Kompaktna gorivna ćelija ima svoje nedostatke. DIY gorivne ćelije

gorivne ćelije- ovo je elektrohemijski uređaj sličan galvanskoj ćeliji, ali se od njega razlikuje po tome što se tvari za elektrokemijsku reakciju u njega unose izvana - za razliku od ograničene količine energije pohranjene u galvanskoj ćeliji ili bateriji.

Rice. 1. Neke gorivne ćelije

Gorivne ćelije pretvaraju hemijsku energiju goriva u električnu, zaobilazeći neefikasne procese sagorevanja koji se javljaju uz velike gubitke. Kao rezultat kemijske reakcije, oni pretvaraju vodonik i kisik u električnu energiju. Kao rezultat ovog procesa nastaje voda i oslobađa se velika količina topline. Gorivna ćelija je vrlo slična bateriji koja se može puniti, a zatim koristiti za skladištenje električne energije. Izumitelj gorivne ćelije je William R. Grove, koji ju je izumio davne 1839. godine. U ovoj gorivnoj ćeliji kao elektrolit je korištena otopina sumporne kiseline, a kao gorivo je korišten vodonik, koji se u oksidacijskom mediju spajao s kisikom. Do nedavno su se gorivne ćelije koristile samo u laboratorijama i na svemirskim letjelicama.

Rice. 2.

Za razliku od drugih generatora energije kao što su motori sa unutrašnjim sagorevanjem ili turbine na gas, ugalj, ulje, itd., gorivne ćelije ne sagorevaju gorivo. To znači da nema bučnih rotora visokog pritiska, nema glasne buke izduvnih gasova, nema vibracija. Gorivne ćelije proizvode električnu energiju kroz tihu elektrohemijsku reakciju. Još jedna karakteristika gorivih ćelija je da pretvaraju hemijsku energiju goriva direktno u električnu energiju, toplotu i vodu.

Gorivne ćelije su visoko efikasne i ne proizvode velike količine stakleničkih plinova kao što su ugljični dioksid, metan i dušikov oksid. Jedini proizvodi koje emituju gorivne ćelije su voda u obliku pare i mala količina ugljičnog dioksida, koji se uopće ne emituje ako se kao gorivo koristi čisti vodonik. Gorivne ćelije se sklapaju u sklopove, a zatim u pojedinačne funkcionalne module.

Gorivne ćelije nemaju pokretne dijelove (barem ne unutar same ćelije), pa se ne povinuju Carnotovom zakonu. Odnosno, oni će imati više od 50% efikasnosti i posebno su efikasni pri malim opterećenjima. Dakle, vozila sa gorivnim ćelijama mogu biti (i već je dokazano) štedljivija od konvencionalnih vozila u stvarnim uslovima vožnje.

Gorivna ćelija stvara istosmjernu električnu struju koja se može koristiti za pogon električnog motora, rasvjetnih tijela i drugih električnih sistema u vozilu.

Postoji nekoliko vrsta gorivnih ćelija, koje se razlikuju po hemijskim procesima koji se koriste. Gorivne ćelije se obično klasifikuju prema vrsti elektrolita koji koriste.

Neke vrste gorivih ćelija su perspektivne za upotrebu kao elektrane u elektranama, dok su druge za prijenosne uređaje ili za vožnju automobila.

1. Alkalne gorivne ćelije (AFC)

Alkalna gorivna ćelija- Ovo je jedan od prvih razvijenih elemenata. Alkalne gorivne ćelije (ALFC) jedna su od najviše proučavanih tehnologija koje NASA koristi od sredine 1960-ih u programima Apollo i Space Shuttle. Na brodu ovih svemirskih letjelica, gorivne ćelije proizvode struju i vodu za piće.

Rice. 3.

Alkalne gorivne ćelije su jedan od najefikasnijih elemenata koji se koriste za proizvodnju električne energije, sa efikasnošću proizvodnje električne energije do 70%.

Alkalne gorive ćelije koriste elektrolit, tj. vodeni rastvor kalijum hidroksida, koji se nalazi u poroznoj, stabilizovanoj matrici. Koncentracija kalijum hidroksida može varirati u zavisnosti od radne temperature gorivne ćelije, koja se kreće od 65°C do 220°C. Nosač naboja u SFC-u je hidroksidni jon (OH-) koji se kreće od katode do anode, gdje reaguje sa vodonikom da bi proizveo vodu i elektrone. Voda proizvedena na anodi vraća se na katodu, gdje opet stvara hidroksidne ione. Kao rezultat ove serije reakcija koje se odvijaju u gorivoj ćeliji, proizvodi se električna energija i, kao nusproizvod, toplina:

Anodna reakcija: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e

Reakcija na katodi: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH

Opšta reakcija sistema: 2H2 + O2 => 2H2O

Prednost SFC-a je u tome što su ove gorivne ćelije najjeftinije za proizvodnju, budući da katalizator potreban na elektrodama može biti bilo koja od supstanci koje su jeftinije od onih koje se koriste kao katalizatori za druge gorivne ćelije. Osim toga, SFC-ovi rade na relativno niskim temperaturama i među najefikasnijim su.

Jedna od karakterističnih karakteristika SFC-a je njegova visoka osjetljivost na CO2, koji može biti sadržan u gorivu ili zraku. CO2 reaguje sa elektrolitom, brzo ga truje i uveliko smanjuje efikasnost gorivne ćelije. Stoga je upotreba SFC-a ograničena na zatvorene prostore kao što su svemirska i podvodna vozila, oni rade na čistom vodiku i kisiku.

2. Gorive ćelije iz taline karbonata (MCFC)

Gorivne ćelije sa rastopljenim karbonatnim elektrolitom su gorive ćelije visoke temperature. Visoka radna temperatura omogućava direktnu upotrebu prirodnog gasa bez procesora goriva i niskokalorične vrednosti gorivog gasa iz procesnih goriva i drugih izvora. Ovaj proces je razvijen sredinom 1960-ih. Od tog vremena tehnologija proizvodnje, performanse i pouzdanost su poboljšani.

Rice. 4.

Rad RCFC-a se razlikuje od ostalih gorivnih ćelija. Ove ćelije koriste elektrolit iz mješavine rastopljenih karbonatnih soli. Trenutno se koriste dvije vrste mješavina: litijum karbonat i kalijum karbonat ili litijum karbonat i natrijum karbonat. Za topljenje karbonatnih soli i postizanje visokog stepena pokretljivosti jona u elektrolitu, gorive ćelije sa rastopljenim karbonatnim elektrolitom rade na visokim temperaturama (650°C). Efikasnost varira između 60-80%.

Kada se zagreju na temperaturu od 650°C, soli postaju provodnik za karbonatne jone (CO32-). Ovi ioni putuju od katode do anode gdje se spajaju s vodikom i formiraju vodu, ugljični dioksid i slobodne elektrone. Ovi elektroni se šalju kroz vanjski električni krug natrag na katodu, stvarajući električnu struju i toplinu kao nusproizvod.

Anodna reakcija: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e

Reakcija na katodi: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-

Opća reakcija elementa: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(katoda) => H2O(g) + CO2(anoda)

Visoke radne temperature gorivnih ćelija rastopljenog karbonatnog elektrolita imaju određene prednosti. Prednost je mogućnost upotrebe standardnih materijala (nerđajući čelični lim i nikl katalizator na elektrodama). Otpadna toplota se može koristiti za proizvodnju pare pod visokim pritiskom. Visoke temperature reakcije u elektrolitu također imaju svoje prednosti. Korištenju visokih temperatura potrebno je dugo vremena da se postignu optimalni radni uvjeti, a sistem sporije reaguje na promjene u potrošnji energije. Ove karakteristike omogućavaju upotrebu sistema gorivnih ćelija sa rastopljenim karbonatnim elektrolitom u uslovima konstantne snage. Visoke temperature sprečavaju oštećenje gorivne ćelije ugljičnim monoksidom, "trovanje" itd.

Gorivne ćelije od rastopljenog karbonata su pogodne za upotrebu u velikim stacionarnim instalacijama. Termoelektrane izlazne električne snage od 2,8 MW industrijski se proizvode. Razvijaju se postrojenja sa izlaznom snagom do 100 MW.

3. Gorivne ćelije na bazi fosforne kiseline (PFC)

Gorivne ćelije na bazi fosforne (ortofosforne) kiseline postale prve gorive ćelije za komercijalnu upotrebu. Ovaj proces je razvijen sredinom 60-ih godina XX vijeka, a ispitivanja se vrše od 70-ih godina XX vijeka. Kao rezultat toga, stabilnost i performanse su povećane, a troškovi su smanjeni.

Rice. 5.

Gorivne ćelije na bazi fosforne (ortofosforne) kiseline koriste elektrolit na bazi ortofosforne kiseline (H3PO4) u koncentraciji do 100%. Jonska provodljivost fosforne kiseline je niska na niskim temperaturama, pa se ove gorive ćelije koriste na temperaturama do 150-220°C.

Nosač naboja u gorivnim ćelijama ovog tipa je vodonik (H+, proton). Sličan proces se događa u gorivnim ćelijama s protonskom izmjenom (MEFC), u kojima se vodonik doveden na anodu dijeli na protone i elektrone. Protoni prolaze kroz elektrolit i kombinuju se sa kiseonikom iz vazduha na katodi i formiraju vodu. Elektroni se usmjeravaju duž vanjskog električnog kola i stvara se električna struja. Ispod su reakcije koje stvaraju električnu energiju i toplinu.

Anodna reakcija: 2H2 => 4H+ + 4e

Reakcija na katodi: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O

Opća reakcija elementa: 2H2 + O2 => 2H2O

Efikasnost gorivih ćelija na bazi fosforne (ortofosforne) kiseline je više od 40% pri generisanju električne energije. U kombinovanoj proizvodnji toplotne i električne energije ukupna efikasnost je oko 85%. Osim toga, s obzirom na radne temperature, otpadna toplina se može koristiti za zagrijavanje vode i stvaranje pare pri atmosferskom pritisku.

Visoke performanse termoelektrana na gorivne ćelije na bazi fosforne (ortofosforne) kiseline u kombinovanoj proizvodnji toplotne i električne energije jedna je od prednosti ove vrste gorivih ćelija. Postrojenja koriste ugljični monoksid u koncentraciji od oko 1,5%, što uvelike proširuje izbor goriva. Jednostavna konstrukcija, niska isparljivost elektrolita i povećana stabilnost također su prednosti takvih gorivnih ćelija.

Termoelektrane izlazne električne snage do 400 kW se proizvode industrijski. Instalacije snage 11 MW su prošle odgovarajuće testove. Razvijaju se postrojenja sa izlaznom snagom do 100 MW.

4. Gorivne ćelije sa membranom za izmjenu protona (MOFEC)

Gorivne ćelije sa membranom za izmjenu protona smatraju se najboljom vrstom gorivnih ćelija za proizvodnju električne energije u vozilima, koje mogu zamijeniti benzinske i dizel motore s unutrašnjim sagorijevanjem. Ove gorivne ćelije je prvi put koristila NASA za program Gemini. Razvijene su i prikazane instalacije na MOPFC snage od 1 W do 2 kW.

Rice. 6.

Elektrolit u ovim gorivnim ćelijama je čvrsta polimerna membrana (tanak plastični film). Kada je impregniran vodom, ovaj polimer propušta protone, ali ne provodi elektrone.

Gorivo je vodonik, a nosilac naboja je vodikov jon (proton). Na anodi, molekul vodonika se razdvaja na vodikov jon (proton) i elektrone. Ioni vodika prolaze kroz elektrolit do katode, dok se elektroni kreću po vanjskom krugu i proizvode električnu energiju. Kiseonik, koji se uzima iz vazduha, dovodi se do katode i kombinuje se sa elektronima i ionima vodonika da bi formirao vodu. Na elektrodama se javljaju sljedeće reakcije: Anodna reakcija: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4eKatodna reakcija: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH Ukupna reakcija ćelije: 2H2 + O2 => 2H2O U poređenju sa drugim tipovima gorivih ćelija, gorivne ćelije sa membranom za izmjenu protona proizvode više energije za dati volumen ili težinu gorivne ćelije. Ova karakteristika im omogućava da budu kompaktni i lagani. Osim toga, radna temperatura je manja od 100°C, što vam omogućava brz početak rada. Ove karakteristike, kao i sposobnost brze promjene izlazne energije, samo su neke od karakteristika koje ove gorivne ćelije čine glavnim kandidatom za upotrebu u vozilima.

Još jedna prednost je što je elektrolit čvrsta, a ne tečna. Lakše je držati plinove na katodi i anodi sa čvrstim elektrolitom, pa su takve gorive ćelije jeftinije za proizvodnju. Kod upotrebe čvrstog elektrolita nema poteškoća kao što je orijentacija, a manje problema zbog pojave korozije, što povećava trajnost ćelije i njenih komponenti.

Rice. 7.

5. Čvrste oksidne gorivne ćelije (SOFC)

Čvrste oksidne gorivne ćelije su gorivne ćelije sa najvišom radnom temperaturom. Radna temperatura može varirati od 600°C do 1000°C, što omogućava upotrebu različitih vrsta goriva bez posebne predtretmana. Za podnošenje ovih visokih temperatura, korišteni elektrolit je tanak čvrsti metalni oksid na bazi keramike, često legura itrijuma i cirkonija, koji je provodnik kisikovih (O2-) jona. Tehnologija korištenja čvrstih oksidnih gorivnih ćelija razvija se od kasnih 1950-ih i ima dvije konfiguracije: planarnu i cijevnu.

Čvrsti elektrolit osigurava hermetički prijelaz plina s jedne elektrode na drugu, dok se tekući elektroliti nalaze u poroznoj podlozi. Nosač naboja u gorivnim ćelijama ovog tipa je jon kiseonika (O2-). Na katodi se molekuli kisika odvajaju od zraka na ion kisika i četiri elektrona. Ioni kiseonika prolaze kroz elektrolit i spajaju se sa vodonikom da bi formirali četiri slobodna elektrona. Elektroni se usmjeravaju kroz vanjski električni krug, stvarajući električnu struju i otpadnu toplinu.

Rice. 8.

Anodna reakcija: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e

Reakcija na katodi: O2 + 4e- => 2O2-

Opća reakcija elementa: 2H2 + O2 => 2H2O

Efikasnost proizvodnje električne energije najveća je od svih gorivnih ćelija - oko 60%. Pored toga, visoke radne temperature omogućavaju kombinovanu proizvodnju toplote i energije za stvaranje pare pod visokim pritiskom. Kombinovanjem gorivne ćelije visoke temperature sa turbinom stvara se hibridna gorivna ćelija koja povećava efikasnost proizvodnje električne energije do 70%.

Čvrste oksidne gorivne ćelije rade na veoma visokim temperaturama (600°C-1000°C), što rezultira značajnim vremenom za postizanje optimalnih radnih uslova, a sistem sporije reaguje na promene u potrošnji energije. Na tako visokim radnim temperaturama nije potreban pretvarač za rekuperaciju vodonika iz goriva, što omogućava termoelektranu da radi sa relativno nečistim gorivima iz gasifikacije uglja ili otpadnih gasova i slično. Takođe, ova gorivna ćelija je odlična za aplikacije velike snage, uključujući industrijske i velike centralne elektrane. Industrijski proizvedeni moduli sa izlaznom električnom snagom od 100 kW.

6. Gorivne ćelije sa direktnom oksidacijom metanola (DOMTE)

Gorivne ćelije sa direktnom oksidacijom metanola uspešno se koriste u oblasti napajanja mobilnih telefona, laptopa, kao i za kreiranje prenosivih izvora napajanja, čemu je i cilj buduće upotrebe ovakvih elemenata.

Struktura gorivih ćelija sa direktnom oksidacijom metanola je slična strukturi gorivih ćelija sa membranom za izmjenu protona (MOFEC), tj. polimer se koristi kao elektrolit, a vodikov ion (proton) se koristi kao nosilac naboja. Ali tečni metanol (CH3OH) se oksidira u prisustvu vode na anodi, oslobađajući CO2, vodikove ione i elektrone, koji se šalju kroz vanjski električni krug, i stvara se električna struja. Vodikovi joni prolaze kroz elektrolit i reagiraju s kisikom iz zraka i elektronima iz vanjskog kruga i formiraju vodu na anodi.

Anodna reakcija: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6eKatodna reakcija: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O Ukupna elementarna reakcija: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O 1990-ih i povećana je njihova specifična snaga i efikasnost do 40%.

Ovi elementi su testirani u temperaturnom opsegu od 50-120°C. Zbog niskih radnih temperatura i bez potrebe za pretvaračem, ove gorive ćelije su najbolji kandidati za primjenu u mobilnim telefonima i drugim potrošačkim proizvodima, kao i u motorima automobila. Njihova prednost su i male dimenzije.

7. Gorivne ćelije s polimernim elektrolitom (PETE)

U slučaju gorivnih ćelija od polimernog elektrolita, polimerna membrana se sastoji od polimernih vlakana sa vodenim područjima u kojima je provodljivost vodenih jona H2O+ (proton, crvena) vezana za molekul vode. Molekuli vode predstavljaju problem zbog spore izmjene jona. Zbog toga je potrebna visoka koncentracija vode i u gorivu i na elektrodama izduvnih gasova, što ograničava radnu temperaturu na 100°C.

8. Čvrste kiselinske gorivne ćelije (SCFC)

U ćelijama sa čvrstim kiselim gorivom, elektrolit (CsHSO4) ne sadrži vodu. Radna temperatura je dakle 100-300°C. Rotacija SO42-oksianiona omogućava protonima (crvenim) da se kreću kao što je prikazano na slici. Tipično, gorivna ćelija s čvrstom kiselinom je sendvič u kojem je vrlo tanak sloj čvrstog kiselinskog spoja u sendviču između dvije čvrsto stisnute elektrode kako bi se osigurao dobar kontakt. Kada se zagrije, organska komponenta isparava, ostavljajući kroz pore u elektrodama, zadržavajući sposobnost brojnih kontakata između goriva (ili kisika na drugom kraju ćelije), elektrolita i elektroda.

Rice. 9.

9. Poređenje najvažnijih karakteristika gorivnih ćelija

Karakteristike gorivnih ćelija

Tip gorivne ćelije	Radna temperatura	Efikasnost proizvodnje energije	Vrsta goriva	Obim
				Srednje i velike instalacije
			čisti vodonik	instalacije
			čisti vodonik	Male instalacije
			Većina ugljovodoničnih goriva	Male, srednje i velike instalacije
				prenosiv instalacije
			čisti vodonik	Prostor istražen
			čisti vodonik	Male instalacije

Rice. 10.

10. Upotreba gorivnih ćelija u automobilima

Rice. jedanaest.

Rice. 12.

Stručnjaci za energetiku primjećuju da u većini razvijenih zemalja brzo raste interesovanje za disperzovane izvore energije relativno malog kapaciteta. Glavne prednosti ovih autonomnih elektrana su umjereni kapitalni troškovi tokom izgradnje, brzo puštanje u rad, relativno jednostavno održavanje i dobre ekološke performanse. Sa autonomnim sistemom napajanja nisu potrebna ulaganja u dalekovode i trafostanice. Položaj autonomnih izvora energije direktno na mjestima potrošnje ne samo da eliminira gubitke u mrežama, već i povećava pouzdanost napajanja.

Poznati su samostalni izvori energije kao što su male plinske turbine (plinske turbine), motori s unutarnjim sagorijevanjem, vjetroturbine i poluvodički solarni paneli.

Za razliku od motora sa unutrašnjim sagorevanjem ili turbina na ugalj/gas, gorivne ćelije ne sagorevaju gorivo. Oni pretvaraju hemijsku energiju goriva u električnu kroz hemijsku reakciju. Stoga gorivne ćelije ne proizvode velike količine stakleničkih plinova koji se oslobađaju tokom sagorijevanja goriva, kao što su ugljični dioksid (CO2), metan (CH4) i dušikov oksid (NOx). Emisije gorivih ćelija su voda u obliku pare i niske razine ugljičnog dioksida (ili nikakva emisija CO2) kada se vodonik koristi kao gorivo za ćelije. Osim toga, gorivne ćelije rade tiho jer ne uključuju bučne rotore visokog pritiska i nema buke izduvnih gasova ili vibracija tokom rada.

Gorivna ćelija pretvara hemijsku energiju goriva u električnu hemijskom reakcijom sa kiseonikom ili drugim oksidacionim agensom. Gorivne ćelije se sastoje od anode (negativna strana), katode (pozitivna strana) i elektrolita koji omogućava kretanje naelektrisanja između dvije strane gorivne ćelije (Slika: Šematski dijagram gorivne ćelije).

Elektroni se kreću od anode do katode kroz vanjsko kolo, stvarajući istosmjernu struju. Zbog činjenice da je glavna razlika između različitih tipova gorivih ćelija elektrolit, gorivne ćelije se dijele prema vrsti korištenog elektrolita, tj. visokotemperaturne i niskotemperaturne gorivne ćelije (TEPM, PMTE). Vodonik je najčešće gorivo, ali ponekad se mogu koristiti i ugljovodonici kao što su prirodni gas i alkoholi (tj. metanol). Gorivne ćelije se razlikuju od baterija po tome što im je potreban stalan izvor goriva i kisika/vazduha za održavanje kemijske reakcije, a proizvode električnu energiju sve dok se napajaju.

Gorivne ćelije imaju sljedeće prednosti u odnosu na konvencionalne izvore energije kao što su motori s unutarnjim sagorijevanjem ili baterije:

Gorivne ćelije su efikasnije od dizel ili gasnih motora.
Većina gorivih ćelija je tiha u poređenju sa motorima sa unutrašnjim sagorevanjem. Stoga su pogodni za zgrade sa posebnim zahtjevima, kao što su bolnice.
Gorivne ćelije ne dovode do zagađenja uzrokovanog sagorijevanjem fosilnih goriva; na primjer, jedini nusproizvod vodoničnih gorivnih ćelija je voda.
Ako se vodonik dobije elektrolizom vode koju daje obnovljivi izvor energije, tada se pri korištenju gorivih ćelija ne oslobađa staklenički plin tijekom cijelog ciklusa.
Gorive ćelije ne zahtijevaju konvencionalna goriva kao što su nafta ili plin, tako da se ekonomska ovisnost o zemljama proizvođačima nafte može ukloniti i postići veća energetska sigurnost.
Gorivne ćelije ne ovise o energetskim mrežama, jer se vodonik može proizvoditi bilo gdje gdje su voda i struja dostupni, a proizvedeno gorivo se može distribuirati.
Kada se koriste stacionarne gorivne ćelije za proizvodnju energije na mjestu potrošnje, mogu se koristiti decentralizirane energetske mreže koje su potencijalno stabilnije.
Gorivne ćelije niske temperature (LEPM, PMFC) imaju nizak nivo prijenosa topline, što ih čini idealnim za različite primjene.
Gorivne ćelije sa višim temperaturama proizvode visoko kvalitetnu procesnu toplotu zajedno sa električnom energijom i veoma su pogodne za kogeneraciju (kao što je kogeneracija za stambene zgrade).
Vrijeme rada je mnogo duže od vremena rada baterija, jer je potrebno samo više goriva da bi se produžilo vrijeme rada, a nije potrebno povećanje produktivnosti postrojenja.
Za razliku od baterija, gorivne ćelije imaju "efekat memorije" kada se pune gorivom.
Održavanje gorivih ćelija je jednostavno jer nemaju velike pokretne dijelove.

Najčešće gorivo za gorive ćelije je vodonik, jer ne emituje štetne zagađivače. Međutim, mogu se koristiti i druga goriva, a gorive ćelije prirodnog gasa se smatraju efikasnom alternativom kada je prirodni gas dostupan po konkurentnim cenama. U gorivim ćelijama, protok goriva i oksidansa prolazi kroz elektrode koje su razdvojene elektrolitom. Ovo uzrokuje hemijsku reakciju koja proizvodi električnu energiju; nema potrebe za sagorevanjem goriva ili dodavanjem toplotne energije, što je obično slučaj sa tradicionalnim metodama proizvodnje električne energije. Pri korištenju prirodnog čistog vodika kao goriva i kisika kao oksidacijskog sredstva, kao rezultat reakcije koja se javlja u gorivoj ćeliji, proizvodi se voda, toplinska energija i električna energija. Kada se koriste s drugim gorivima, gorivne ćelije emituju vrlo niske emisije zagađivača i proizvode visokokvalitetnu i pouzdanu električnu energiju.

Prednosti gorivnih ćelija prirodnog gasa su sledeće:

Prednosti za životnu sredinu- Gorivne ćelije su čista metoda proizvodnje električne energije iz fosilnih goriva. Budući da gorivne ćelije koje rade na čistom vodiku i kisiku proizvode samo vodu, struju i toplinu; druge vrste gorivnih ćelija emituju zanemarljive količine sumpornih jedinjenja i veoma niske nivoe ugljen-dioksida. Međutim, ugljični dioksid koji emituju gorivne ćelije je koncentrisan i lako se može uhvatiti umjesto da se ispusti u atmosferu.
Efikasnost- Gorivne ćelije pretvaraju energiju dostupnu u fosilnim gorivima u električnu energiju mnogo efikasnije od konvencionalnih metoda proizvodnje električne energije na gorivo. To znači da je za proizvodnju iste količine električne energije potrebno manje goriva. Prema Nacionalnoj laboratoriji za energetsku tehnologiju 58, mogu se proizvoditi gorivne ćelije (u kombinaciji sa turbinama na prirodni gas) koje će raditi u opsegu snage od 1 do 20 MWe sa efikasnošću od 70%. Ova efikasnost je mnogo veća od efikasnosti koja se može postići tradicionalnim metodama proizvodnje električne energije u specificiranom opsegu snage.
Proizvodnja sa distribucijom- Gorivne ćelije se mogu proizvoditi u vrlo malim veličinama; ovo omogućava njihovo postavljanje na mjesta gdje je potrebna struja. Ovo se odnosi na stambene, poslovne, industrijske, pa čak i instalacije za vozila.
Pouzdanost- Gorivne ćelije su potpuno zatvoreni uređaji bez pokretnih dijelova ili složenih mašina. To ih čini pouzdanim izvorima električne energije, sposobnim da rade mnogo sati. Osim toga, oni su gotovo nečujni i sigurni izvori električne energije. Takođe u gorivim ćelijama nema strujnih udara; to znači da se mogu koristiti u slučajevima kada je potreban stalno funkcionalan, pouzdan izvor električne energije.

Donedavno su manje popularne bile gorivne ćelije (FC), koje su elektrohemijski generatori sposobni da hemijsku energiju pretvaraju u električnu, zaobilazeći procese sagorevanja, pretvarajući toplotnu energiju u mehaničku, a potonju u električnu. Električna energija se stvara u gorivim ćelijama zbog kemijske reakcije između redukcijskog agensa i oksidacijskog sredstva, koji se kontinuirano dovode do elektroda. Redukciono sredstvo je najčešće vodonik, a oksidaciono sredstvo kiseonik ili vazduh. Kombinacija gorivih ćelija i uređaja za snabdevanje reagensima, uklanjanje produkata reakcije i toplote (koja se može iskoristiti) je elektrohemijski generator.
U poslednjoj deceniji 20. veka, kada su pouzdanost napajanja i briga o životnoj sredini bili od posebne važnosti, mnoge firme u Evropi, Japanu i Sjedinjenim Državama počele su da razvijaju i proizvode nekoliko varijanti gorivnih ćelija.
Najjednostavnije su alkalne gorivne ćelije, od kojih je započeo razvoj ove vrste autonomnih izvora energije. Radna temperatura u ovim gorivnim ćelijama je 80-95°C, elektrolit je 30% rastvor kaustičnog kalijuma. Alkalne gorive ćelije rade na čistom vodoniku.
Nedavno su PEM gorivne ćelije sa membranama za izmjenu protona (sa polimernim elektrolitom) postale široko rasprostranjene. Radna temperatura u ovom procesu je takođe 80-95°C, ali se kao elektrolit koristi čvrsta jonoizmenjivačka membrana sa perfluorsulfonskom kiselinom.
Doduše, komercijalno najatraktivnija je gorivna ćelija PAFC fosforne kiseline, koja postiže efikasnost od 40% samo u proizvodnji električne energije i -85% kada se koristi proizvedena toplota. Radna temperatura ove gorivne ćelije je 175–200°C, elektrolit je silicijum karbid koji impregnira tečnom fosfornom kiselinom i povezan sa teflonom.

Paket ćelija je opremljen sa dve porozne grafitne elektrode i orto-fosfornom kiselinom kao elektrolitom. Elektrode su obložene platinastim katalizatorom. U reformatoru prirodni plin, u interakciji s parom, prelazi u vodonik i CO, koji se u konvertoru dodatno oksidira u CO2. Nadalje, pod utjecajem katalizatora, molekule vodonika na anodi disociraju u ione H. Elektroni oslobođeni u ovoj reakciji usmjeravaju se kroz opterećenje na katodu. Na katodi reagiraju s ionima vodika koji difundiraju kroz elektrolit i s ionima kisika, koji nastaju kao rezultat katalitičke oksidacije kisika zraka na katodi, na kraju stvarajući vodu.
Gorivne ćelije sa rastopljenim karbonatom tipa MCFC takođe spadaju u perspektivne tipove gorivnih ćelija. Ova gorivna ćelija, kada radi na metan, ima efikasnost od 50-57% za električnu energiju. Radna temperatura 540-650°C, elektrolit - rastopljeni karbonat kalijum i natrijum alkalija u ljusci - matrica od litijum-aluminijum oksida LiA102.
I, konačno, gorivni element koji najviše obećava je SOFC. To je gorivna ćelija od čvrstog oksida koja koristi bilo koje plinovito gorivo i najprikladnija je za relativno velike instalacije. Njegova energetska efikasnost je 50-55%, a kada se koristi u kombinovanim postrojenjima i do 65%. Radna temperatura 980-1000°C, elektrolit - čvrsti cirkonijum, stabilizovan itrijumom.

Na sl. 2 prikazuje 24-ćelijsku SOFC bateriju koju je razvila Siemens Westinghouse Power Corporation (SWP - Njemačka). Ova baterija je osnova elektrohemijskog generatora koji pokreće prirodni gas. Prva demonstraciona ispitivanja elektrane ovog tipa snage 400 W obavljena su već 1986. godine. U narednim godinama dizajn čvrstih oksidnih gorivnih ćelija je poboljšan i njihova snaga je povećana.

Najuspješnija su bila demonstracijska ispitivanja elektrane snage 100 kW puštene u rad 1999. Elektrana je potvrdila mogućnost dobijanja električne energije sa visokim učinkom (46%), a pokazala je i visoku stabilnost karakteristika. Time je dokazana mogućnost rada elektrane najmanje 40 hiljada sati uz prihvatljiv pad snage.

2001. godine razvijena je nova elektrana na bazi čvrstih oksidnih elemenata, koja radi na atmosferskom pritisku. Baterija (elektrohemijski generator) elektrane snage 250 kW sa kombinovanom proizvodnjom električne i toplotne energije uključivala je 2304 čvrsta oksidna cevna elementa. Pored toga, postrojenje je sadržavalo inverter, regenerator, grijač na gorivo (prirodni plin), komoru za sagorijevanje za grijanje zraka, izmjenjivač topline za zagrijavanje vode na toplinu dimnih plinova i drugu pomoćnu opremu. Istovremeno, ukupne dimenzije instalacije bile su prilično umjerene: 2,6x3,0x10,8 m.
Određeni napredak u razvoju velikih gorivnih ćelija postigli su japanski stručnjaci. Istraživački rad u Japanu je započeo još 1972. godine, ali je značajan napredak postignut tek sredinom 1990-ih. Eksperimentalni moduli gorivih ćelija imali su snagu od 50 do 1000 kW, od kojih je 2/3 radilo na prirodni gas.
U Japanu je 1994. godine izgrađena elektrana na gorivne ćelije od 1 MW. Uz ukupni faktor efikasnosti (sa proizvodnjom pare i tople vode) od 71%, instalacija je imala faktor efikasnosti za snabdijevanje električnom energijom od najmanje 36%. Od 1995. godine, prema izvještajima štampe, u Tokiju radi elektrana na gorivne ćelije sa fosfornom kiselinom od 11 MW, a do 2000. ukupna proizvodnja gorivih ćelija dostigla je 40 MW.

Sve gore navedene instalacije pripadaju industrijskoj klasi. Njihovi programeri stalno nastoje povećati snagu jedinica kako bi poboljšali troškovne karakteristike (specifični troškovi po kW instalirane snage i trošak proizvedene električne energije). Ali postoji nekoliko kompanija koje su postavile drugačiji cilj: razviti najjednostavnije instalacije za domaću potrošnju, uključujući pojedinačna napajanja. I u ovoj oblasti postoje značajna dostignuća:

Plug Power LLC je razvio jedinicu gorivih ćelija od 7 kW za napajanje kuće;
H Power Corporation proizvodi punjače baterija od 50-100 W koji se koriste u transportu;
Intern company. Fuel Cells LLC proizvodi vozila od 50-300W i lična napajanja;
Analytic Power Inc. je razvila osobna napajanja od 150 W za američku vojsku, kao i kućna napajanja gorivih ćelija od 3 kW do 10 kW.

Koje su prednosti gorivnih ćelija koje potiču brojne kompanije da ulažu velika sredstva u njihov razvoj?
Pored visoke pouzdanosti, elektrohemijski generatori imaju i visoku efikasnost, što ih povoljno razlikuje od parnih turbinskih postrojenja, pa čak i od postrojenja sa jednostavnim ciklusnim gasnim turbinama. Važna prednost gorivnih ćelija je pogodnost njihove upotrebe kao dispergovanih izvora energije: modularni dizajn omogućava vam da serijski povežete bilo koji broj pojedinačnih ćelija kako biste formirali bateriju - idealan kvalitet za povećanje snage.

Ali najvažniji argument u korist gorivnih ćelija je njihov ekološki učinak. Emisije NOX i CO iz ovih instalacija su toliko male da, na primjer, okružne vlasti za kvalitetu zraka u regijama (gdje su propisi o kontroli okoliša najstroži u SAD-u) ni ne spominju ovu opremu u svim zahtjevima u pogledu zaštite atmosfere.

Brojne prednosti gorivnih ćelija, nažalost, trenutno ne mogu nadmašiti njihov jedini nedostatak - visoku cijenu.U SAD-u, na primjer, specifični kapitalni troškovi za izgradnju elektrane, čak i sa najkonkurentnijim gorivnim ćelijama, iznose oko 3.500 USD/kW . Iako vlada daje subvenciju od 1.000 USD/kWh kako bi stimulirala potražnju za ovom tehnologijom, cijena izgradnje takvih objekata ostaje prilično visoka. Pogotovo kada se uporede sa kapitalnim troškovima za izgradnju mini-CHP sa gasnim turbinama ili sa motorima sa unutrašnjim sagorevanjem megavatnog opsega snage, koji iznose oko 500 USD/kW.

Posljednjih godina postignut je određeni napredak u smanjenju troškova FC instalacija. Izgradnja elektrana sa gorivnim ćelijama na bazi fosforne kiseline kapaciteta 0,2-1,0 MW, što je gore navedeno, koštalo je 1.700 dolara/kW. Trošak proizvodnje energije u takvim instalacijama u Njemačkoj, kada se koristi 6000 sati godišnje, izračunava se na 7,5-10 centi/kWh. Postrojenje PC25 od 200 kW kojim upravlja Hessische EAG (Darmstadt) također ima dobre ekonomske performanse: troškovi električne energije, uključujući amortizaciju, gorivo i troškove održavanja postrojenja, iznosili su 15 centi/kWh. Isti pokazatelj za TE na mrki ugalj iznosio je 5,6 centa/kWh u elektroprivredi, na ugalj - 4,7 centa/kWh, za termoelektrane sa kombinovanim ciklusom - 4,7 centa/kWh i za dizel elektrane - 10,3 centa/kWh.

Izgradnja veće fabrike gorivnih ćelija (N=1564 kW), koja radi od 1997. godine u Kelnu, zahtevala je specifične kapitalne troškove u iznosu od 1500-1750 USD/kW, ali je cena stvarnih gorivnih ćelija bila samo 400 USD/kW

Sve navedeno pokazuje da su gorivne ćelije perspektivan tip opreme za proizvodnju energije kako za industriju tako i za autonomne instalacije u domaćem sektoru. Visoka efikasnost korištenja plina i odlične ekološke karakteristike daju razlog za vjerovanje da će nakon rješavanja najvažnijeg zadatka - smanjenja troškova - ova vrsta elektroenergetske opreme biti tražena na tržištu autonomnih sistema za opskrbu toplinom i električnom energijom.

Ekologija znanja Nauka i tehnologija: Energija vodonika je jedna od najefikasnijih industrija, a gorivne ćelije joj omogućavaju da ostane na čelu inovativnih tehnologija.

Gorivna ćelija je uređaj koji efikasno generiše jednosmernu struju i toplotu iz goriva bogatog vodonikom putem elektrohemijske reakcije.

Gorivna ćelija je slična bateriji po tome što generiše jednosmernu struju kroz hemijsku reakciju. Opet, poput baterije, gorivna ćelija uključuje anodu, katodu i elektrolit. Međutim, za razliku od baterija, gorive ćelije ne mogu skladištiti električnu energiju, ne prazne se i ne zahtijevaju električnu energiju za ponovno punjenje. Gorivne ćelije mogu kontinuirano proizvoditi električnu energiju sve dok imaju zalihe goriva i zraka. Tačan izraz za opisivanje funkcionalne gorivne ćelije je sistem ćelija, jer zahtijeva neke pomoćne sisteme da bi ispravno funkcionirali.

Princip rada gorivnih ćelija

Gorivne ćelije stvaraju električnu energiju i toplinu zbog tekuće elektrohemijske reakcije, koristeći elektrolit, katodu i anodu.

Anoda i katoda su razdvojene elektrolitom koji provodi protone. Nakon što vodik uđe u anodu, a kisik u katodu, počinje kemijska reakcija, uslijed koje nastaju električna struja, toplina i voda. Na anodnom katalizatoru, molekularni vodonik disocira i gubi elektrone. Vodikovi joni (protoni) se provode kroz elektrolit do katode, dok se elektroni prolaze kroz elektrolit i kroz vanjski električni krug, stvarajući jednosmjernu struju koja se može koristiti za napajanje opreme. Na katodnom katalizatoru, molekul kisika se kombinira s elektronom (koji se napaja iz vanjskih komunikacija) i dolaznim protonom, te formira vodu, koja je jedini produkt reakcije (u obliku pare i/ili tekućine).

Ispod je odgovarajuća reakcija:

Anodna reakcija: 2H2 => 4H+ + 4e-
Reakcija na katodi: O2 + 4H+ + 4e- => 2H2O
Opća reakcija elementa: 2H2 + O2 => 2H2O

Vrste gorivih ćelija

Slično kao što postoje različiti tipovi motora sa unutrašnjim sagorevanjem, postoje i različite vrste gorivih ćelija - izbor odgovarajuće vrste gorivih ćelija zavisi od njene primene.Gorivne ćelije se dijele na visokotemperaturne i niskotemperaturne. Gorivne ćelije niske temperature zahtijevaju relativno čist vodonik kao gorivo.

To često znači da je prerada goriva potrebna za pretvaranje primarnog goriva (kao što je prirodni plin) u čisti vodonik. Ovaj proces troši dodatnu energiju i zahtijeva posebnu opremu. Visokotemperaturnim gorivnim ćelijama nije potrebna ova dodatna procedura, jer mogu "interno pretvoriti" gorivo na povišenim temperaturama, što znači da nema potrebe za ulaganjem u vodoničnu infrastrukturu.

Gorivni elementi na rastopljenom karbonatu (MCFC).

Gorivne ćelije sa rastopljenim karbonatnim elektrolitom su gorive ćelije visoke temperature. Visoka radna temperatura omogućava direktnu upotrebu prirodnog gasa bez procesora goriva i niskokalorične vrednosti gorivog gasa iz procesnih goriva i drugih izvora. Ovaj proces je razvijen sredinom 1960-ih. Od tog vremena tehnologija proizvodnje, performanse i pouzdanost su poboljšani.

Kada se zagreju na temperaturu od 650°C, soli postaju provodnik za karbonatne jone (CO32-). Ovi ioni prelaze s katode na anodu gdje se spajaju s vodikom i formiraju vodu, ugljični dioksid i slobodne elektrone. Ovi elektroni se šalju kroz vanjski električni krug natrag na katodu, stvarajući električnu struju i toplinu kao nusproizvod.

Anodna reakcija: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e-
Reakcija na katodi: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-
Opća reakcija elementa: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(katoda) => H2O(g) + CO2(anoda)

Visoke radne temperature gorivnih ćelija rastopljenog karbonatnog elektrolita imaju određene prednosti. Na visokim temperaturama, prirodni gas se interno reformiše, eliminišući potrebu za procesorom goriva. Osim toga, prednosti uključuju mogućnost korištenja standardnih materijala za konstrukciju, kao što su lim od nehrđajućeg čelika i nikl katalizator na elektrodama. Otpadna toplota se može koristiti za proizvodnju pare pod visokim pritiskom za različite industrijske i komercijalne svrhe.

Visoke temperature reakcije u elektrolitu također imaju svoje prednosti. Korištenju visokih temperatura potrebno je dugo vremena da se postignu optimalni radni uvjeti, a sistem sporije reaguje na promjene u potrošnji energije. Ove karakteristike omogućavaju upotrebu sistema gorivnih ćelija sa rastopljenim karbonatnim elektrolitom u uslovima konstantne snage. Visoke temperature sprečavaju oštećenje gorivih ćelija ugljičnim monoksidom, "trovanje" itd.

Gorivne ćelije na bazi fosforne kiseline (PFC).

Gorivne ćelije na bazi fosforne (ortofosforne) kiseline bile su prve gorive ćelije za komercijalnu upotrebu. Ovaj proces je razvijen sredinom 1960-ih i testiran je od 1970-ih. Od tada, stabilnost, performanse i troškovi su povećani.

Gorivne ćelije na bazi fosforne (ortofosforne) kiseline koriste elektrolit na bazi ortofosforne kiseline (H3PO4) u koncentraciji do 100%. Jonska provodljivost fosforne kiseline je niska na niskim temperaturama, zbog čega se ove gorive ćelije koriste na temperaturama do 150-220°C.

Anodna reakcija: 2H2 => 4H+ + 4e-
Reakcija na katodi: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O
Opća reakcija elementa: 2H2 + O2 => 2H2O

Visoke performanse termoelektrana na gorivne ćelije na bazi fosforne (ortofosforne) kiseline u kombinovanoj proizvodnji toplotne i električne energije jedna je od prednosti ove vrste gorivih ćelija. Postrojenja koriste ugljični monoksid u koncentraciji od oko 1,5%, što uvelike proširuje izbor goriva. Osim toga, CO2 ne utiče na elektrolit i rad gorivne ćelije, ova vrsta ćelija radi sa reformisanim prirodnim gorivom. Jednostavna konstrukcija, niska isparljivost elektrolita i povećana stabilnost također su prednosti ove vrste gorivih ćelija.

Termoelektrane izlazne električne snage do 400 kW se proizvode industrijski. Instalacije za 11 MW su prošle odgovarajuće testove. Razvijaju se postrojenja sa izlaznom snagom do 100 MW.

Gorivne ćelije sa membranom za izmjenu protona (PME)

Gorivne ćelije sa membranom za protonsku izmjenu smatraju se najboljom vrstom gorivnih ćelija za proizvodnju energije vozila, koje mogu zamijeniti benzinske i dizel motore s unutrašnjim sagorijevanjem. Ove gorivne ćelije je prvi put koristila NASA za program Gemini. Danas se razvijaju i demonstriraju instalacije na MOPFC snage od 1 W do 2 kW.

Ove gorivne ćelije koriste čvrstu polimernu membranu (tanki plastični film) kao elektrolit. Kada je impregniran vodom, ovaj polimer propušta protone, ali ne provodi elektrone.

Anodna reakcija: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Reakcija na katodi: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Opća reakcija elementa: 2H2 + O2 => 2H2O

U poređenju sa drugim tipovima gorivih ćelija, gorivne ćelije sa membranom za izmjenu protona proizvode više snage za dati volumen ili težinu gorivne ćelije. Ova karakteristika im omogućava da budu kompaktni i lagani. Osim toga, radna temperatura je manja od 100°C, što vam omogućava brz početak rada. Ove karakteristike, kao i mogućnost brze promjene izlazne energije, samo su neke od karakteristika koje ove gorivne ćelije čine glavnim kandidatom za upotrebu u vozilima.

Još jedna prednost je što je elektrolit čvrsta, a ne tečna supstanca. Zadržavanje plinova na katodi i anodi lakše je s čvrstim elektrolitom i stoga su takve gorive ćelije jeftinije za proizvodnju. U poređenju sa drugim elektrolitima, upotreba čvrstog elektrolita ne izaziva probleme kao što je orijentacija, manje je problema zbog pojave korozije, što dovodi do dužeg trajanja ćelije i njenih komponenti.

Čvrste oksidne gorivne ćelije (SOFC)

Čvrste oksidne gorivne ćelije su gorivne ćelije s najvišom radnom temperaturom. Radna temperatura može varirati od 600°C do 1000°C, što omogućava upotrebu različitih vrsta goriva bez posebne predtretmana. Za podnošenje ovih visokih temperatura, korišteni elektrolit je tanak čvrsti metalni oksid na bazi keramike, često legura itrijuma i cirkonija, koji je provodnik kisikovih (O2-) jona. Tehnologija upotrebe čvrstih oksidnih gorivnih ćelija razvija se od kasnih 1950-ih. i ima dvije konfiguracije: ravan i cijevni.

Anodna reakcija: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e-
Reakcija na katodi: O2 + 4e- => 2O2-
Opća reakcija elementa: 2H2 + O2 => 2H2O

Efikasnost proizvedene električne energije je najveća od svih gorivnih ćelija - oko 60%. Pored toga, visoke radne temperature omogućavaju kombinovanu proizvodnju toplote i energije za stvaranje pare pod visokim pritiskom. Kombinovanjem gorivne ćelije visoke temperature sa turbinom stvara se hibridna gorivna ćelija koja povećava efikasnost proizvodnje električne energije do 70%.

Čvrste oksidne gorivne ćelije rade na veoma visokim temperaturama (600°C-1000°C), što rezultira dugo vremena za postizanje optimalnih radnih uslova, a sistem sporije reaguje na promene u potrošnji energije. Na tako visokim radnim temperaturama nije potreban pretvarač za rekuperaciju vodonika iz goriva, što omogućava termoelektranu da radi sa relativno nečistim gorivima iz gasifikacije uglja ili otpadnih gasova i slično. Takođe, ova gorivna ćelija je odlična za aplikacije velike snage, uključujući industrijske i velike centralne elektrane. Industrijski proizvedeni moduli sa izlaznom električnom snagom od 100 kW.

Gorivne ćelije sa direktnom oksidacijom metanola (DOMTE)

Tehnologija korištenja gorivnih ćelija s direktnom oksidacijom metanola prolazi kroz period aktivnog razvoja. Uspješno se etablirao u oblasti napajanja mobilnih telefona, laptopa, kao i za izradu prijenosnih izvora napajanja. čemu je usmjerena buduća primjena ovih elemenata.

Struktura gorivih ćelija sa direktnom oksidacijom metanola je slična gorivim ćelijama sa membranom za izmjenu protona (MOFEC), tj. polimer se koristi kao elektrolit, a vodikov ion (proton) se koristi kao nosilac naboja. Međutim, tečni metanol (CH3OH) se oksidira u prisustvu vode na anodi, oslobađajući CO2, vodikove ione i elektrone, koji se vode kroz vanjski električni krug, te se stvara električna struja. Vodikovi joni prolaze kroz elektrolit i reagiraju s kisikom iz zraka i elektronima iz vanjskog kruga i formiraju vodu na anodi.

Anodna reakcija: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e-
Reakcija na katodi: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O
Opća reakcija elementa: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O

Razvoj ovih gorivnih ćelija počeo je početkom 1990-ih. Nakon razvoja poboljšanih katalizatora, i zahvaljujući drugim nedavnim inovacijama, gustina snage i efikasnost povećani su do 40%.

Ovi elementi su testirani u temperaturnom opsegu od 50-120°C. Sa niskim radnim temperaturama i bez potrebe za pretvaračem, gorive ćelije s direktnim metanolom su najbolji kandidati za primjenu u rasponu od mobilnih telefona i drugih potrošačkih proizvoda do automobilskih motora. Prednost ove vrste gorivnih ćelija je njihova mala veličina, zbog upotrebe tečnog goriva, te odsustvo potrebe za korištenjem pretvarača.

Alkalne gorive ćelije (AFC)

Alkalne gorivne ćelije (ALFC) jedna su od najviše proučavanih tehnologija i koriste se od sredine 1960-ih. od strane NASA-e u programima Apollo i Space Shuttle. Na brodu ovih svemirskih letjelica, gorivne ćelije proizvode struju i vodu za piće. Alkalne gorivne ćelije su jedan od najefikasnijih elemenata koji se koriste za proizvodnju električne energije, sa efikasnošću proizvodnje električne energije do 70%.

Anodna reakcija: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Reakcija na katodi: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Opšta reakcija sistema: 2H2 + O2 => 2H2O

Prednost SFC-a je u tome što su ove gorivne ćelije najjeftinije za proizvodnju, budući da katalizator potreban na elektrodama može biti bilo koja od supstanci koje su jeftinije od onih koje se koriste kao katalizatori za druge gorivne ćelije. Osim toga, SCFC rade na relativno niskoj temperaturi i spadaju među najefikasnije gorive ćelije - takve karakteristike mogu doprinijeti bržem stvaranju energije i visokoj efikasnosti goriva.

Gorivne ćelije sa polimernim elektrolitom (PETE)

Čvrste kiselinske gorivne ćelije (SCFC)

U ćelijama sa čvrstim kiselim gorivom, elektrolit (CsHSO4) ne sadrži vodu. Radna temperatura je dakle 100-300°C. Rotacija SO42-oksi anjona omogućava protonima (crvenim) da se kreću kao što je prikazano na slici.

Tipično, gorivna ćelija s čvrstom kiselinom je sendvič u kojem je vrlo tanak sloj čvrstog kiselinskog spoja u sendviču između dvije čvrsto stisnute elektrode kako bi se osigurao dobar kontakt. Kada se zagrije, organska komponenta isparava, ostavljajući kroz pore u elektrodama, zadržavajući sposobnost brojnih kontakata između goriva (ili kisika na drugom kraju ćelije), elektrolita i elektroda.

Tip gorivne ćelije	Radna temperatura	Efikasnost proizvodnje energije	Vrsta goriva	Područje primjene
RKTE	550–700°C	50-70%		Srednje i velike instalacije
FKTE	100–220°C	35-40%	čisti vodonik	Velike instalacije
MOPTE	30-100°C	35-50%	čisti vodonik	Male instalacije
SOFC	450–1000°C	45-70%	Većina ugljovodoničnih goriva	Male, srednje i velike instalacije
POMTE	20-90°C	20-30%	metanol	Prijenosne jedinice
SHTE	50–200°C	40-65%	čisti vodonik	istraživanje svemira
PETE	30-100°C	35-50%	čisti vodonik	Male instalacije

Pridružite nam se na

Nissanova vodonična gorivna ćelija

Mobilna elektronika se svake godine poboljšava, postaje sve raširenija i pristupačnija: PDA uređaji, laptopi, mobilni i digitalni uređaji, okviri za fotografije, itd. veličina.. Tehnologije napajanja, za razliku od poluvodičke tehnologije, ne idu skokovima i granicama.

Dostupne baterije i akumulatori za napajanje dostignuća industrije postaju nedovoljni, pa je pitanje alternativnih izvora veoma akutno. Gorivne ćelije su daleko najperspektivniji smjer. Princip njihovog rada otkrio je davne 1839. William Grove, koji je proizveo električnu energiju mijenjajući elektrolizu vode.

Video: dokumentarni film, Gorivne ćelije za transport: prošlost, sadašnjost, budućnost

Gorivne ćelije interesuju proizvođače automobila, a za njih su zainteresovani i kreatori svemirskih letelica. Godine 1965. čak ih je Amerika testirala na Gemini 5 lansiranom u svemir, a kasnije i na Apollu. Milioni dolara se ulažu u istraživanja gorivih ćelija i danas, kada postoje problemi povezani sa zagađenjem životne sredine, povećanjem emisije stakleničkih gasova iz sagorevanja fosilnih goriva, čije rezerve takođe nisu beskrajne.

Gorivna ćelija, koja se često naziva i elektrohemijski generator, radi na način opisan u nastavku.

Biti, kao i akumulatori i baterije, galvanska ćelija, ali s tom razlikom što se aktivne tvari u njoj pohranjuju odvojeno. Oni dolaze do elektroda kako se koriste. Na negativnoj elektrodi gori prirodno gorivo ili bilo koja tvar dobivena iz njega, koja može biti plinovita (na primjer, vodik i ugljični monoksid) ili tečna, poput alkohola. Na pozitivnoj elektrodi, u pravilu, reagira kisik.

Ali princip rada koji izgleda jednostavno nije lako pretočiti u stvarnost.

DIY gorivne ćelije

Video: DIY vodonične gorivne ćelije

Nažalost, nemamo fotografije kako bi ovaj goriv element trebao izgledati, nadamo se vašoj mašti.

Gorivna ćelija male snage vlastitim rukama može se napraviti čak iu školskoj laboratoriji. Potrebno je nabaviti staru gas masku, nekoliko komada pleksiglasa, lužinu i vodenu otopinu etilnog alkohola (jednostavnije, votku), koji će poslužiti kao "gorivo" za gorivnu ćeliju.

Prije svega, potrebno vam je kućište za gorivnu ćeliju, koje je najbolje napraviti od pleksiglasa, debljine najmanje pet milimetara. Unutrašnje pregrade (pet pregrada iznutra) mogu se napraviti malo tanje - 3 cm. Za lijepljenje pleksiglasa koristi se ljepilo sljedećeg sastava: šest grama čipsa od pleksiglasa otopljeno je u sto grama hloroforma ili dihloroetana (rade ispod haube ).

U vanjskom zidu sada je potrebno izbušiti rupu u koju je potrebno umetnuti odvodnu staklenu cijev promjera 5-6 centimetara kroz gumeni čep.

Svima je poznato da se u periodnom sistemu u donjem levom uglu nalaze najaktivniji metali, a metaloidi visoke aktivnosti su u tabeli u gornjem desnom uglu, tj. sposobnost doniranja elektrona povećava se odozgo prema dolje i s desna na lijevo. Elementi koji se pod određenim uslovima mogu manifestovati kao metali ili metaloidi nalaze se u centru tabele.

Sada u drugi i četvrti odjeljak ulijemo aktivni ugljen iz gas maske (između prve pregrade i druge, kao i treće i četvrte), koja će djelovati kao elektrode. Kako se ugalj ne bi izlio kroz rupice, može se staviti u najlonsku tkaninu (dostat će ženske najlonske čarape). IN

Gorivo će cirkulisati u prvoj komori, u petoj bi trebalo da postoji snabdevač kiseonikom - vazduh. Između elektroda će biti elektrolit, a kako bi se spriječilo njegovo curenje u zračnu komoru, potrebno ga je natopiti otopinom parafina u benzinu (omjer 2 grama parafina na pola čaše benzina) prije punjenja četvrte komore ugljem za zračni elektrolit. Na sloj uglja potrebno je staviti (blago pritiskanje) bakrene ploče na koje su zalemljene žice. Preko njih će se struja preusmjeriti sa elektroda.

Ostaje samo napuniti element. Za to je potrebna votka, koja se mora razrijediti vodom u omjeru 1: 1. Zatim pažljivo dodajte trista do tri stotine i pedeset grama kaustičnog kalijuma. Za elektrolit, 70 grama kaustičnog kalijuma rastvoreno je u 200 grama vode.

Gorivna ćelija je spremna za testiranje. Sada morate istovremeno sipati gorivo u prvu komoru, a elektrolit u treću. Voltmetar pričvršćen na elektrode trebao bi pokazati od 07 volti do 0,9. Da bi se osigurao kontinuirani rad elementa, potrebno je istrošeno gorivo isprazniti (iscijediti u čašu) i dodati novo gorivo (kroz gumenu cijev). Brzina pomaka se kontrolira stiskanjem cijevi. Ovako izgleda rad gorivne ćelije u laboratorijskim uslovima, čija je snaga razumljivo mala.

Video: Goriva ćelija ili vječna baterija kod kuće

Da bi snaga bila veća, naučnici već dugo rade na ovom problemu. Gorivne ćelije metanola i etanola nalaze se na čeliku za aktivni razvoj. Ali, nažalost, do sada ne postoji način da se oni provedu u praksi.

Zašto je gorivna ćelija odabrana kao alternativni izvor energije

Kao alternativni izvor energije odabrana je gorivna ćelija, budući da je krajnji proizvod sagorijevanja vodonika u njoj voda. Problem je samo u pronalaženju jeftinog i efikasnog načina za proizvodnju vodonika. Kolosalna sredstva uložena u razvoj vodonik generatora i gorivnih ćelija ne mogu ne uroditi plodom, pa je tehnološki iskorak i njihova stvarna upotreba u svakodnevnom životu samo pitanje vremena.

Već danas čudovišta automobilske industrije: General Motors, Honda, Dreimler Koisler, Ballard demonstriraju autobuse i automobile koji rade na gorive ćelije snage do 50 kW. Ali, problemi povezani s njihovom sigurnošću, pouzdanošću, troškovima - još nisu riješeni. Kao što je već spomenuto, za razliku od tradicionalnih izvora energije – baterija i baterija, u ovom slučaju, oksidant i gorivo se napajaju izvana, a gorivna ćelija je samo posrednik u tekućoj reakciji sagorijevanja goriva i pretvaranja oslobođene energije u električnu energiju. . „Sagorevanje“ se javlja samo ako element daje struju opterećenju, kao dizel električni generator, ali bez generatora i dizela, a takođe i bez buke, dima i pregrijavanja. Istovremeno, efikasnost je mnogo veća, jer nema međumehanizma.

Video: Automobil na vodikove gorive ćelije

Velike nade polažu se u upotrebu nanotehnologija i nanomaterijala, koji će pomoći u minijaturizaciji gorivnih ćelija, uz povećanje njihove snage. Bilo je izvještaja da su stvoreni ultra efikasni katalizatori, kao i dizajni gorivih ćelija koji nemaju membrane. U njima se, zajedno s oksidatorom, elementu dovodi gorivo (na primjer, metan). Zanimljiva su rješenja, gdje se kisik otopljen u vodi koristi kao oksidant, a kao gorivo se koriste organske nečistoće koje se nakupljaju u zagađenim vodama. To su takozvane ćelije za biogorivo.

Gorivne ćelije, prema mišljenju stručnjaka, mogu ući na masovno tržište u narednim godinama