno vzdrževanje in v ozračje sproščajo visoke ravni onesnaževal in toplogrednih plinov.

Da bi odpravili omejitve tradicionalnih rešitev za rezervno napajanje, je bila razvita inovativna zelena tehnologija gorivnih celic. Gorivne celice so zanesljive, tihe, vsebujejo manj gibljivih delov kot generator, imajo širši temperaturni razpon delovanja kot baterija od -40°C do +50°C in posledično zagotavljajo izjemno visoke stopnje prihranka energije. Poleg tega je življenjska doba takšne naprave nižja od cene generatorja. Nižji stroški gorivnih celic so rezultat le enega obiska vzdrževanja na leto in znatno višje produktivnosti naprave. Konec koncev je gorivna celica okolju prijazna tehnološka rešitev z minimalnim vplivom na okolje.

Enote gorivnih celic zagotavljajo rezervno napajanje za kritične komunikacijske omrežne infrastrukture za brezžične, stalne in širokopasovne komunikacije v telekomunikacijskem sistemu, v razponu od 250 W do 15 kW, ponujajo številne neprimerljive inovativne funkcije:

• ZANESLJIVOST– Malo gibljivih delov in brez praznjenja v stanju pripravljenosti
• VARČEVANJE Z ENERGIJO
• TIŠINA– nizka raven hrupa
• STABILNOST– območje delovanja od -40°C do +50°C
• PRILAGODLJIVOST– zunanja in notranja montaža (posoda/zaščitna posoda)
• VISOKA MOČ– do 15 kW
• MALI VZDRŽEVANJE– minimalno letno vzdrževanje
• GOSPODARNOST- privlačni skupni stroški lastništva
• ČISTA ENERGIJA– nizke emisije z minimalnim vplivom na okolje

Sistem ves čas zaznava napetost vodila enosmernega toka in gladko sprejema kritične obremenitve, če napetost vodila enosmernega toka pade pod uporabniško določeno nastavljeno točko. Sistem deluje na vodik, ki vstopi v sklad gorivnih celic na enega od dveh načinov – bodisi iz komercialnega vira vodika ali iz tekočega goriva metanola in vode, z uporabo vgrajenega reformerskega sistema.

Elektriko proizvaja sklop gorivnih celic v obliki enosmernega toka. Enosmerna moč se pošlje v pretvornik, ki pretvori neregulirano enosmerno moč iz sklada gorivnih celic v visokokakovostno regulirano enosmerno moč za zahtevana bremena. Namestitev gorivnih celic lahko zagotavlja rezervno energijo za več dni, saj je trajanje omejeno le s količino goriva vodika ali metanola/vode, ki je na voljo na zalogi.

Gorivne celice ponujajo vrhunsko energijsko učinkovitost, povečano zanesljivost sistema, bolj predvidljivo delovanje v širokem razponu podnebja in zanesljivo življenjsko dobo v primerjavi s standardnimi industrijskimi ventilsko reguliranimi svinčevimi akumulatorji. Stroški življenjskega cikla so prav tako nižji zaradi bistveno manj zahtev po vzdrževanju in zamenjavi. Gorivne celice nudijo končnemu uporabniku okoljske koristi, saj so stroški odstranjevanja in tveganja odgovornosti, povezana s svinčeno kislinskimi celicami, vedno bolj zaskrbljujoča.

Na zmogljivost električnih baterij lahko negativno vpliva širok razpon dejavnikov, kot so raven napolnjenosti, temperatura, cikli, življenjska doba in druge spremenljivke. Zagotovljena energija se bo razlikovala glede na te dejavnike in je ni enostavno predvideti. Na delovanje gorivne celice z membrano za izmenjavo protonov (PEMFC) ti dejavniki relativno ne vplivajo in lahko zagotavlja kritično moč, dokler je gorivo na voljo. Povečana predvidljivost je pomembna prednost pri prehodu na gorivne celice za kritične aplikacije rezervnega napajanja.

Gorivne celice proizvajajo energijo samo ob dovajanju goriva, kot generator plinske turbine, vendar nimajo gibljivih delov v območju proizvodnje. Zato za razliko od generatorja niso podvrženi hitri obrabi in ne potrebujejo stalnega vzdrževanja in mazanja.

Gorivo, ki se uporablja za pogon pretvornika goriva s podaljšanim trajanjem, je mešanica metanola in vode. Metanol je široko dostopno komercialno gorivo, ki se trenutno uporablja na številne načine, vključno s pranjem vetrobranskega stekla, plastičnimi steklenicami, dodatki za motorje in emulzijskimi barvami. Metanol je enostaven za transport, meša se z vodo, je dobro biorazgradljiv in ne vsebuje žvepla. Ima nizko zmrzišče (-71°C) in se med dolgim ​​skladiščenjem ne razgradi.

Uporaba gorivnih celic/celic v komunikacijskih omrežjih

Varnostna omrežja zahtevajo zanesljive rešitve za rezervno napajanje, ki lahko v nujnih primerih trajajo več ur ali dni, če električno omrežje postane nedosegljivo.

Z malo gibljivimi deli in brez zmanjšanja moči v stanju pripravljenosti ponuja inovativna tehnologija gorivnih celic privlačno rešitev v primerjavi s trenutno razpoložljivimi sistemi rezervnega napajanja.

Najbolj prepričljiv razlog za uporabo tehnologije gorivnih celic v komunikacijskih omrežjih je večja splošna zanesljivost in varnost. Med dogodki, kot so izpadi električne energije, potresi, nevihte in orkani, je pomembno, da sistemi še naprej delujejo in imajo zanesljivo rezervno napajanje za daljše časovno obdobje, ne glede na temperaturo ali starost rezervnega napajalnega sistema.

Paleta napajalnikov z gorivnimi celicami je idealna za podporo varnih komunikacijskih omrežij. Zahvaljujoč svojim načelom varčevanja z energijo zagotavljajo okolju prijazno, zanesljivo rezervno napajanje s podaljšanim trajanjem (do nekaj dni) za uporabo v območju moči od 250 W do 15 kW.

Uporaba gorivnih celic/celic v podatkovnih omrežjih

Zanesljivo napajanje podatkovnih omrežij, kot so hitra podatkovna omrežja in hrbtenice iz optičnih vlaken, je ključnega pomena po vsem svetu. Informacije, ki se prenašajo prek takih omrežij, vsebujejo ključne podatke za institucije, kot so banke, letalske družbe ali zdravstveni centri. Izpad električne energije v takšnih omrežjih ne predstavlja le nevarnosti za posredovane informacije, ampak praviloma vodi tudi do znatnih finančnih izgub. Zanesljive, inovativne instalacije gorivnih celic, ki zagotavljajo napajanje v stanju pripravljenosti, zagotavljajo zanesljivost, ki jo potrebujete za zagotavljanje neprekinjenega napajanja.

Enote gorivnih celic, ki delujejo na mešanico tekočega goriva metanola in vode, zagotavljajo zanesljivo rezervno napajanje s podaljšanim trajanjem, do nekaj dni. Poleg tega imajo te enote bistveno manjše zahteve glede vzdrževanja v primerjavi z generatorji in baterijami, saj zahtevajo samo en vzdrževalni obisk na leto.

Tipične značilnosti uporabe za uporabo instalacij gorivnih celic v podatkovnih omrežjih:

• Aplikacije z vhodno močjo od 100 W do 15 kW
• Aplikacije z zahtevano življenjsko dobo baterije > 4 ure
• Repetitorji v sistemih z optičnimi vlakni (hierarhija sinhronih digitalnih sistemov, hitri internet, govor preko IP…)
• Omrežna vozlišča za hitri prenos podatkov
• Prenosna vozlišča WiMAX

Inštalacije v pripravljenosti na gorivne celice nudijo številne prednosti za kritične podatkovne omrežne infrastrukture v primerjavi s tradicionalnimi baterijskimi ali dizelskimi generatorji, kar omogoča povečano uporabo na kraju samem:

1. Tehnologija tekočega goriva rešuje problem shranjevanja vodika in zagotavlja skoraj neomejeno rezervno moč.
2. Zaradi tihega delovanja, majhne teže, odpornosti na ekstremne temperature in delovanja skoraj brez tresljajev se gorivne celice lahko namestijo na prostem, v industrijskih prostorih/zabojnikih ali na strehah.
3. Priprave na lokaciji za uporabo sistema so hitre in ekonomične, stroški delovanja pa nizki.
4. Gorivo je biorazgradljivo in predstavlja okolju prijazno rešitev za urbano okolje.

Uporaba gorivnih celic/celic v varnostnih sistemih

Najbolj skrbno zasnovani varnostni in komunikacijski sistemi zgradb so zanesljivi le toliko, kolikor je zanesljiva moč, ki jih napaja. Čeprav večina sistemov vključuje neko vrsto rezervnega neprekinjenega napajalnega sistema za kratkoročne izgube električne energije, ne zagotavljajo daljših izpadov električne energije, do katerih lahko pride po naravnih nesrečah ali terorističnih napadih. To bi lahko bilo kritično vprašanje za številna podjetja in vladne agencije.

Vitalni sistemi, kot so nadzorni sistemi CCTV in sistemi za nadzor dostopa (bralniki osebnih izkaznic, naprave za zapiranje vrat, tehnologija biometrične identifikacije itd.), avtomatski požarni alarmni sistemi in sistemi za gašenje požara, sistemi za nadzor dvigal in telekomunikacijska omrežja, so ogroženi, če ni zanesljiv alternativni vir neprekinjenega napajanja.

Dizelski generatorji so hrupni, težko jih je locirati in so znani po svoji zanesljivosti in vzdrževanje. Nasprotno pa je rezervna instalacija na gorivne celice tiha, zanesljiva, ima nič ali zelo nizke emisije in jo je enostavno namestiti na streho ali zunaj stavbe. V stanju pripravljenosti se ne izprazni ali izgubi moči. Zagotavlja neprekinjeno delovanje kritičnih sistemov, tudi po tem, ko ustanova preneha delovati in stavbo zapustijo ljudje.

Inovativne instalacije gorivnih celic ščitijo drage naložbe v kritične aplikacije. Zagotavljajo okolju prijazno, zanesljivo rezervno napajanje s podaljšanim trajanjem (do več dni) za uporabo v razponu moči od 250 W do 15 kW, v kombinaciji s številnimi neprekosljivimi funkcijami in predvsem z visoko stopnjo varčevanja z energijo.

Rezervne enote za napajanje z gorivnimi celicami ponujajo številne prednosti za kritične aplikacije, kot so varnost in sistemi za upravljanje stavb, pred tradicionalnimi baterijskimi ali dizelskimi generatorji. Tehnologija tekočega goriva rešuje problem shranjevanja vodika in zagotavlja skoraj neomejeno rezervno moč.

Uporaba gorivnih celic/celic pri ogrevanju gospodinjstev in proizvodnji električne energije

Gorivne celice s trdnim oksidom (SOFC) se uporabljajo za gradnjo zanesljivih, energetsko učinkovitih termoelektrarn brez emisij za proizvodnjo električne energije in toplote iz široko dostopnega zemeljskega plina in obnovljivih virov goriva. Te inovativne enote se uporabljajo na najrazličnejših trgih, od domače proizvodnje električne energije do oskrbe oddaljenih območij, kot tudi pomožnih virov energije.

Te energijsko varčne enote proizvajajo toploto za ogrevanje prostorov in toplo vodo ter električno energijo, ki jo je mogoče uporabiti v domu in vrniti nazaj v električno omrežje. Porazdeljeni viri za proizvodnjo električne energije lahko vključujejo fotovoltaične (sončne) celice in mikro vetrne turbine. Te tehnologije so vidne in splošno poznane, vendar je njihovo delovanje odvisno od vremenskih razmer in ne morejo konstantno proizvajati električne energije vse leto. Termoelektrarne se lahko razlikujejo po moči od manj kot 1 kW do 6 MW in več.

Uporaba gorivnih celic/celic v distribucijskih omrežjih

Male termoelektrarne so zasnovane tako, da delujejo v razpršenem omrežju za proizvodnjo električne energije, ki ga sestavlja veliko število majhnih agregatov namesto ene centralizirane elektrarne.

Spodnja slika prikazuje izgubo učinkovitosti proizvodnje električne energije, ko jo proizvaja SPTE in prenaša v domove prek tradicionalnih prenosnih omrežij, ki so trenutno v uporabi. Izgube učinkovitosti pri daljinski proizvodnji vključujejo izgube iz elektrarne, nizko- in visokonapetostnega prenosa ter izgube pri distribuciji.

Slika prikazuje rezultate integracije malih termoelektrarn: električna energija se proizvaja z do 60-odstotnim proizvodnim izkoristkom na mestu uporabe. Poleg tega lahko gospodinjstvo uporablja toploto, ki jo ustvarijo gorivne celice, za ogrevanje vode in prostorov, kar poveča splošno učinkovitost predelave energije goriva in izboljša prihranek energije.

Uporaba gorivnih celic za varstvo okolja - izkoriščanje povezanega naftnega plina

Ena najpomembnejših nalog v naftni industriji je izraba pripadajočega naftnega plina. Obstoječi načini izkoriščanja pripadajočega naftnega plina imajo veliko slabosti, med katerimi je predvsem ekonomsko neupravičenost. Povezani naftni plin se sežiga, kar povzroča veliko škodo okolju in zdravju ljudi.

Inovativne toplotne in elektrarne na gorivne celice, ki kot gorivo uporabljajo pripadajoči naftni plin, odpirajo pot radikalni in stroškovno učinkoviti rešitvi problemov izrabe povezanega naftnega plina.

1. Ena od glavnih prednosti naprav z gorivnimi celicami je, da lahko delujejo zanesljivo in trajnostno na spremenljivo sestavo povezanega naftnega plina. Zaradi brezplamenske kemične reakcije, ki je osnova za delovanje gorivne celice, zmanjšanje odstotka, na primer metana, povzroči le ustrezno zmanjšanje izhodne moči.
2. Fleksibilnost glede na električno obremenitev porabnikov, diferencialno, udarno breme.
3. Za postavitev in priključitev termoelektrarn na gorivne celice njihova izvedba ne zahteva kapitalskih izdatkov, saj Enote se enostavno namestijo na nepripravljena mesta v bližini polj, so enostavne za uporabo, zanesljive in učinkovite.
4. Visoka avtomatizacija in sodoben daljinski nadzor ne zahtevata stalne prisotnosti osebja v obratu.
5. Preprostost in tehnična dovršenost zasnove: odsotnost gibljivih delov, trenja, mazalnih sistemov zagotavlja pomembne gospodarske koristi od delovanja naprav gorivnih celic.
6. Poraba vode: pri temperaturah okolja do +30 °C ni, pri višjih pa zanemarljiva.
7. Odvod vode: brez.
8. Poleg tega termoelektrarne na gorivne celice ne povzročajo hrupa, ne vibrirajo,

Gorivne celice so način za elektrokemično pretvorbo energije vodikovega goriva v električno energijo, edini stranski produkt tega procesa pa je voda.

Vodikovo gorivo, ki se trenutno uporablja v gorivnih celicah, običajno izhaja iz parne reformacije metana (tj. pretvorbe ogljikovodikov s paro in toploto v metan), čeprav bi lahko bil pristop bolj okolju prijazen, kot je elektroliza vode z uporabo sončne energije.

Glavne komponente gorivne celice so:

• anoda, v kateri je vodik oksidiran;
• katoda, kjer se zmanjša kisik;
• polimerna elektrolitna membrana, skozi katero se prenašajo protoni ali hidroksidni ioni (odvisno od medija) - ne prepušča vodika in kisika;
• pretočna polja kisika in vodika, ki so odgovorna za dostavo teh plinov do elektrode.

Za napajanje na primer avtomobila je več gorivnih celic sestavljenih v baterijo, količina energije, ki jo dovaja ta baterija, pa je odvisna od skupne površine elektrod in števila celic v njej. Energija v gorivni celici nastaja na naslednji način: vodik se oksidira na anodi, elektroni iz njega pa se pošljejo na katodo, kjer se kisik reducira. Elektroni, pridobljeni z oksidacijo vodika na anodi, imajo večji kemijski potencial kot elektroni, ki reducirajo kisik na katodi. Ta razlika med kemijskimi potenciali elektronov omogoča pridobivanje energije iz gorivnih celic.

Zgodovina ustvarjanja

Zgodovina gorivnih celic sega v trideseta leta prejšnjega stoletja, ko je prvo vodikovo gorivno celico oblikoval William R. Grove. Ta celica je kot elektrolit uporabljala žveplovo kislino. Grove je poskušal nanesti baker iz vodne raztopine bakrovega sulfata na železno površino. Opazil je, da voda pod delovanjem elektronskega toka razpade na vodik in kisik. Po tem odkritju sta Grove in Christian Schoenbein, kemik z univerze v Baslu (Švica), ki je delal vzporedno z njim, leta 1839 sočasno dokazala možnost pridobivanja energije v vodikovo-kisikovi gorivni celici z uporabo kislega elektrolita. Ti zgodnji poskusi, čeprav precej primitivni, so pritegnili pozornost več njihovih sodobnikov, vključno z Michaelom Faradayem.

Raziskave gorivnih celic so se nadaljevale in v tridesetih letih prejšnjega stoletja je F.T. Bacon je predstavil novo komponento alkalne gorivne celice (ena od vrst gorivnih celic) - ionsko izmenjevalno membrano za lažji transport hidroksidnih ionov.

Eden najbolj znanih zgodovinskih primerov uporabe alkalnih gorivnih celic je njihova uporaba kot glavni vir energije med poleti v vesolje v programu Apollo.

Nasa jih je izbrala zaradi njihove vzdržljivosti in tehnične stabilnosti. Uporabili so hidroksidno prevodno membrano, ki je bila po učinkovitosti boljša od svoje sestre za izmenjavo protonov.

Skoraj dve stoletji od izdelave prvega prototipa gorivnih celic je bilo vloženega veliko dela za njihovo izboljšavo. Na splošno je končna energija, pridobljena iz gorivne celice, odvisna od kinetike redoks reakcije, notranjega upora celice in prenosa mase reagirajočih plinov in ionov na katalitično aktivne komponente. Z leti je bilo narejenih veliko izboljšav prvotne ideje, kot so:

1) zamenjava platinastih žic z elektrodami na osnovi ogljika z nanodelci platine; 2) izum membran z visoko prevodnostjo in selektivnostjo, kot je Nafion, za lažji transport ionov; 3) kombiniranje katalitičnega sloja, na primer nanodelcev platine, porazdeljenih po ogljikovi osnovi, z ionsko izmenjevalnimi membranami, kar ima za posledico enoto membrana-elektroda z minimalnim notranjim uporom; 4) uporaba in optimizacija pretočnih polj za dovajanje vodika in kisika na katalitsko površino, namesto neposrednega redčenja v raztopini.

Te in druge izboljšave so na koncu privedle do tehnologije, ki je bila dovolj učinkovita za uporabo v vozilih, kot je Toyota Mirai.

Gorivne celice z membranami za izmenjavo hidroksida

Univerza v Delawareu izvaja raziskave o razvoju gorivnih celic z membranami za izmenjavo hidroksida – HEMFC (hydroxide exchange membrane fuel cell). Gorivne celice z membranami za izmenjavo hidroksidov namesto membran za izmenjavo protonov - PEMFC (gorivne celice z membrano za izmenjavo protonov) - se manj soočajo z eno od velikih težav PEMFC - problemom stabilnosti katalizatorja, saj je veliko več katalizatorjev iz navadnih kovin stabilnih v alkalnem okolju kot v kislem. Stabilnost katalizatorjev v alkalnih raztopinah je večja zaradi dejstva, da se pri raztapljanju kovin sprosti več energije pri nizkem pH kot pri visokem pH. Največ dela v tem laboratoriju je posvečenega tudi razvoju novih anodnih in katodnih katalizatorjev za reakcije vodikove oksidacije in redukcije kisika, da bi jih še bolj učinkovito pospešili. Poleg tega laboratorij razvija nove membrane za izmenjavo hidroksidov, saj je treba prevodnost in vzdržljivost takih membran še izboljšati, da bi lahko konkurirale membranam za izmenjavo protonov.

Iskanje novih katalizatorjev

Razlog za prenapetostne izgube pri reakciji redukcije kisika je razložen z linearnimi razmerji lestvice med vmesnimi produkti te reakcije. V tradicionalnem štirielektronskem mehanizmu te reakcije se kisik zaporedno reducira, pri čemer nastanejo vmesni produkti - OOH*, O* in OH*, da na koncu nastane voda (H2O) na katalitični površini. Ker so adsorpcijske energije vmesnih produktov na posameznem katalizatorju med seboj močno korelirane, še ni bilo najdenega katalizatorja, ki vsaj teoretično ne bi imel prenapetostnih izgub. Čeprav je hitrost te reakcije nizka, sprememba iz kislega medija v alkalni medij, kot na primer pri HEMFC, nanjo ne vpliva veliko. Hitrost reakcije oksidacije vodika pa se skoraj prepolovi, kar spodbuja raziskave, ki so usmerjene v iskanje vzroka za to zmanjšanje in odkrivanje novih katalizatorjev.

Prednosti gorivnih celic

V nasprotju z ogljikovodikovimi gorivi so gorivne celice bolj, če ne popolnoma, okolju prijaznejše in zaradi svojega delovanja ne proizvajajo toplogrednih plinov. Poleg tega je njihovo gorivo (vodik) načeloma obnovljiv, saj ga je mogoče pridobiti s hidrolizo vode. Tako vodikove gorivne celice v prihodnosti obljubljajo, da bodo postale poln del procesa proizvodnje energije, v katerem se sončna in vetrna energija uporabljata za proizvodnjo vodikovega goriva, ki se nato uporablja v gorivni celici za proizvodnjo vode. Tako je cikel sklenjen in ogljičnega odtisa ne ostane.

Za razliko od akumulatorskih baterij imajo gorivne celice to prednost, da jih ni treba ponovno polniti – lahko začnejo dobavljati energijo takoj, ko je potrebna. To pomeni, da če se uporabljajo na primer na področju vozil, potem s strani potrošnika skoraj ne bo sprememb. Za razliko od sončne in vetrne energije lahko gorivne celice neprekinjeno proizvajajo energijo in so veliko manj odvisne od zunanjih pogojev. Geotermalna energija je na voljo le na določenih geografskih območjih, medtem ko gorivne celice spet nimajo te težave.

Vodikove gorivne celice so eden najbolj obetavnih virov energije zaradi svoje prenosljivosti in prilagodljivosti v smislu obsega.

Kompleksnost shranjevanja vodika

Poleg težav s pomanjkljivostmi trenutnih membran in katalizatorjev so druge tehnične težave za gorivne celice povezane s shranjevanjem in transportom vodikovega goriva. Vodik ima zelo nizko specifično energijo na enoto prostornine (količina energije na enoto prostornine pri dani temperaturi in tlaku), zato ga je treba shraniti pri zelo visokem tlaku, da se uporablja v vozilih. V nasprotnem primeru bo velikost posode za shranjevanje potrebne količine goriva nemogoče velika. Zaradi teh omejitev shranjevanja vodika so bili poskusi najti načine za proizvodnjo vodika iz nečesa drugega kot njegove plinaste oblike, na primer v gorivnih celicah s kovinskim hidridom. Vendar pa trenutne aplikacije gorivnih celic za potrošnike, kot je Toyota Mirai, uporabljajo superkritični vodik (vodik, ki je pri temperaturah nad 33 K in tlakih nad 13,3 atmosfere, kar je nad kritičnimi vrednostmi), in to je zdaj najprimernejša možnost.

Perspektive regije

Zaradi obstoječih tehničnih težav in problemov pridobivanja vodika iz vode z uporabo sončne energije bodo v bližnji prihodnosti raziskave verjetno usmerjene predvsem v iskanje alternativnih virov vodika. Ena priljubljena ideja je uporaba amoniaka (vodikovega nitrida) neposredno v gorivni celici namesto vodika ali izdelava vodika iz amoniaka. Razlog za to je, da je amoniak manj zahteven glede pritiska, zaradi česar je priročnejši za shranjevanje in premikanje. Poleg tega je amoniak privlačen kot vir vodika, ker ne vsebuje ogljika. To rešuje problem zastrupitve katalizatorja zaradi nekaj CO v vodiku, proizvedenem iz metana.

V prihodnosti lahko gorivne celice najdejo široko uporabo v tehnologiji vozil in porazdeljenem pridobivanju energije, na primer v stanovanjskih območjih. Kljub dejstvu, da trenutno uporaba gorivnih celic kot glavnega vira energije zahteva veliko denarja, lahko vodikove gorivne celice, če najdemo cenejše in učinkovitejše katalizatorje, stabilne membrane z visoko prevodnostjo in alternativne vire vodika, postanejo visoko ekonomsko privlačna.

Kemijski procesi v gorivni celici

Gorivne celice uporabljajo elektrokemični proces za združevanje vodika s kisikom iz zraka. Tako kot baterije tudi gorivne celice uporabljajo elektrode (trdne električne prevodnike) v elektrolitu (električno prevodnem mediju). Ko molekule vodika pridejo v stik z negativno elektrodo (anodo), se slednja loči na protone in elektrone. Protoni prehajajo skozi membrano za izmenjavo protonov (POM) do pozitivne elektrode (katode) gorivne celice in proizvajajo elektriko. Obstaja kemijska kombinacija molekul vodika in kisika s tvorbo vode, kot stranskega produkta te reakcije. Edina vrsta emisij iz gorivne celice je vodna para.
Električno energijo, ki jo proizvedejo gorivne celice, je mogoče uporabiti v električnem pogonskem sistemu vozila (sestavljenem iz pretvornika električne energije in indukcijskega motorja na izmenični tok) za zagotavljanje mehanske energije za pogon vozila. Naloga pretvornika moči je pretvoriti enosmerni tok, ki ga proizvajajo gorivne celice, v izmenični tok, ki ga uporablja pogonski motor vozila.

Shematski prikaz gorivne celice z membrano za izmenjavo protonov:
1 - anoda;
2 - protonsko izmenjevalna membrana (REM);
3 - katalizator (rdeč);
4 - katoda

Gorivna celica z membrano za izmenjavo protonov (PEMFC) uporablja eno najpreprostejših reakcij vseh gorivnih celic.

Ločena gorivna celica

Razmislite, kako deluje gorivna celica. Anoda, negativni pol gorivne celice, prevaja elektrone, ki se osvobodijo vodikovih molekul, tako da jih je mogoče uporabiti v zunanjem električnem krogu (vezje). Da bi to naredili, so vanj vgravirani kanali, ki enakomerno porazdelijo vodik po celotni površini katalizatorja. Katoda (pozitivni pol gorivne celice) ima vgravirane kanale, ki porazdelijo kisik po površini katalizatorja. Prav tako vodi elektrone nazaj iz zunanjega tokokroga (vezja) do katalizatorja, kjer se lahko združijo z vodikovimi ioni in kisikom ter tvorijo vodo. Elektrolit je membrana za izmenjavo protonov. To je poseben material, podoben običajni plastiki, vendar s sposobnostjo prepuščanja pozitivno nabitih ionov in blokiranja prehoda elektronov.
Katalizator je poseben material, ki olajša reakcijo med kisikom in vodikom. Katalizator je običajno narejen iz platinskega prahu, nanesenega v zelo tankem sloju na karbonski papir ali blago. Katalizator mora biti hrapav in porozen, da lahko njegova površina čim bolj pride v stik z vodikom in kisikom. S platino prevlečena stran katalizatorja je pred membrano za izmenjavo protonov (POM).
Vodikov plin (H 2 ) se dovaja v gorivno celico pod pritiskom s strani anode. Ko pride molekula H2 v stik s platino na katalizatorju, se razcepi na dva dela, dva iona (H+) in dva elektrona (e–). Elektroni se vodijo skozi anodo, kjer gredo skozi zunanje vezje (vezje), opravljajo koristno delo (na primer poganjajo elektromotor) in se vračajo s katodne strani gorivne celice.
Medtem s strani katode gorivne celice plin kisik (O 2 ) potiska skozi katalizator, kjer tvori dva atoma kisika. Vsak od teh atomov ima močan negativni naboj, ki pritegne dva iona H+ čez membrano, kjer se združita z atomom kisika in dvema elektronoma iz zunanje zanke (verige), da tvorita molekulo vode (H 2 O).
Ta reakcija v eni sami gorivni celici proizvede moč približno 0,7 vata. Da bi dvignili moč na zahtevano raven, je treba združiti veliko posameznih gorivnih celic v sklad gorivnih celic.
Gorivne celice POM delujejo pri relativno nizki temperaturi (približno 80°C), kar pomeni, da jih je mogoče hitro segreti na delovno temperaturo in ne potrebujejo dragih hladilnih sistemov. Nenehno izboljševanje tehnologij in materialov, ki se uporabljajo v teh celicah, je njihovo moč približalo ravni, kjer lahko baterija takšnih gorivnih celic, ki zavzema majhen del prtljažnika avtomobila, zagotavlja energijo, potrebno za pogon avtomobila.
V zadnjih letih je večina vodilnih svetovnih proizvajalcev avtomobilov veliko vlagala v razvoj modelov avtomobilov, ki uporabljajo gorivne celice. Mnogi so že pokazali vozila na gorivne celice z zadovoljivimi močnostnimi in dinamičnimi lastnostmi, čeprav so bila precej draga.
Izboljševanje dizajna takih avtomobilov je zelo intenzivno.

Vozilo na gorivne celice uporablja elektrarno, ki se nahaja pod dnom vozila

Vozilo NECAR V temelji na vozilu Mercedes-Benz razreda A, pri čemer je celotna elektrarna skupaj z gorivnimi celicami nameščena pod dnom vozila. Takšna konstruktivna rešitev omogoča namestitev štirih potnikov in prtljage v avtomobilu. Tukaj se kot gorivo za avto ne uporablja vodik, ampak metanol. Metanol se s pomočjo reformerja (naprave, ki pretvori metanol v vodik) pretvori v vodik, ki je nujen za napajanje gorivne celice. Uporaba reformatorja v avtomobilu omogoča uporabo skoraj vseh ogljikovodikov kot goriva, kar omogoča polnjenje avtomobila z gorivom na gorivne celice z uporabo obstoječe mreže bencinskih črpalk. Teoretično gorivne celice ne proizvajajo nič drugega kot elektriko in vodo. Pretvorba goriva (bencin ali metanol) v vodik, potreben za gorivne celice, nekoliko zmanjša okoljsko privlačnost takega vozila.
Honda, ki je v poslu z gorivnimi celicami od leta 1989, je leta 2003 izdelala majhno serijo vozil Honda FCX-V4 z gorivnimi celicami za izmenjavo protonov. membranski tip Podjetje Ballard. Te gorivne celice ustvarijo 78 kW električna energija, za pogon pogonskih koles pa se uporabljajo vlečni motorji z močjo 60 kW in navorom 272 Nm.Avtomobil na gorivne celice ima v primerjavi s klasičnim avtomobilom približno 40 % manjšo maso, kar mu zagotavlja odlično dinamiko, zaloga stisnjenega vodika pa omogoča preteči do 355 km.

Honda FCX za pogon uporablja moč gorivnih celic.
Honda FCX je prvo vozilo na gorivne celice na svetu, ki je prejelo vladni certifikat v Združenih državah. Avto ima certifikat ZEV - Zero Emission Vehicle (vozilo brez onesnaževanja). Honda teh avtomobilov še ne namerava prodajati, ampak najema približno 30 avtomobilov na enoto. Kalifornija in Tokio, kjer že obstaja infrastruktura za oskrbo z vodikom.

General Motorsov konceptni avtomobil Hy Wire ima elektrarno na gorivne celice

General Motors izvaja obsežne raziskave o razvoju in ustvarjanju vozil na gorivne celice.

Šasija vozila Hy Wire

Konceptno vozilo GM Hy Wire je prejelo 26 patentov. Osnova avtomobila je funkcionalna platforma debeline 150 mm. Znotraj platforme so vodikove jeklenke, elektrarna na gorivne celice in sistemi za nadzor vozila najnovejša tehnologija elektronsko krmiljenje po žici. Šasija avtomobila Hy Wire je tanka platforma, ki vsebuje vse glavne konstrukcijske elemente avtomobila: vodikove jeklenke, gorivne celice, baterije, elektromotorje in krmilne sisteme. Ta pristop k načrtovanju omogoča menjavo avtomobilskih karoserij med obratovanjem.Podjetje tudi preizkuša eksperimentalna Oplova vozila na gorivne celice in načrtuje tovarno za proizvodnjo gorivnih celic.

Zasnova "varnega" rezervoarja za gorivo za utekočinjen vodik:
1 - polnilna naprava;
2 - zunanji rezervoar;
3 - podpore;
4 - senzor nivoja;
5 - notranji rezervoar;
6 - polnilna linija;
7 - izolacija in vakuum;
8 - grelec;
9 - montažna škatla

Problemu uporabe vodika kot goriva za avtomobile BMW posveča veliko pozornosti. Skupaj s podjetjem Magna Steyer, znanim po svojem delu na področju uporabe utekočinjenega vodika v vesoljskih raziskavah, je BMW razvil rezervoar za gorivo na utekočinjen vodik, ki ga je mogoče uporabiti v avtomobilih.

Testi so potrdili varnost uporabe rezervoarja za gorivo s tekočim vodikom

Podjetje je izvedlo vrsto testov varnosti konstrukcije po standardnih metodah in potrdilo njeno zanesljivost.
Leta 2002 je bil na avtomobilskem salonu v Frankfurtu (Nemčija) prikazan Mini Cooper Hydrogen, ki kot gorivo uporablja utekočinjen vodik. Rezervoar za gorivo Ta avto zavzame enako prostora kot običajni rezervoar za plin. Vodik v tem avtomobilu se ne uporablja za gorivne celice, ampak kot gorivo za motorje z notranjim zgorevanjem.

Prvi serijsko izdelan avtomobil na svetu z gorivno celico namesto baterije

Leta 2003 je BMW napovedal lansiranje prvega serijsko proizvedenega vozila na gorivne celice, BMW 750 hL. Namesto običajne baterije se uporablja baterija z gorivnimi celicami. Ta avto ima 12-valjni motor z notranjim zgorevanjem, ki deluje na vodik, gorivna celica pa služi kot alternativa klasični bateriji, ki omogoča delovanje klimatske naprave in drugih porabnikov, ko je avto dlje časa parkiran z ugasnjenim motorjem.

Točenje vodika izvaja robot, voznik pri tem ni vključen

Isto podjetje BMW je razvilo tudi robotske točilne avtomate, ki omogočajo hitro in varno polnjenje avtomobilov z utekočinjenim vodikom.
Pojav velikega števila dogodkov v zadnjih letih, namenjenih izdelavi avtomobilov, ki uporabljajo alternativna goriva in alternativne pogonske sisteme, kaže, da se bodo motorji z notranjim zgorevanjem, ki so v preteklem stoletju prevladovali v avtomobilih, sčasoma umaknili mesto čistejšim, učinkovitejšim in tihim dizajnom. Njihove široke uporabe trenutno ne zavirajo tehnični, temveč gospodarski in socialni problemi. Za njihovo široko uporabo je treba ustvariti določeno infrastrukturo za razvoj proizvodnje alternativnih goriv, ​​ustvarjanje in distribucijo novih bencinskih črpalk ter premagati številne psihološke ovire. Uporaba vodika kot pogonskega goriva za vozila bo zahtevala obravnavo vprašanj glede skladiščenja, dostave in distribucije z resnimi varnostnimi ukrepi.
Teoretično je vodik na voljo v neomejenih količinah, vendar je njegova proizvodnja energetsko zelo intenzivna. Poleg tega je treba za pretvorbo avtomobilov v pogon na vodikovo gorivo narediti dve veliki spremembi v elektroenergetskem sistemu: najprej prenesti njegovo delovanje z bencina na metanol in nato za nekaj časa na vodik. Preteklo bo nekaj časa, preden bo ta težava rešena.

Opis:

Ta članek podrobneje obravnava njihovo strukturo, razvrstitev, prednosti in slabosti, obseg, učinkovitost, zgodovino nastanka in sodobne možnosti za uporabo.

Uporaba gorivnih celic za napajanje zgradb

1. del

Ta članek podrobneje obravnava načelo delovanja gorivnih celic, njihovo zasnovo, razvrstitev, prednosti in slabosti, obseg, učinkovitost, zgodovino nastanka in sodobne možnosti za uporabo. V drugem delu članka, ki bo objavljen v naslednji številki revije ABOK, podaja primere objektov, kjer so kot vir toplote in električne energije (ali samo električne energije) uporabljali različne vrste gorivnih celic.

Uvod

Gorivne celice so zelo učinkovit, zanesljiv, vzdržljiv in okolju prijazen način pridobivanja energije.

Gorivne celice, ki so se sprva uporabljale samo v vesoljski industriji, se zdaj vse pogosteje uporabljajo na različnih področjih - kot so stacionarne elektrarne, toplotna in električna oskrba zgradb, motorji vozil, napajalniki za prenosne računalnike in mobilne telefone. Nekatere od teh naprav so laboratorijski prototipi, nekatere so v predserijskem testiranju ali se uporabljajo za predstavitvene namene, vendar se številni modeli proizvajajo množično in uporabljajo v komercialnih projektih.

Gorivna celica (elektrokemični generator) je naprava, ki pretvarja kemično energijo goriva (vodika) v električno energijo v procesu elektrokemične reakcije neposredno, za razliko od tradicionalnih tehnologij, ki uporabljajo zgorevanje trdnih, tekočih in plinastih goriv. Neposredna elektrokemična pretvorba goriva je zelo učinkovita in okoljsko privlačna, saj se med delovanjem sprosti minimalna količina onesnaževal, ni močnih zvokov in tresljajev.

S praktičnega vidika je gorivna celica podobna običajni galvanski bateriji. Razlika je v tem, da je baterija na začetku napolnjena, torej napolnjena z "gorivom". Med delovanjem se porabi "gorivo", baterija pa se izprazni. Za razliko od baterije, gorivna celica za proizvodnjo električne energije uporablja gorivo, dobavljeno iz zunanjega vira (slika 1).

Za proizvodnjo električne energije se lahko uporablja ne samo čisti vodik, ampak tudi druge surovine, ki vsebujejo vodik, kot so zemeljski plin, amoniak, metanol ali bencin. Kot vir kisika, ki je prav tako potreben za reakcijo, se uporablja navaden zrak.

Pri uporabi čistega vodika kot goriva sta produkta reakcije poleg električne energije še toplota in voda (ali vodna para), torej v ozračje ne izhajajo plini, ki bi onesnaževali zrak ali povzročali učinek tople grede. Če se kot gorivo uporabi surovina, ki vsebuje vodik, kot je zemeljski plin, bodo drugi plini, kot so ogljikovi in ​​dušikovi oksidi, stranski produkt reakcije, vendar je njihova količina veliko nižja kot pri gorenju istega količino zemeljskega plina.

Postopek kemične pretvorbe goriva za proizvodnjo vodika se imenuje reforming, ustrezna naprava pa se imenuje reformer.

Prednosti in slabosti gorivnih celic

Gorivne celice so energetsko učinkovitejše od motorjev z notranjim zgorevanjem, ker za gorivne celice ni termodinamičnih omejitev energetske učinkovitosti. Izkoristek gorivnih celic je 50 %, medtem ko je izkoristek motorjev z notranjim zgorevanjem 12-15 %, izkoristek parnih turbinskih elektrarn pa ne presega 40 %. Z uporabo toplote in vode se učinkovitost gorivnih celic še poveča.

V nasprotju z na primer motorji z notranjim zgorevanjem ostaja izkoristek gorivnih celic zelo visok tudi, ko ne delujejo s polno močjo. Poleg tega je moč gorivnih celic mogoče povečati s preprostim dodajanjem ločenih blokov, pri čemer se učinkovitost ne spremeni, tj. velike instalacije so enako učinkovite kot majhne. Te okoliščine omogočajo zelo fleksibilen izbor sestave opreme v skladu z željami kupca in na koncu vodijo do znižanja stroškov opreme.

Pomembna prednost gorivnih celic je njihova okolju prijaznost. Emisije v zrak iz gorivnih celic so tako nizke, da v nekaterih delih Združenih držav ne potrebujejo posebnih dovoljenj vladnih agencij za kakovost zraka.

Gorivne celice lahko namestimo neposredno v objekt in tako zmanjšamo izgube pri prenosu energije, toploto, ki nastane kot posledica reakcije, pa uporabimo za oskrbo objekta s toploto ali toplo vodo. Avtonomni viri toplote in električne energije so lahko zelo koristni na oddaljenih območjih in v regijah, za katere je značilno pomanjkanje električne energije in njena visoka cena, hkrati pa obstajajo zaloge surovin, ki vsebujejo vodik (nafta, zemeljski plin). .

Prednosti gorivnih celic so tudi dostopnost goriva, zanesljivost (v gorivni celici ni gibljivih delov), vzdržljivost in enostavnost upravljanja.

Ena glavnih pomanjkljivosti gorivnih celic danes je njihova razmeroma visoka cena, vendar je to pomanjkljivost mogoče kmalu odpraviti - vse več podjetij proizvaja komercialne vzorce gorivnih celic, te se nenehno izboljšujejo, njihova cena pa se znižuje.

Najučinkovitejša uporaba čistega vodika kot goriva, vendar bo to zahtevalo oblikovanje posebne infrastrukture za njegovo proizvodnjo in transport. Trenutno vsi komercialni modeli uporabljajo zemeljski plin in podobna goriva. Motorna vozila lahko uporabljajo navaden bencin, kar bo omogočilo ohranitev obstoječe razvite mreže bencinskih servisov. Vendar pa uporaba takšnega goriva povzroča škodljive emisije v ozračje (čeprav zelo nizke) in zaplete (in zato podraži) gorivne celice. V prihodnosti se razmišlja o možnosti uporabe okolju prijaznih obnovljivih virov energije (na primer sončne energije ali vetrne energije), da bi z elektrolizo razgradili vodo na vodik in kisik, nato pa nastalo gorivo pretvorili v gorivne celice. Takšne kombinirane naprave, ki delujejo v zaprtem ciklu, so lahko popolnoma okolju prijazen, zanesljiv, trajen in učinkovit vir energije.

Druga značilnost gorivnih celic je, da so najučinkovitejše pri hkratni uporabi električne in toplotne energije. Možnost uporabe toplotne energije pa ni na voljo v vsakem objektu. V primeru uporabe gorivnih celic samo za pridobivanje električne energije se njihova učinkovitost zmanjša, čeprav presega učinkovitost »tradicionalnih« naprav.

Zgodovina in sodobna uporaba gorivnih celic

Načelo delovanja gorivnih celic je bilo odkrito leta 1839. Angleški znanstvenik William Grove (1811-1896) je odkril, da je proces elektrolize - razgradnje vode na vodik in kisik s pomočjo električnega toka - reverzibilen, to pomeni, da se vodik in kisik lahko združita v molekule vode brez zgorevanja, ampak z sproščanje toplote in električnega toka. Grove je napravo, v kateri je bila izvedena taka reakcija, poimenoval "plinska baterija", kar je bila prva gorivna celica.

Aktiven razvoj tehnologij gorivnih celic se je začel po drugi svetovni vojni in je povezan z vesoljsko industrijo. Takrat so potekala iskanja učinkovitega in zanesljivega, a hkrati precej kompaktnega vira energije. V šestdesetih letih prejšnjega stoletja so strokovnjaki NASA (National Aeronautics and Space Administration, NASA) izbrali gorivne celice kot vir energije za vesoljska plovila programov Apollo (leti s posadko na Luno), Apollo-Soyuz, Gemini in Skylab. Apollo je uporabil tri 1,5 kW enote (2,2 kW največje moči), ki so uporabljale kriogeni vodik in kisik za proizvodnjo električne energije, toplote in vode. Masa posamezne instalacije je bila 113 kg. Te tri celice so delovale vzporedno, vendar je energija, ki jo je ustvarila ena enota, zadostovala za varen povratek. V 18 poletih so gorivne celice nabrale skupno 10.000 ur brez kakršnih koli okvar. Trenutno se gorivne celice uporabljajo v raketoplanu "Space Shuttle", ki uporablja tri enote z močjo 12 W, ki ustvarjajo vso električno energijo na krovu vesoljskega plovila (slika 2). Voda, pridobljena z elektrokemično reakcijo, se uporablja kot pitna voda, pa tudi za hlajenje opreme.

V naši državi so potekala tudi dela za ustvarjanje gorivnih celic za uporabo v astronavtiki. Na primer, gorivne celice so bile uporabljene za pogon sovjetskega raketoplana Buran.

Razvoj metod za komercialno uporabo gorivnih celic se je začel sredi šestdesetih let prejšnjega stoletja. Ta razvoj so delno financirale vladne organizacije.

Trenutno gre razvoj tehnologij za uporabo gorivnih celic v več smeri. To je ustvarjanje stacionarnih elektrarn na gorivne celice (za centralizirano in decentralizirano oskrbo z energijo), elektrarn vozil (ustvarjeni so vzorci avtomobilov in avtobusov na gorivne celice, tudi pri nas) (slika 3) in tudi napajalnike za različne mobilne naprave (prenosnike, mobilne telefone ipd.) (slika 4).

Primeri uporabe gorivnih celic na različnih področjih so podani v tabeli. eno.

Eden prvih komercialnih modelov gorivnih celic, zasnovanih za avtonomno oskrbo stavb s toploto in električno energijo, je bil PC25 Model A, ki ga proizvaja ONSI Corporation (zdaj United Technologies, Inc.). Ta gorivna celica z nazivno močjo 200 kW spada v vrsto celic z elektrolitom na osnovi fosforne kisline (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC). Številka "25" v imenu modela pomeni serijsko številko modela. Večina predhodnih modelov je bila poskusnih ali testnih kosov, kot na primer model "PC11" z 12,5 kW, ki se je pojavil v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja. Novi modeli so povečali moč, pridobljeno iz ene gorivne celice, in tudi znižali stroške na kilovat proizvedene energije. Trenutno je eden najučinkovitejših komercialnih modelov gorivna celica modela C PC25. Tako kot model »A« je tudi to popolnoma avtomatska gorivna celica tipa PAFC z močjo 200 kW, namenjena vgradnji neposredno na oskrbovani objekt kot samostojen vir toplote in električne energije. Takšno gorivno celico lahko namestimo zunaj zgradbe. Navzven je paralelepiped dolžine 5,5 m, širine 3 m in višine 3 m, ki tehta 18.140 kg. Razlika od prejšnjih modelov je izboljšan reformer in večja gostota toka.

Pri nekaterih vrstah gorivnih celic je kemični proces mogoče obrniti: z uporabo potencialne razlike na elektrodah se lahko voda razgradi na vodik in kisik, ki se zbirata na poroznih elektrodah. Ko je priključeno breme, bo taka regenerativna gorivna celica začela proizvajati električno energijo.

Obetavna smer uporabe gorivnih celic je njihova uporaba v povezavi z obnovljivimi viri energije, kot so fotovoltaični paneli ali vetrne turbine. Ta tehnologija vam omogoča, da se popolnoma izognete onesnaževanju zraka. Podoben sistem je načrtovan na primer v izobraževalnem centru Adam Joseph Lewis v Oberlinu (glej ABOK, 2002, št. 5, str. 10). Trenutno se v tej stavbi kot eden od virov energije uporabljajo sončne celice. Skupaj z Nasinimi strokovnjaki je bil razvit projekt uporabe fotovoltaičnih panelov za proizvodnjo vodika in kisika iz vode z elektrolizo. Vodik se nato uporablja v gorivnih celicah za proizvodnjo električne energije in topla voda. To bo omogočilo, da zgradba ohrani delovanje vseh sistemov v oblačnih dneh in ponoči.

Načelo delovanja gorivnih celic

Oglejmo si princip delovanja gorivne celice na primeru najpreprostejšega elementa s protonsko izmenjevalno membrano (Proton Exchange Membrane, PEM). Tak element je sestavljen iz polimerne membrane, nameščene med anodo (pozitivna elektroda) in katodo (negativna elektroda) skupaj z anodnim in katodnim katalizatorjem. Kot elektrolit se uporablja polimerna membrana. Diagram elementa PEM je prikazan na sl. 5.

Protonska izmenjevalna membrana (PEM) je tanka (približno 2-7 listov navadnega papirja debela) trdna organska spojina. Ta membrana deluje kot elektrolit: v prisotnosti vode loči snov na pozitivno in negativno nabite ione.

Na anodi poteka oksidativni proces, na katodi pa redukcijski proces. Anoda in katoda v celici PEM sta izdelani iz poroznega materiala, ki je mešanica delcev ogljika in platine. Platina deluje kot katalizator, ki spodbuja reakcijo disociacije. Anoda in katoda sta porozni za prost prehod vodika oziroma kisika skozi njiju.

Anoda in katoda sta nameščeni med dve kovinski plošči, ki anodi in katodi dovajata vodik in kisik ter odvajata toploto in vodo ter električno energijo.

Molekule vodika prehajajo skozi kanale v plošči do anode, kjer se molekule razgradijo na posamezne atome (slika 6).

Nato se zaradi kemisorpcije v prisotnosti katalizatorja vodikovi atomi, od katerih vsak odda en elektron e - , pretvorijo v pozitivno nabite vodikove ione H +, tj. protone (slika 7).

Pozitivno nabiti vodikovi ioni (protoni) difundirajo skozi membrano do katode, tok elektronov pa je usmerjen na katodo preko zunanjega električnega tokokroga, na katerega je priključeno breme (porabnik električne energije) (slika 8).

Kisik, doveden na katodo, v prisotnosti katalizatorja vstopi v kemično reakcijo z vodikovimi ioni (protoni) iz protonske izmenjevalne membrane in elektroni iz zunanjega električnega tokokroga (slika 9). Kot posledica kemične reakcije nastane voda.

Kemična reakcija v gorivni celici drugih vrst (na primer s kislim elektrolitom, ki je raztopina fosforne kisline H 3 PO 4) je popolnoma enaka kemični reakciji v gorivni celici z membrano za izmenjavo protonov.

V kateri koli gorivni celici se del energije kemične reakcije sprosti kot toplota.

Pretok elektronov v zunanjem tokokrogu je enosmerni tok, ki se uporablja za opravljanje dela. Odpiranje zunanjega tokokroga ali ustavitev gibanja vodikovih ionov ustavi kemično reakcijo.

Količina električne energije, ki jo proizvede gorivna celica, je odvisna od vrste gorivne celice, geometrijskih dimenzij, temperature, tlaka plina. Ena sama gorivna celica zagotavlja EMF manj kot 1,16 V. Velikost gorivnih celic je mogoče povečati, vendar se v praksi uporablja več celic, povezanih v baterije (slika 10).

Naprava z gorivnimi celicami

Oglejmo si napravo z gorivnimi celicami na primeru modela PC25 Model C. Shema gorivne celice je prikazana na sl. enajst.

Gorivna celica "PC25 Model C" je sestavljena iz treh glavnih delov: procesorja za gorivo, odseka za dejansko proizvodnjo električne energije in pretvornika napetosti.

Glavni del gorivne celice – oddelek za proizvodnjo električne energije – je sklop, sestavljen iz 256 posameznih gorivnih celic. Sestava elektrod gorivnih celic vključuje platinasti katalizator. Skozi te celice se ustvari enosmerni električni tok 1.400 amperov pri napetosti 155 voltov. Mere baterije so približno 2,9 m dolžine ter 0,9 m širine in višine.

Ker elektrokemični proces poteka pri temperaturi 177 ° C, je treba baterijo ob zagonu segreti in ji med delovanjem odvajati toploto. Za to ima gorivna celica ločen vodni krog, baterija pa je opremljena s posebnimi hladilnimi ploščami.

Procesor goriva vam omogoča pretvorbo zemeljskega plina v vodik, ki je potreben za elektrokemijsko reakcijo. Ta proces se imenuje reformiranje. Glavni element procesorja goriva je reformer. V reformerju zemeljski plin (ali drugo gorivo, ki vsebuje vodik) reagira s paro pri visoki temperaturi (900 °C) in visokem tlaku v prisotnosti nikljevega katalizatorja. Potekajo naslednje kemične reakcije:

CH 4 (metan) + H 2 O 3H 2 + CO

(reakcija endotermna, z absorpcijo toplote);

CO + H 2 O H 2 + CO 2

(reakcija je eksotermna, s sproščanjem toplote).

Celotna reakcija je izražena z enačbo:

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

(reakcija endotermna, z absorpcijo toplote).

Za zagotovitev visoke temperature, potrebne za pretvorbo zemeljskega plina, se del izrabljenega goriva iz sklada gorivnih celic usmeri v gorilnik, ki vzdržuje reformer na zahtevani temperaturi.

Para, potrebna za reforming, nastane iz kondenzata, ki nastane med delovanjem gorivne celice. V tem primeru se uporabi toplota, odvzeta iz sklada gorivnih celic (slika 12).

Sklad gorivnih celic ustvarja prekinitveni enosmerni tok, za katerega sta značilni nizka napetost in visok tok. Napetostni pretvornik se uporablja za pretvorbo v industrijski standard AC. Poleg tega enota napetostnega pretvornika vključuje različne krmilne naprave in varnostna zaklepna vezja, ki omogočajo izklop gorivne celice v primeru različnih okvar.

V takšni gorivni celici se lahko približno 40 % energije v gorivu pretvori v električno energijo. Približno toliko, približno 40 % energije goriva, lahko pretvorimo v to, da se nato uporabi kot vir toplote za ogrevanje, oskrbo s toplo vodo in podobne namene. Tako lahko celotna učinkovitost takšne naprave doseže 80%.

Pomembna prednost takšnega vira toplote in električne energije je možnost njegovega samodejno delovanje. Za vzdrževanje lastnikom objekta, na katerem je nameščena gorivna celica, ni treba vzdrževati posebej usposobljenega osebja - občasno vzdrževanje lahko izvajajo zaposleni v obratovalni organizaciji.

Vrste gorivnih celic

Trenutno poznamo več vrst gorivnih celic, ki se razlikujejo po sestavi uporabljenega elektrolita. Najbolj razširjene so naslednje štiri vrste (tabela 2):

1. Gorivne celice s protonsko izmenjevalno membrano (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC).

2. Gorivne celice na osnovi ortofosforne (fosforne) kisline (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC).

3. Gorivne celice na osnovi staljenega karbonata (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).

4. Gorivne celice s trdnim oksidom (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC). Trenutno je največja flota gorivnih celic zgrajena na osnovi tehnologije PAFC.

Ena ključnih značilnosti različnih vrst gorivnih celic je delovna temperatura. V mnogih pogledih je temperatura tista, ki določa obseg gorivnih celic. Na primer, visoke temperature so kritične za prenosnike, zato se za ta tržni segment razvijajo gorivne celice z membrano za izmenjavo protonov z nizkimi delovnimi temperaturami.

Za avtonomno napajanje objektov so potrebne gorivne celice visoke inštalirane moči, hkrati pa je možna izraba toplotne energije, zato se lahko za te namene uporabljajo tudi druge vrste gorivnih celic.

Gorivne celice z membrano za izmenjavo protonov (PEMFC)

Te gorivne celice delujejo pri relativno nizkih delovnih temperaturah (60-160°C). Odlikuje jih visoka gostota moči, omogočajo hitro nastavitev izhodne moči in jih je mogoče hitro vklopiti. Pomanjkljivost te vrste elementov so visoke zahteve glede kakovosti goriva, saj lahko onesnaženo gorivo poškoduje membrano. Nazivna moč gorivnih celic te vrste je 1-100 kW.

Gorivne celice z membrano za izmenjavo protonov je prvotno razvilo podjetje General Electric Corporation v šestdesetih letih prejšnjega stoletja za Naso. Ta vrsta gorivne celice uporablja polimerni elektrolit v trdnem stanju, imenovan membrana za izmenjavo protonov (PEM). Protoni se lahko premikajo skozi membrano za izmenjavo protonov, elektroni pa ne morejo skozi njo, kar povzroči potencialno razliko med katodo in anodo. Zaradi svoje enostavnosti in zanesljivosti so bile takšne gorivne celice uporabljene kot vir energije na plovilu s posadko Gemini.

Ta vrsta gorivnih celic se uporablja kot vir energije za široko paleto različnih naprav, vključno s prototipi in prototipi, od mobilnih telefonov do avtobusov in stacionarnih napajalnih sistemov. Nizka delovna temperatura omogoča uporabo takšnih celic za napajanje različnih vrst kompleksnih elektronskih naprav. Manj učinkovita je njihova uporaba kot vir toplote in električne energije za javne in industrijske objekte, kjer so potrebne velike količine toplotne energije. Hkrati so takšni elementi obetavni kot avtonomni vir napajanja za majhne stanovanjske zgradbe, kot so koče, zgrajene v regijah z vročim podnebjem.

Gorivne celice s fosforno kislino (PAFC)

Preizkusi tovrstnih gorivnih celic so bili izvedeni že v zgodnjih sedemdesetih letih. Temperaturno območje delovanja - 150-200 °C. Glavno področje uporabe so avtonomni viri toplote in električne energije srednje moči (približno 200 kW).

Elektrolit, ki se uporablja v teh gorivnih celicah, je raztopina fosforne kisline. Elektrode so izdelane iz papirja, prevlečenega z ogljikom, v katerem je razpršen platinasti katalizator.

Električni izkoristek gorivnih celic PAFC je 37-42 %. Ker pa te gorivne celice delujejo pri dovolj visoki temperaturi, je možno uporabiti paro, ki nastane kot posledica delovanja. V tem primeru lahko celotna učinkovitost doseže 80%.

Za pridobivanje energije je treba surovino, ki vsebuje vodik, pretvoriti v čisti vodik s postopkom reformiranja. Na primer, če se kot gorivo uporablja bencin, je treba odstraniti žveplove spojine, saj lahko žveplo poškoduje platinasti katalizator.

Gorivne celice PAFC so bile prve komercialne gorivne celice, ki so bile ekonomsko upravičene. Najpogostejši model je bila 200 kW gorivna celica PC25 proizvajalca ONSI Corporation (zdaj United Technologies, Inc.) (slika 13). Ti elementi se na primer uporabljajo kot vir toplote in elektrike na policijski postaji v newyorškem Central Parku ali kot dodaten vir energije za Conde Nast Building & Four Times Square. Večina velika ploščad tega tipa se preskuša kot 11 MW elektrarna na Japonskem.

Gorivne celice na osnovi fosforne kisline se uporabljajo tudi kot vir energije v vozilih. Na primer, leta 1994 so H-Power Corp., Univerza Georgetown in ameriško ministrstvo za energijo opremili avtobus z 50 kW elektrarno.

Gorivne celice iz staljenega karbonata (MCFC)

Gorivne celice te vrste delujejo pri zelo visokih temperaturah - 600-700 °C. Te delovne temperature omogočajo uporabo goriva neposredno v sami celici, brez potrebe po ločenem reformerju. Ta proces se imenuje "notranja reforma". Omogoča bistveno poenostavitev zasnove gorivne celice.

Gorivne celice na osnovi staljenega karbonata zahtevajo precejšen čas zagona in ne omogočajo hitre prilagoditve izhodne moči, zato so njihovo glavno področje uporabe veliki stacionarni viri toplote in električne energije. Odlikuje pa jih visoka učinkovitost pretvorbe goriva – 60-odstotni električni izkoristek in do 85-odstotni skupni izkoristek.

Pri tej vrsti gorivne celice je elektrolit sestavljen iz soli kalijevega karbonata in litijevega karbonata, segretih na približno 650 °C. Pod temi pogoji so soli v staljenem stanju in tvorijo elektrolit. Na anodi vodik medsebojno deluje z ioni CO 3, pri čemer nastane voda, ogljikov dioksid in sproščajo elektrone, ki se pošljejo v zunanji tokokrog, na katodi pa kisik medsebojno deluje z ogljikovim dioksidom in elektroni iz zunanjega tokokroga, pri čemer ponovno nastanejo ioni CO 3 .

Laboratorijske vzorce gorivnih celic te vrste sta v poznih petdesetih letih prejšnjega stoletja ustvarila nizozemska znanstvenika G. H. J. Broers in J. A. A. Ketelaar. V šestdesetih letih prejšnjega stoletja je s temi elementi delal inženir Francis T. Bacon, potomec znanega angleškega pisatelja in znanstvenika iz 17. stoletja, zato se gorivne celice MCFC včasih imenujejo tudi Baconovi elementi. Nasini programi Apollo, Apollo-Soyuz in Scylab so kot vir energije uporabljali prav takšne gorivne celice (slika 14). V istih letih je ameriški vojaški oddelek testiral več vzorcev gorivnih celic MCFC proizvajalca Texas Instruments, v katerih je bil kot gorivo uporabljen vojaški bencin. Sredi sedemdesetih let prejšnjega stoletja je ameriško ministrstvo za energijo začelo raziskave za razvoj stacionarne gorivne celice iz staljenega karbonata, primerne za praktična uporaba. V devetdesetih letih prejšnjega stoletja so začele delovati številne komercialne enote z nazivno močjo do 250 kW, na primer na ameriški pomorski zračni postaji Miramar v Kaliforniji. Leta 1996 je FuelCell Energy, Inc. zagnal 2 MW predserijsko tovarno v Santa Clari v Kaliforniji.

Oksidne gorivne celice v trdnem stanju (SOFC)

Trdnovodniške oksidne gorivne celice so enostavne konstrukcije in delujejo pri zelo visokih temperaturah - 700-1000 °C. Tako visoke temperature omogočajo uporabo razmeroma "umazanega", nerafiniranega goriva. Enake lastnosti kot pri gorivnih celicah na osnovi staljenega karbonata določajo podobno področje uporabe - veliki stacionarni viri toplote in električne energije.

Gorivne celice s trdnim oksidom se strukturno razlikujejo od gorivnih celic, ki temeljijo na tehnologijah PAFC in MCFC. Anoda, katoda in elektrolit so izdelani iz posebnih vrst keramike. Najpogosteje se kot elektrolit uporablja mešanica cirkonijevega oksida in kalcijevega oksida, lahko pa se uporabljajo tudi drugi oksidi. Elektrolit tvori kristalno mrežo, ki je na obeh straneh prevlečena s poroznim elektrodnim materialom. Strukturno so takšni elementi izdelani v obliki cevi ali ravnih plošč, kar omogoča uporabo tehnologij, ki se pogosto uporabljajo v elektronski industriji pri njihovi izdelavi. Zaradi tega lahko trdne oksidne gorivne celice delujejo pri zelo visokih temperaturah, zato jih je mogoče uporabiti za proizvodnjo električne in toplotne energije.

Pri visokih delovnih temperaturah se na katodi tvorijo kisikovi ioni, ki migrirajo skozi kristalno mrežo do anode, kjer medsebojno delujejo z vodikovimi ioni, tvorijo vodo in sproščajo proste elektrone. V tem primeru se vodik sprosti iz zemeljskega plina neposredno v celici, kar pomeni, da ni potrebe po ločenem reformerju.

Teoretični temelji za ustvarjanje trdnih oksidnih gorivnih celic so bili postavljeni že v poznih 30. letih 20. stoletja, ko sta švicarska znanstvenika Bauer (Emil Bauer) in Preis (H. Preis) eksperimentirala s cirkonijem, itrijem, cerijem, lantanom in volframom. kot elektroliti.

Prve prototipe tovrstnih gorivnih celic so v poznih petdesetih letih prejšnjega stoletja ustvarila številna ameriška in nizozemska podjetja. Večina teh podjetij je zaradi tehnoloških težav kmalu opustila nadaljnje raziskave, a eno izmed njih, Westinghouse Electric Corp. (zdaj "Siemens Westinghouse Power Corporation"), nadaljevalo delo. Podjetje trenutno sprejema prednaročila za komercialni model gorivne celice s trdnim oksidom s cevasto topologijo, predvidoma letos (slika 15). Tržni segment takih elementov je stacionarne instalacije za proizvodnjo toplotne in električne energije z močjo od 250 kW do 5 MW.

Gorivne celice tipa SOFC so pokazale zelo visoko zanesljivost. Na primer, prototip gorivne celice Siemens Westinghouse je zabeležil 16.600 ur in še naprej deluje, kar pomeni najdaljšo neprekinjeno življenjsko dobo gorivne celice na svetu.

Visokotemperaturni in visokotlačni način delovanja gorivnih celic SOFC omogoča ustvarjanje hibridnih obratov, v katerih emisije gorivnih celic poganjajo plinske turbine, ki se uporabljajo za proizvodnjo električne energije. Prva taka hibridna tovarna deluje v Irvinu v Kaliforniji. Nazivna moč te naprave je 220 kW, od tega 200 kW iz gorivne celice in 20 kW iz mikroturbinskega generatorja.