Kompakt üzemanyagcella hátrányai. DIY üzemanyagcella

benzintank- ez egy galvanikus cellához hasonló elektrokémiai berendezés, de abban különbözik tőle, hogy az elektrokémiai reakcióhoz szükséges anyagokat kívülről táplálják bele - ellentétben a galvánelemben vagy akkumulátorban tárolt korlátozott energiamennyiséggel.

Rizs. egy. Néhány üzemanyagcella

Az üzemanyagcellák az üzemanyag kémiai energiáját elektromos árammá alakítják át, megkerülve a nagy veszteséggel fellépő nem hatékony égési folyamatokat. Kémiai reakció eredményeként a hidrogént és az oxigént elektromos árammá alakítják. A folyamat eredményeként víz képződik, és nagy mennyiségű hő szabadul fel. Az üzemanyagcella nagyon hasonlít egy akkumulátorhoz, amely feltölthető, majd elektromos energia tárolására használható. Az üzemanyagcella feltalálója William R. Grove, aki még 1839-ben találta fel. Ebben az üzemanyagcellában kénsav oldatot használtak elektrolitként, hidrogént pedig üzemanyagként, amely oxidáló közegben oxigénnel egyesült. Egészen a közelmúltig az üzemanyagcellákat csak laboratóriumokban és űrhajókon használták.

Rizs. 2.

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

Az üzemanyagcellák rendkívül hatékonyak, és nem termelnek nagy mennyiségű üvegházhatású gázt, például szén-dioxidot, metánt és dinitrogén-oxidot. Az üzemanyagcellák által kibocsátott termékek kizárólag a víz gőz formájában és kis mennyiségű szén-dioxid, amely egyáltalán nem bocsát ki, ha tiszta hidrogént használnak üzemanyagként. Az üzemanyagcellákat szerelvényekké, majd külön funkcionális modulokká szerelik össze.

Az üzemanyagcelláknak nincs mozgó alkatrésze (legalábbis magában a cellában nem), és így nem engedelmeskednek Carnot törvényének. Vagyis több mint 50%-os hatásfokkal rendelkeznek, és különösen alacsony terhelésnél hatékonyak. Így az üzemanyagcellás járművek üzemanyag-hatékonyabbak lehetnek (és már bebizonyosodott, hogy azok) valós vezetési körülmények között, mint a hagyományos járművek.

Az üzemanyagcella egyenáramú elektromos áramot állít elő, amely felhasználható elektromos motorok, világítótestek és egyéb elektromos rendszerek meghajtására a járműben.

Az üzemanyagcelláknak többféle típusa létezik, amelyek az alkalmazott kémiai eljárásokban különböznek egymástól. Az üzemanyagcellákat általában az általuk használt elektrolit típusa szerint osztályozzák.

Egyes típusú üzemanyagcellák ígéretesek erőművekben, míg mások hordozható eszközökhöz vagy autók vezetéséhez használhatók.

1. Alkáli üzemanyagcellák (AFC)

Lúgos üzemanyagcella- Ez az egyik legelső kidolgozott elem. Az alkáli üzemanyagcellák (ALFC-k) az egyik legtöbbet tanulmányozott technológia, amelyet a NASA az 1960-as évek közepe óta használ az Apollo és Space Shuttle programban. Ezeken az űrhajókon az üzemanyagcellák termelnek áramot és ivóvizet.

Rizs. 3.

Az alkáli tüzelőanyagcellák az egyik leghatékonyabb villamosenergia-termelési elem, az energiatermelés hatékonysága eléri a 70%-ot.

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

Anódreakció: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e

Reakció a katódon: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH

A rendszer általános reakciója: 2H2 + O2 => 2H2O

Az SFC-k előnye, hogy ezeket az üzemanyagcellákat a legolcsóbban gyártani, mivel az elektródákon szükséges katalizátor bármely olyan anyag lehet, amely olcsóbb, mint a többi üzemanyagcella katalizátora. Ezenkívül az SFC-k viszonylag alacsony hőmérsékleten működnek, és a leghatékonyabbak közé tartoznak.

Az SFC egyik jellemző tulajdonsága a nagy érzékenysége a CO2-ra, amelyet az üzemanyag vagy a levegő tartalmazhat. A CO2 reakcióba lép az elektrolittal, gyorsan megmérgezi, és nagymértékben csökkenti az üzemanyagcella hatékonyságát. Ezért az SFC-k használata zárt terekre korlátozódik, például űrhajókra és víz alatti járművekre, tiszta hidrogénnel és oxigénnel működnek.

2. Karbonát olvadék üzemanyagcellák (MCFC)

Üzemanyagcellák olvadt karbonát elektrolittal magas hőmérsékletű üzemanyagcellák. A magas üzemi hőmérséklet lehetővé teszi a földgáz közvetlen felhasználását tüzelőanyag-feldolgozó nélkül, valamint az alacsony fűtőértékű fűtőgázt technológiai tüzelőanyagokból és egyéb forrásokból. Ezt a folyamatot az 1960-as évek közepén fejlesztették ki. Azóta a gyártási technológia, a teljesítmény és a megbízhatóság javult.

Rizs. négy.

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

650°C-ra hevítve a sók a karbonátionok (CO32-) vezetőjévé válnak. Ezek az ionok a katódról az anódra jutnak, ahol hidrogénnel egyesülve vizet, szén-dioxidot és szabad elektronokat képeznek. Ezeket az elektronokat egy külső elektromos áramkörön keresztül visszaküldik a katódra, és melléktermékként elektromos áramot és hőt állítanak elő.

Anód reakció: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e

Reakció a katódon: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-

Általános elemreakció: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(katód) => H2O(g) + CO2(anód)

Az olvadt karbonát elektrolit üzemanyagcellák magas üzemi hőmérséklete bizonyos előnyökkel jár. Előnye a szabványos anyagok (rozsdamentes acéllemez és nikkelkatalizátor az elektródákon) használatának lehetősége. A hulladékhő nagynyomású gőz előállítására használható. Az elektrolit magas reakcióhőmérsékletének is megvannak a maga előnyei. A magas hőmérséklet alkalmazása hosszú ideig tart az optimális működési feltételek eléréséhez, és a rendszer lassabban reagál az energiafogyasztás változásaira. Ezek a jellemzők lehetővé teszik az olvadt karbonát elektrolitot tartalmazó üzemanyagcellás rendszerek használatát állandó teljesítmény mellett. A magas hőmérséklet megakadályozza az üzemanyagcella szén-monoxid általi károsodását, "mérgezést" stb.

Az olvadt karbonát üzemanyagcellák alkalmasak nagy, helyhez kötött létesítményekben való használatra. A 2,8 MW kimenő villamos teljesítményű hőerőműveket iparilag gyártják. Legfeljebb 100 MW kimenő teljesítményű erőművek fejlesztése folyik.

3. Foszforsav (PFC) alapú üzemanyagcellák

Foszforsav (ortofoszforsav) alapú üzemanyagcellák lett az első kereskedelmi használatra szánt üzemanyagcella. Ezt az eljárást a XX. század 60-as éveinek közepén fejlesztették ki, teszteket a XX. század 70-es évei óta végeznek. Ennek eredményeként javult a stabilitás és a teljesítmény, és csökkentek a költségek.

Rizs. 5.

A foszforsav (ortofoszforsav) alapú üzemanyagcellák ortofoszforsav (H3PO4) alapú elektrolitot használnak, amelynek koncentrációja akár 100%. A foszforsav ionvezetőképessége alacsony hőmérsékleten alacsony, ezért ezeket az üzemanyagcellákat 150-220°C-ig használják.

Az ilyen típusú üzemanyagcellák töltéshordozója a hidrogén (H+, proton). Hasonló folyamat megy végbe a protoncserélő membrán üzemanyagcellákban (MEFC), amelyek során az anódhoz juttatott hidrogén protonokra és elektronokra bomlik. A protonok áthaladnak az elektroliton, és a katódon a levegőből származó oxigénnel egyesülve vizet képeznek. Az elektronokat egy külső elektromos áramkör mentén irányítják, és elektromos áram keletkezik. Az alábbiakban bemutatjuk azokat a reakciókat, amelyek elektromosságot és hőt termelnek.

Anódreakció: 2H2 => 4H+ + 4e

Reakció a katódon: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O

Általános elemreakció: 2H2 + O2 => 2H2O

A foszforsav (ortofoszforsav) alapú üzemanyagcellák hatékonysága több mint 40% elektromos energia előállítása során. A kombinált hő- és villamosenergia-termelésben a teljes hatásfok körülbelül 85%. Ezen túlmenően, tekintettel az üzemi hőmérsékletre, a hulladékhő felhasználható víz melegítésére és légköri nyomású gőz előállítására.

Az ilyen típusú tüzelőanyagcellák egyik előnye a foszforsav (ortofoszfor)sav alapú tüzelőanyag-cellás hőerőművek nagy teljesítménye a hő és villamos energia kombinált előállításában. Az üzemek körülbelül 1,5%-os koncentrációban használnak szén-monoxidot, ami nagymértékben bővíti az üzemanyag választékot. Az egyszerű felépítés, az alacsony elektrolit illékonyság és a megnövelt stabilitás szintén az ilyen üzemanyagcellák előnyei.

A legfeljebb 400 kW kimenő villamos teljesítményű hőerőműveket iparilag gyártják. A 11 MW teljesítményű létesítmények megfeleltek a vonatkozó teszteknek. Legfeljebb 100 MW kimenő teljesítményű erőművek fejlesztése folyik.

4. Üzemanyagcellák protoncserélő membránnal (MOFEC)

Protoncserélő membránnal ellátott üzemanyagcellák a legjobb üzemanyagcella típusnak számítanak a járművek energiatermelésében, amelyek helyettesíthetik a benzines és dízel belső égésű motorokat. Ezeket az üzemanyagcellákat először a NASA használta a Gemini programhoz. Az 1 W-tól 2 kW-ig terjedő teljesítményű MOPFC rendszereket fejlesztették ki és mutatják be.

Rizs. 6.

Ezekben az üzemanyagcellákban az elektrolit szilárd polimer membrán (vékony műanyag film). Vízzel impregnálva ez a polimer áthalad a protonokon, de nem vezet elektronokat.

Az üzemanyag hidrogén, a töltéshordozó pedig egy hidrogénion (proton). Az anódnál a hidrogénmolekula hidrogénionra (protonra) és elektronokra válik szét. A hidrogénionok az elektroliton keresztül a katódhoz jutnak, míg az elektronok a külső kör körül mozogva elektromos energiát termelnek. A levegőből vett oxigént a katódra táplálják, és elektronokkal és hidrogénionokkal egyesülve vizet képeznek. Az elektródákon a következő reakciók mennek végbe: Anód reakció: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4eKatód reakció: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH Teljes cella reakció: 2H2 + O2 => 2H2O Más típusú üzemanyagcellákhoz, üzemanyagcellákhoz képest protoncserélő membránnal több energiát termelnek az üzemanyagcella adott térfogatához vagy tömegéhez. Ez a funkció lehetővé teszi, hogy kompaktak és könnyűek legyenek. Ezenkívül az üzemi hőmérséklet 100 °C alatt van, ami lehetővé teszi a működés gyors elindítását. Ezek a jellemzők, valamint az energiakibocsátás gyors megváltoztatásának képessége csak néhány azon jellemzők közül, amelyek miatt ezek az üzemanyagcellák első számú jelöltek a járművekben való használatra.

További előnye, hogy az elektrolit szilárd, nem pedig folyékony. Szilárd elektrolittal könnyebb a gázokat a katódon és az anódnál tartani, így olcsóbb az ilyen üzemanyagcellák gyártása. Szilárd elektrolit használatakor nincsenek olyan nehézségek, mint az orientáció, és kevesebb probléma a korrózió fellépése miatt, ami növeli a cella és alkatrészeinek tartósságát.

Rizs. 7.

5. Szilárd oxid üzemanyagcellák (SOFC)

Szilárd oxid üzemanyagcellák a legmagasabb üzemi hőmérsékletű üzemanyagcellák. Az üzemi hőmérséklet 600°C és 1000°C között változhat, ami lehetővé teszi különféle típusú üzemanyagok használatát speciális előkezelés nélkül. E magas hőmérsékletek kezelésére az elektrolitként vékony, kerámia alapú szilárd fém-oxidot használnak, amely gyakran ittrium és cirkónium ötvözete, amely oxigén (O2-) ionok vezetője. A szilárd oxid üzemanyagcellák használatának technológiája az 1950-es évek vége óta fejlődik, és két konfigurációja van: sík és cső alakú.

A szilárd elektrolit hermetikus gázátmenetet biztosít egyik elektródáról a másikra, míg a folyékony elektrolitok porózus hordozóban helyezkednek el. Az ilyen típusú üzemanyagcellák töltéshordozója az oxigénion (О2-). A katódon az oxigénmolekulák a levegőtől egy oxigénionra és négy elektronra válnak el. Az oxigénionok áthaladnak az elektroliton, és a hidrogénnel egyesülve négy szabad elektront képeznek. Az elektronokat egy külső elektromos áramkörön keresztül irányítják, elektromos áramot és hulladékhőt termelve.

Rizs. nyolc.

Anód reakció: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e

Reakció a katódon: O2 + 4e- => 2O2-

Általános elemreakció: 2H2 + O2 => 2H2O

A villamosenergia-termelés hatékonysága az összes tüzelőanyag-cella közül a legmagasabb - körülbelül 60%. Ezenkívül a magas üzemi hőmérséklet lehetővé teszi a kombinált hő- és villamosenergia-termelést nagynyomású gőz előállítására. A magas hőmérsékletű üzemanyagcella és a turbina kombinálása egy hibrid üzemanyagcellát hoz létre, amely akár 70%-kal növeli az elektromos energiatermelés hatékonyságát.

A szilárd oxid üzemanyagcellák nagyon magas hőmérsékleten (600°C-1000°C) működnek, ami jelentős időt vesz igénybe az optimális működési feltételek eléréséhez, és a rendszer lassabban reagál az energiafogyasztás változásaira. Ilyen magas üzemi hőmérsékleten nincs szükség konverterre a hidrogén visszanyeréséhez a tüzelőanyagból, ami lehetővé teszi, hogy a hőerőmű viszonylag szennyezett tüzelőanyaggal működjön a szénelgázosításból vagy a füstgázokból és hasonlókból. Ezenkívül ez az üzemanyagcella kiválóan alkalmas nagy teljesítményű alkalmazásokhoz, beleértve az ipari és nagy központi erőműveket. Iparilag gyártott modulok 100 kW kimenő elektromos teljesítménnyel.

6. Közvetlen metanol-oxidációval rendelkező üzemanyagcellák (DOMTE)

Üzemanyagcellák közvetlen metanol oxidációval sikeresen használják a mobiltelefonok, laptopok táplálásában, valamint hordozható áramforrások létrehozásában, ami az ilyen elemek jövőbeni felhasználása.

A metanol direkt oxidációjával rendelkező üzemanyagcellák szerkezete hasonló a protoncserélő membránnal (MOFEC) rendelkező üzemanyagcellák szerkezetéhez, pl. elektrolitként polimert, töltéshordozóként hidrogéniont (protont) használnak. De a folyékony metanol (CH3OH) víz jelenlétében oxidálódik az anódnál, CO2, hidrogénionok és elektronok szabadulnak fel, amelyeket egy külső elektromos áramkörön keresztül továbbítanak, és elektromos áram keletkezik. A hidrogénionok áthaladnak az elektroliton, és reakcióba lépnek a levegő oxigénjével és a külső áramkör elektronjaival, hogy vizet képezzenek az anódon.

Anódreakció: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6eKatód reakció: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O Összes elem reakció: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O 1990-es évek, fajlagos teljesítményük és hatásfokuk nőtt 40%-ra.

Ezeket az elemeket 50-120°C hőmérséklet-tartományban tesztelték. Alacsony üzemi hőmérsékletüknek és konverter szükségességének köszönhetően ezek az üzemanyagcellák a legalkalmasabbak mobiltelefonokban és egyéb fogyasztási cikkekben, valamint autómotorokban. Előnyük a kis méretek is.

7. Polimer elektrolit üzemanyagcellák (PETE)

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

8. Szilárd savas üzemanyagcellák (SCFC)

A szilárd savas üzemanyagcellákban az elektrolit (CsHSO4) nem tartalmaz vizet. Az üzemi hőmérséklet tehát 100-300°C. Az SO42-oxianionok forgása lehetővé teszi a protonok (piros) mozgását az ábrán látható módon. A szilárd savas tüzelőanyag-cella általában olyan szendvics, amelyben egy nagyon vékony réteg szilárd savvegyületet helyeznek el két szorosan összenyomott elektróda közé a jó érintkezés biztosítása érdekében. Melegítéskor a szerves komponens elpárolog, és az elektródák pórusain keresztül távozik, megtartva az üzemanyag (vagy a cella másik végén lévő oxigén), az elektrolit és az elektródák közötti számos érintkezési képességet.

Rizs. 9.

9. Az üzemanyagcellák legfontosabb jellemzőinek összehasonlítása

Rizs. tíz.

10. Üzemanyagcellák használata autókban

Rizs. tizenegy.

Rizs. 12.

Energetikai szakértők megjegyzik, hogy a legtöbb fejlett országban gyorsan nő az érdeklődés a viszonylag kis kapacitású, szétszórt energiaforrások iránt. Ezen autonóm erőművek fő előnyei a mérsékelt építési költségek, a gyors üzembe helyezés, a viszonylag egyszerű karbantartás és a jó környezeti teljesítmény. Autonóm áramellátó rendszer esetén nincs szükség távvezetékekre és alállomásokra való beruházásra. Az autonóm energiaforrások közvetlenül a fogyasztási pontokon történő elhelyezése nemcsak a hálózatok veszteségeit szünteti meg, hanem növeli az áramellátás megbízhatóságát is.

Jól ismertek az önálló energiaforrások, mint a kis gázturbinák (gázturbinák), ​​a belső égésű motorok, a szélturbinák és a félvezető napelemek.

A belső égésű motorokkal vagy szén/gázturbinákkal ellentétben az üzemanyagcellák nem égetnek üzemanyagot. Kémiai reakcióval alakítják át az üzemanyag kémiai energiáját elektromossággá. Ezért az üzemanyagcellák nem termelnek nagy mennyiségű üvegházhatású gázt, amely az üzemanyag elégetése során szabadul fel, mint például szén-dioxid (CO2), metán (CH4) és nitrogén-oxid (NOx). Az üzemanyagcella-kibocsátás a víz gőz formájában és alacsony szén-dioxid-szint (vagy egyáltalán nincs CO2-kibocsátás), ha hidrogént használnak üzemanyagként a cellákhoz. Ezenkívül az üzemanyagcellák csendesen működnek, mivel nem tartalmaznak zajos nagynyomású rotorokat, és működés közben nincs kipufogó zaj vagy rezgés.

Az üzemanyagcella az üzemanyag kémiai energiáját oxigénnel vagy más oxidálószerrel végzett kémiai reakció révén elektromos árammá alakítja. Az üzemanyagcellák egy anódból (negatív oldal), egy katódból (pozitív oldal) és egy elektrolitból állnak, amely lehetővé teszi a töltések mozgását az üzemanyagcella két oldala között (ábra: Fuel Cell semmatic Diagram).

Az elektronok az anódról a katódra mozognak a külső áramkörön keresztül, egyenáramot hozva létre. Tekintettel arra, hogy a különböző típusú üzemanyagcellák közötti fő különbség az elektrolit, az üzemanyagcellákat a felhasznált elektrolit típusa szerint osztják fel, pl. magas és alacsony hőmérsékletű üzemanyagcellák (TEPM, PMTE). A hidrogén a leggyakoribb tüzelőanyag, de néha szénhidrogének, például földgáz és alkoholok (azaz metanol) is használhatók. Az üzemanyagcellák abban különböznek az akkumulátoroktól, hogy állandó tüzelőanyag-forrást és oxigént/levegőt igényelnek a kémiai reakció fenntartásához, és mindaddig termelnek áramot, amíg ellátják őket.

Az üzemanyagcellák a következő előnyökkel rendelkeznek a hagyományos energiaforrásokkal, például a belső égésű motorokkal vagy akkumulátorokkal szemben:

• Az üzemanyagcellák hatékonyabbak, mint a dízel- vagy gázmotorok.
• A legtöbb üzemanyagcella hangtalan a belső égésű motorokhoz képest. Ezért alkalmasak speciális követelményeket támasztó épületekhez, például kórházakhoz.
• Az üzemanyagcellák nem vezetnek a fosszilis tüzelőanyagok elégetése által okozott szennyezéshez; például a hidrogén üzemanyagcellák egyetlen mellékterméke a víz.
• Ha a hidrogént megújuló energiaforrásból származó víz elektrolíziséből nyerik, akkor üzemanyagcellák használatakor a teljes ciklus során nem szabadul fel üvegházhatású gáz.
• Az üzemanyagcellákhoz nincs szükség hagyományos üzemanyagokra, például olajra vagy gázra, így megszűnik az olajtermelő országoktól való gazdasági függés, és nagyobb energiabiztonság érhető el.
• Az üzemanyagcellák nem függenek az elektromos hálózatoktól, mivel hidrogént bárhol lehet előállítani, ahol víz és áram áll rendelkezésre, és a megtermelt tüzelőanyag szétosztható.
• Ha helyhez kötött üzemanyagcellákat használnak az energia előállítására a fogyasztás helyén, akkor decentralizált energiahálózatok használhatók, amelyek potenciálisan stabilabbak.
• Az alacsony hőmérsékletű üzemanyagcellák (LEPM, PMFC) alacsony hőátadási szinttel rendelkeznek, így ideálisak különféle alkalmazásokhoz.
• A magasabb hőmérsékletű tüzelőanyag-cellák jó minőségű folyamathőt állítanak elő villamos energiával együtt, és kiválóan alkalmasak kapcsolt energiatermelésre (például lakóépületek kapcsolt energiatermelésére).
• Az üzemidő sokkal hosszabb, mint az akkumulátorok üzemideje, mivel csak több üzemanyagra van szükség az üzemidő növeléséhez, és nincs szükség a növény termelékenységének növelésére.
• Az akkumulátoroktól eltérően az üzemanyagcellák "memória-effektussal" rendelkeznek tankoláskor.
• Az üzemanyagcellák karbantartása egyszerű, mivel nincsenek nagy mozgó alkatrészeik.

Az üzemanyagcellák leggyakoribb üzemanyaga a hidrogén, mivel nem bocsát ki káros szennyező anyagokat. Azonban más üzemanyagok is használhatók, és a földgáz üzemanyagcellák hatékony alternatívának tekinthetők, ha a földgáz versenyképes áron érhető el. Az üzemanyagcellákban az üzemanyag és az oxidálószerek áramlása elektrolittal elválasztott elektródákon halad át. Ez kémiai reakciót vált ki, amely elektromosságot termel; nincs szükség tüzelőanyag elégetésére vagy hőenergia hozzáadására, ami általában a hagyományos villamosenergia-termelési módok esetében történik. Ha tüzelőanyagként természetes tiszta hidrogént, oxidálószerként pedig oxigént használunk, az üzemanyagcellában végbemenő reakció eredményeként víz, hőenergia és elektromos áram keletkezik. Más tüzelőanyagokkal együtt használva az üzemanyagcellák nagyon alacsony szennyezőanyag-kibocsátást bocsátanak ki, és kiváló minőségű, megbízható villamos energiát termelnek.

A földgáz üzemanyagcellák előnyei a következők:

• Előnyök a környezet számára- Az üzemanyagcellák tiszta módszer a fosszilis tüzelőanyagokból történő villamosenergia-termelésre. mivel a tiszta hidrogénnel és oxigénnel működő üzemanyagcellák csak vizet, villamos energiát és hőt termelnek; más típusú üzemanyagcellák elhanyagolható mennyiségű kénvegyületet és nagyon alacsony szén-dioxid-szintet bocsátanak ki. Az üzemanyagcellák által kibocsátott szén-dioxid azonban koncentrált, és könnyen felfogható, ahelyett, hogy a légkörbe kerülne.
• Hatékonyság- Az üzemanyagcellák sokkal hatékonyabban alakítják át a fosszilis tüzelőanyagokban rendelkezésre álló energiát elektromos energiává, mint a hagyományos tüzelőanyag-tüzelésű villamosenergia-termelési módszerek. Ez azt jelenti, hogy ugyanannyi villamos energia előállításához kevesebb üzemanyagra van szükség. Az Országos Energiatechnológiai Laboratórium 58 szerint olyan üzemanyagcellák (földgázturbinákkal kombinálva) gyárthatók, amelyek 1-20 MWe teljesítménytartományban működnek, 70%-os hatásfokkal. Ez a hatásfok jóval magasabb, mint a hagyományos energiatermelési módszerekkel a megadott teljesítménytartományban elérhető hatásfok.
• Gyártás forgalmazással- Az üzemanyagcellák nagyon kis méretben gyárthatók; ez lehetővé teszi, hogy olyan helyeken helyezzék el őket, ahol elektromos áramra van szükség. Ez vonatkozik a lakossági, kereskedelmi, ipari és még járműbeépítésekre is.
• Megbízhatóság- Az üzemanyagcellák teljesen zárt eszközök, amelyekben nincsenek mozgó alkatrészek vagy összetett gépek. Ez megbízható áramforrássá teszi őket, amelyek több órán át képesek működni. Ráadásul szinte csendes és biztonságos áramforrások. Az üzemanyagcellákban sincsenek elektromos túlfeszültségek; ez azt jelenti, hogy olyan esetekben használhatók, amikor folyamatosan működő, megbízható áramforrásra van szükség.

Egészen a közelmúltig kevésbé voltak népszerűek az üzemanyagcellák (FC), amelyek olyan elektrokémiai generátorok, amelyek képesek kémiai energiát elektromos energiává alakítani, az égési folyamatok megkerülésével, a hőenergiát mechanikai energiává, az utóbbit pedig elektromos energiává alakítani. Az üzemanyagcellákban elektromos energia keletkezik a redukálószer és az oxidálószer közötti kémiai reakció következtében, amelyeket folyamatosan az elektródákhoz juttatnak. A redukálószer leggyakrabban hidrogén, az oxidálószer oxigén vagy levegő. Az üzemanyagcella-köteg és a reagenseket szállító, reakciótermékeket és hőt eltávolító eszközök kombinációja (amely hasznosítható) egy elektrokémiai generátor.
A 20. század utolsó évtizedében, amikor az áramellátás megbízhatósága és a környezetvédelmi szempontok különösen fontosak voltak, Európában, Japánban és az Egyesült Államokban számos cég kezdett fejleszteni és gyártani az üzemanyagcellák többféle változatát.
A legegyszerűbbek a lúgos tüzelőanyag-cellák, amelyekből indult ki az ilyen típusú autonóm energiaforrások fejlesztése. Az üzemi hőmérséklet ezekben az üzemanyagcellákban 80-95°C, az elektrolit 30%-os marókálium-oldat. Az alkáli üzemanyagcellák tiszta hidrogénnel működnek.
Az utóbbi időben széles körben elterjedt a protoncserélő membránokkal (polimer elektrolittal) ellátott PEM üzemanyagcella. Az üzemi hőmérséklet ennél az eljárásnál is 80-95°C, de elektrolitként szilárd, perfluorszulfonsavat tartalmazó ioncserélő membránt használnak.
El kell ismerni, hogy kereskedelmi szempontból a legvonzóbb a PAFC foszforsavas tüzelőanyag-cella, amely önmagában 40%-os hatásfokot ér el az áramtermelésben, és -85%-os hatásfokot a megtermelt hő felhasználásával. Ennek az üzemanyagcellának az üzemi hőmérséklete 175-200°C, elektrolitja folyékony foszforsavas impregnáló szilícium-karbid, teflon kötéssel.

A cellacsomag két porózus grafitelektródával és elektrolitként ortofoszforsavat tartalmaz. Az elektródák platina katalizátorral vannak bevonva. A reformerben a földgáz gőzzel kölcsönhatásba lépve hidrogénné és CO-vá alakul át, amely a konverterben ezenkívül CO2-vé oxidálódik. Továbbá a katalizátor hatására az anódon a hidrogénmolekulák H-ionokká disszociálnak, a reakció során felszabaduló elektronok a terhelésen keresztül a katódra kerülnek. A katódon reagálnak az elektroliton átdiffundáló hidrogénionokkal és oxigénionokkal, amelyek a katódon a levegő oxigénjének katalitikus oxidációja eredményeként keletkeznek, végül víz keletkezik.
Az MCFC típusú olvadt karbonátos üzemanyagcellák szintén az ígéretes üzemanyagcella-típusok közé tartoznak. Ez az üzemanyagcella metánnal üzemelve 50-57%-os villamosenergia-hatékonysággal rendelkezik. Működési hőmérséklet 540-650 °C, elektrolit - olvadt kálium- és nátrium-alkáli-karbonát héjban - LiA102 lítium-alumínium-oxid mátrixa.
És végül, a legígéretesebb üzemanyag-elem a SOFC. Ez egy szilárd oxid üzemanyagcella, amely bármilyen gáznemű tüzelőanyagot használ, és a legalkalmasabb viszonylag nagy telepítésekhez. Energiahatékonysága 50-55%, kombinált ciklusú üzemekben alkalmazva akár 65%. Üzemi hőmérséklet 980-1000°C, elektrolit - szilárd cirkónium, ittriummal stabilizálva.

ábrán. A 2. ábrán a Siemens Westinghouse Power Corporation (SWP – Németország) által kifejlesztett 24 cellás SOFC akkumulátor látható. Ez az akkumulátor egy földgázzal működő elektrokémiai generátor alapja. Az ilyen típusú, 400 W teljesítményű erőmű első demonstrációs tesztjeit már 1986-ban elvégezték. A következő években a szilárd oxidos tüzelőanyag-cellák kialakítása javult, teljesítményük megnőtt.

A legsikeresebbek az 1999-ben üzembe helyezett 100 kW teljesítményű erőmű demonstrációs tesztjei, amelyek megerősítették a nagy hatásfokú (46%) villamos energia beszerzésének lehetőségét, valamint a jellemzők nagy stabilitását is. Így bebizonyosodott annak a lehetősége, hogy az erőművet legalább 40 ezer órán át, elfogadható teljesítménycsökkenés mellett is üzemeltethető.

2001-ben új, szilárd oxid elemekre épülő erőművet fejlesztettek ki, amely légköri nyomáson üzemel. A 250 kW-os erőművi teljesítményű akkumulátor (elektrokémiai generátor) kombinált villamosenergia- és hőtermeléssel 2304 szilárd oxid csőelemet tartalmazott. Ezen kívül az üzem tartalmazott invertert, regenerátort, tüzelőanyag- (földgáz) fűtőtestet, égéskamrát a légfűtéshez, hőcserélőt a füstgázok hőjének felhasználásával vízmelegítéshez, és egyéb segédberendezéseket. Ugyanakkor a berendezés teljes méretei meglehetősen mérsékeltek voltak: 2,6x3,0x10,8 m.
A japán szakemberek némi előrelépést értek el a nagyméretű üzemanyagcellák fejlesztésében. Japánban már 1972-ben elkezdődtek a kutatások, de jelentős előrelépés csak a 90-es évek közepén történt. A kísérleti üzemanyagcellás modulok 50-1000 kW teljesítményűek voltak, 2/3-uk földgázzal működött.
1994-ben Japánban 1 MW-os üzemanyagcellás erőmű épült. A 71%-os teljes hatásfok (gőz- és melegvíz-termeléssel) mellett a létesítmény villamosenergia-ellátási hatékonysági tényezője legalább 36%. Sajtóértesülések szerint 1995 óta 11 MW-os foszforsavas üzemanyagcellás erőmű működik Tokióban, és 2000-re a teljes üzemanyagcellás teljesítmény elérte a 40 MW-ot.

Az összes fent felsorolt ​​berendezés az ipari osztályba tartozik. Fejlesztőik folyamatosan törekednek a blokkok teljesítményének növelésére a költségjellemzők (a beépített teljesítmény kW-onkénti fajlagos költsége és a megtermelt villamos energia költsége) javítása érdekében. De több cég is más célt tűz ki maga elé: a legegyszerűbb berendezések kifejlesztését háztartási fogyasztásra, beleértve az egyedi tápegységeket is. És ezen a területen jelentős eredmények vannak:

• A Plug Power LLC kifejlesztett egy 7 kW-os üzemanyagcellás egységet az otthonok táplálására;
• A H Power Corporation 50-100 W-os, közlekedésben használt akkumulátortöltőket gyárt;
• Gyakornok társaság. A Fuel Cells LLC 50-300 W-os járműveket és személyi tápegységeket gyárt;
• Az Analytic Power Inc. 150 W-os személyi tápegységeket fejlesztett ki az amerikai hadsereg számára, valamint 3-10 kW-os üzemanyagcellás otthoni tápegységeket.

Milyen előnyei vannak az üzemanyagcelláknak, amelyek számos vállalatot ösztönöznek arra, hogy jelentős mértékben fektessenek be fejlesztésükbe?
A nagy megbízhatóság mellett az elektrokémiai generátorok nagy hatásfokkal rendelkeznek, ami kedvezően különbözteti meg őket a gőzturbinás erőművektől, sőt az egyszerű ciklusú gázturbinás erőművektől is. Az üzemanyagcellák fontos előnye a diszperz energiaforrásként való felhasználásuk kényelme: a moduláris felépítés lehetővé teszi, hogy tetszőleges számú egyedi cellát sorba kapcsoljon, hogy akkumulátort képezzen – ez ideális minőség a teljesítmény növeléséhez.

De a legfontosabb érv az üzemanyagcellák mellett a környezeti teljesítményük. Ezeknek a létesítményeknek a NOX- és CO-kibocsátása olyan kicsi, hogy például a megyei levegőminőségi hatóságok azokban a régiókban (ahol a legszigorúbbak a környezetvédelmi szabályozások az Egyesült Államokban) még csak meg sem említik ezt a berendezést minden védelmi követelményben. a légkörből.

Az üzemanyagcellák számos előnye sajnos jelenleg nem tudja felülmúlni egyetlen hátrányukat - a magas költséget.. Az USA-ban például egy erőmű építésének fajlagos tőkeköltsége még a legversenyképesebb üzemanyagcellák esetén is hozzávetőleg 3500 USD/kW . Bár a kormány 1000 dollár/kWh támogatást nyújt e technológia iránti kereslet ösztönzésére, az ilyen létesítmények építésének költsége továbbra is meglehetősen magas. Főleg, ha összehasonlítjuk a megawatt teljesítménytartományú gázturbinákkal vagy belső égésű motorokkal működő mini-CHP megépítésének tőkeköltségeit, amelyek körülbelül 500 USD/kW.

Az elmúlt években némi előrelépés történt az FC telepítési költségeinek csökkentésében. A fent említett 0,2-1,0 MW teljesítményű, foszforsav alapú üzemanyagcellás erőművek építése 1700 dollárba került. Az energiatermelés költsége az ilyen németországi létesítményeknél évi 6000 órás felhasználás esetén a számítások szerint 7,5-10 cent/kWh. A Hessische EAG (Darmstadt) által üzemeltetett 200 kW-os PC25-ös erőmű gazdasági teljesítménye is jó: a villamos energia költsége az amortizációval, az üzemanyaggal és az üzem fenntartási költségeivel együtt összesen 15 cent/kWh volt. Ugyanez a mutató a barnaszén erőműveknél 5,6 cent/kWh volt az áramszolgáltatónál, a szénnél 4,7 cent/kWh, a kombinált ciklusú erőműveknél 4,7 cent/kWh, a dízel erőműveknél pedig 10,3 cent/kWh.

Kölnben 1997 óta üzemelő nagyobb (N=1564 kW) tüzelőanyag-cellás erőmű építése 1500-1750 USD/kW fajlagos tőkeköltséget igényelt, de a tényleges üzemanyagcellák költsége mindössze 400 USD/kW.

A fentiek mindegyike azt mutatja, hogy az üzemanyagcellák ígéretes típusú energiatermelő berendezések mind az ipar, mind a háztartási szektor autonóm létesítményei számára. A gázfelhasználás magas hatásfoka és a kiváló környezeti adottságok okot adnak arra, hogy a legfontosabb feladat - a költségcsökkentés - megoldása után az ilyen típusú áramellátó berendezésekre lesz kereslet az autonóm hő- és áramellátó rendszerek piacán.

A tudás ökológiája Tudomány és technológia: A hidrogénenergia az egyik leghatékonyabb iparág, és az üzemanyagcellák lehetővé teszik számára, hogy az innovatív technológiák élvonalában maradjon.

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

Az üzemanyagcella abban hasonlít az akkumulátorhoz, hogy kémiai reakción keresztül egyenáramot állít elő. Az akkumulátorhoz hasonlóan az üzemanyagcella is tartalmaz egy anódot, egy katódot és egy elektrolitot. Az akkumulátoroktól eltérően azonban az üzemanyagcellák nem tárolhatnak elektromos energiát, nem merülnek le, és nem igényelnek áramot az újratöltéshez. Az üzemanyagcellák mindaddig képesek folyamatosan villamos energiát termelni, amíg rendelkeznek üzemanyaggal és levegővel. A működő tüzelőanyag-cella leírására a helyes kifejezés a cellarendszer, mivel bizonyos segédrendszerekre van szükség a megfelelő működéshez.

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

Az üzemanyagcellák rendkívül hatékonyak, és nem termelnek nagy mennyiségű üvegházhatású gázt, például szén-dioxidot, metánt és dinitrogén-oxidot. Az üzemanyagcellák által kibocsátott termékek kizárólag a víz gőz formájában és kis mennyiségű szén-dioxid, amely egyáltalán nem bocsát ki, ha tiszta hidrogént használnak üzemanyagként. Az üzemanyagcellákat szerelvényekké, majd külön funkcionális modulokká szerelik össze.

Az üzemanyagcellák működési elve

Az üzemanyagcellák a folyamatban lévő elektrokémiai reakció következtében elektromosságot és hőt termelnek elektrolit, katód és anód felhasználásával.

Az anódot és a katódot egy elektrolit választja el, amely protonokat vezet. Miután a hidrogén belép az anódba és az oxigén a katódra, kémiai reakció kezdődik, melynek eredményeként elektromos áram, hő és víz keletkezik. Az anódkatalizátoron a molekuláris hidrogén disszociál és elektronokat veszít. A hidrogénionokat (protonokat) az elektroliton keresztül a katódhoz vezetik, míg az elektronokat az elektroliton és egy külső elektromos áramkörön keresztül vezetik át, és egyenáramot hoznak létre, amely a berendezések táplálására használható. A katódkatalizátoron egy oxigénmolekula egyesül egy elektronnal (amely külső kommunikációból származik) és egy bejövő protonnal, és vizet képez, amely az egyetlen reakciótermék (gőz és/vagy folyadék formájában).

Alább látható a megfelelő reakció:

Anód reakció: 2H2 => 4H+ + 4e-
Reakció a katódon: O2 + 4H+ + 4e- => 2H2O
Általános elemreakció: 2H2 + O2 => 2H2O

Üzemanyagcella típusok

A különböző típusú belső égésű motorokhoz hasonlóan különböző típusú üzemanyagcellák is léteznek – a megfelelő típusú üzemanyagcella kiválasztása annak alkalmazásától függ.Az üzemanyagcellákat magas hőmérsékletre és alacsony hőmérsékletre osztják. Az alacsony hőmérsékletű üzemanyagcellák viszonylag tiszta hidrogént igényelnek üzemanyagként.

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

Üzemanyag elemek olvadt karbonáton (MCFC).

Az olvadt karbonát elektrolit üzemanyagcellák magas hőmérsékletű üzemanyagcellák. A magas üzemi hőmérséklet lehetővé teszi a földgáz közvetlen felhasználását tüzelőanyag-feldolgozó nélkül, valamint az alacsony fűtőértékű fűtőgázt technológiai tüzelőanyagokból és egyéb forrásokból. Ezt a folyamatot az 1960-as évek közepén fejlesztették ki. Azóta a gyártási technológia, a teljesítmény és a megbízhatóság javult.

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

650°C-ra hevítve a sók a karbonátionok (CO32-) vezetőjévé válnak. Ezek az ionok a katódról az anódra jutnak, ahol hidrogénnel egyesülve vizet, szén-dioxidot és szabad elektronokat képeznek. Ezeket az elektronokat egy külső elektromos áramkörön keresztül visszaküldik a katódra, és melléktermékként elektromos áramot és hőt állítanak elő.

Anód reakció: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e-
Reakció a katódon: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-
Általános elemreakció: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(katód) => H2O(g) + CO2(anód)

Az olvadt karbonát elektrolit üzemanyagcellák magas üzemi hőmérséklete bizonyos előnyökkel jár. Magas hőmérsékleten a földgáz belülről megreformálódik, így nincs szükség üzemanyag-feldolgozóra. Ezenkívül az előnyök közé tartozik, hogy az elektródákon szabványos anyagokat, például rozsdamentes acéllemezt és nikkelkatalizátort lehet használni. A hulladékhő felhasználható nagynyomású gőz előállítására különféle ipari és kereskedelmi alkalmazásokhoz.

Az elektrolit magas reakcióhőmérsékletének is megvannak a maga előnyei. A magas hőmérséklet alkalmazása hosszú ideig tart az optimális működési feltételek eléréséhez, és a rendszer lassabban reagál az energiafogyasztás változásaira. Ezek a jellemzők lehetővé teszik az olvadt karbonát elektrolitot tartalmazó üzemanyagcellás rendszerek használatát állandó teljesítmény mellett. A magas hőmérséklet megakadályozza az üzemanyagcellák szén-monoxid okozta károsodását, "mérgezést" stb.

Az olvadt karbonát üzemanyagcellák alkalmasak nagy, helyhez kötött létesítményekben való használatra. A 2,8 MW kimenő villamos teljesítményű hőerőműveket iparilag gyártják. Legfeljebb 100 MW kimenő teljesítményű erőművek fejlesztése folyik.

Foszforsav (PFC) alapú üzemanyagcellák.

A foszforsav (ortofoszforsav) alapú üzemanyagcellák voltak az első üzemanyagcellák kereskedelmi használatra. Ezt az eljárást az 1960-as évek közepén fejlesztették ki, és az 1970-es évek óta tesztelik. Azóta nőtt a stabilitás, a teljesítmény és a költségek.

A foszforsav (ortofoszforsav) alapú üzemanyagcellák ortofoszforsav (H3PO4) alapú elektrolitot használnak, amelynek koncentrációja akár 100%. A foszforsav ionvezetőképessége alacsony hőmérsékleten alacsony, ezért ezeket az üzemanyagcellákat 150-220°C-ig használják.

Az ilyen típusú üzemanyagcellák töltéshordozója a hidrogén (H+, proton). Hasonló folyamat megy végbe a protoncserélő membrán üzemanyagcellákban (MEFC), amelyek során az anódhoz juttatott hidrogén protonokra és elektronokra bomlik. A protonok áthaladnak az elektroliton, és a katódon a levegőből származó oxigénnel egyesülve vizet képeznek. Az elektronokat egy külső elektromos áramkör mentén irányítják, és elektromos áram keletkezik. Az alábbiakban bemutatjuk azokat a reakciókat, amelyek elektromosságot és hőt termelnek.

Anód reakció: 2H2 => 4H+ + 4e-
Reakció a katódon: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O
Általános elemreakció: 2H2 + O2 => 2H2O

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

Az ilyen típusú tüzelőanyagcellák egyik előnye a foszforsav (ortofoszfor)sav alapú tüzelőanyag-cellás hőerőművek nagy teljesítménye a hő és villamos energia kombinált előállításában. Az üzemek körülbelül 1,5%-os koncentrációban használnak szén-monoxidot, ami nagymértékben bővíti az üzemanyag választékot. Ezenkívül a CO2 nem befolyásolja az elektrolitot és az üzemanyagcella működését, ez a típusú cella reformált természetes üzemanyaggal működik. Az egyszerű felépítés, az alacsony elektrolit illékonyság és a fokozott stabilitás szintén az ilyen típusú üzemanyagcellák előnyei.

A legfeljebb 400 kW kimenő villamos teljesítményű hőerőműveket iparilag gyártják. A 11 MW-os létesítmények megfeleltek a vonatkozó teszteknek. Legfeljebb 100 MW kimenő teljesítményű erőművek fejlesztése folyik.

Üzemanyagcellák protoncserélő membránnal (PME)

A protoncserélő membrán üzemanyagcellák a legjobb üzemanyagcella-típusok a járművek energiatermelésében, amelyek helyettesíthetik a benzines és dízel belső égésű motorokat. Ezeket az üzemanyagcellákat először a NASA használta a Gemini programhoz. Napjainkban 1 W és 2 kW közötti teljesítményű MOPFC berendezéseket fejlesztenek és mutatnak be.

Ezek az üzemanyagcellák szilárd polimer membránt (vékony műanyag fóliát) használnak elektrolitként. Vízzel impregnálva ez a polimer áthalad a protonokon, de nem vezet elektronokat.

Az üzemanyag hidrogén, a töltéshordozó pedig egy hidrogénion (proton). Az anódnál a hidrogénmolekula hidrogénionra (protonra) és elektronokra válik szét. A hidrogénionok az elektroliton keresztül a katódhoz jutnak, míg az elektronok a külső kör körül mozogva elektromos energiát termelnek. A levegőből vett oxigént a katódra táplálják, és elektronokkal és hidrogénionokkal egyesülve vizet képeznek. Az elektródákon a következő reakciók mennek végbe:

Anód reakció: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Reakció a katódon: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Általános elemreakció: 2H2 + O2 => 2H2O

Más típusú üzemanyagcellákhoz képest a protoncserélő membrán üzemanyagcellák adott térfogathoz vagy tömeghez képest több energiát termelnek. Ez a funkció lehetővé teszi, hogy kompaktak és könnyűek legyenek. Ezenkívül az üzemi hőmérséklet 100 °C alatt van, ami lehetővé teszi a működés gyors elindítását. Ezek a jellemzők, valamint az energiakibocsátás gyors megváltoztatásának képessége csak néhány azon jellemzők közül, amelyek miatt ezek az üzemanyagcellák első számú jelöltek a járművekben való használatra.

További előny, hogy az elektrolit szilárd, nem pedig folyékony anyag. Szilárd elektrolittal könnyebb a gázokat a katódon és az anódon tartani, így az ilyen tüzelőanyag-cellák gyártása olcsóbb. Más elektrolitokhoz képest a szilárd elektrolit használata nem okoz olyan problémákat, mint az orientáció, kevesebb a probléma a korrózió fellépése miatt, ami a cella és alkatrészeinek hosszabb élettartamát eredményezi.

Szilárd oxid üzemanyagcellák (SOFC)

A szilárd oxid üzemanyagcellák a legmagasabb üzemi hőmérsékletű üzemanyagcellák. Az üzemi hőmérséklet 600°C és 1000°C között változhat, ami lehetővé teszi különféle típusú üzemanyagok használatát speciális előkezelés nélkül. E magas hőmérsékletek kezelésére az elektrolitként vékony, kerámia alapú szilárd fém-oxidot használnak, amely gyakran ittrium és cirkónium ötvözete, amely oxigén (O2-) ionok vezetője. A szilárd oxid üzemanyagcellák alkalmazásának technológiája az 1950-es évek vége óta fejlődik. és két konfigurációja van: sík és cső alakú.

A szilárd elektrolit hermetikus gázátmenetet biztosít egyik elektródáról a másikra, míg a folyékony elektrolitok porózus hordozóban helyezkednek el. Az ilyen típusú üzemanyagcellák töltéshordozója az oxigénion (О2-). A katódon az oxigénmolekulák a levegőtől egy oxigénionra és négy elektronra válnak el. Az oxigénionok áthaladnak az elektroliton, és a hidrogénnel egyesülve négy szabad elektront képeznek. Az elektronokat egy külső elektromos áramkörön keresztül irányítják, elektromos áramot és hulladékhőt termelve.

Anód reakció: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e-
Reakció a katódon: O2 + 4e- => 2O2-
Általános elemreakció: 2H2 + O2 => 2H2O

A megtermelt elektromos energia hatásfoka az összes tüzelőanyag-cella közül a legmagasabb - körülbelül 60%. Ezenkívül a magas üzemi hőmérséklet lehetővé teszi a kombinált hő- és villamosenergia-termelést nagynyomású gőz előállítására. A magas hőmérsékletű üzemanyagcella és a turbina kombinálása egy hibrid üzemanyagcellát hoz létre, amely akár 70%-kal növeli az elektromos energiatermelés hatékonyságát.

A szilárd oxid üzemanyagcellák nagyon magas hőmérsékleten (600°C-1000°C) működnek, így hosszú időre van szükség az optimális működési feltételek eléréséhez, és a rendszer lassabban reagál az energiafogyasztás változásaira. Ilyen magas üzemi hőmérsékleten nincs szükség konverterre a hidrogén visszanyeréséhez a tüzelőanyagból, ami lehetővé teszi, hogy a hőerőmű viszonylag szennyezett tüzelőanyaggal működjön a szénelgázosításból vagy a füstgázokból és hasonlókból. Ezenkívül ez az üzemanyagcella kiválóan alkalmas nagy teljesítményű alkalmazásokhoz, beleértve az ipari és nagy központi erőműveket. Iparilag gyártott modulok 100 kW kimenő elektromos teljesítménnyel.

Üzemanyagcellák közvetlen metanol-oxidációval (DOMTE)

A metanol közvetlen oxidációjával működő üzemanyagcellák alkalmazásának technológiája aktív fejlesztési időszakon megy keresztül. Sikeresen megállja a helyét a mobiltelefonok, laptopok táplálása, valamint a hordozható áramforrások létrehozása terén. mire irányul ezen elemek jövőbeni alkalmazása.

A metanol direkt oxidációjával rendelkező üzemanyagcellák szerkezete hasonló a protoncserélő membránnal (MOFEC) rendelkező üzemanyagcellákhoz, pl. elektrolitként polimert, töltéshordozóként hidrogéniont (protont) használnak. A folyékony metanol (CH3OH) azonban az anódnál víz jelenlétében oxidálódik, CO2, hidrogénionok és elektronok szabadulnak fel, amelyeket egy külső elektromos áramkörön keresztül vezetnek, és elektromos áram keletkezik. A hidrogénionok áthaladnak az elektroliton, és reakcióba lépnek a levegő oxigénjével és a külső áramkör elektronjaival, hogy vizet képezzenek az anódon.

Anód reakció: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e-
Reakció a katódon: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O
Általános elemreakció: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O

Ezeknek az üzemanyagcelláknak a fejlesztése az 1990-es évek elején kezdődött. A továbbfejlesztett katalizátorok kifejlesztése után, valamint a közelmúlt egyéb újításainak köszönhetően a teljesítménysűrűség és a hatásfok 40%-ra nőtt.

Ezeket az elemeket 50-120°C hőmérséklet-tartományban tesztelték. Alacsony üzemi hőmérséklettel és konverter nélkül, a közvetlen metanol üzemanyagcellák a legjobb jelöltek a mobiltelefonoktól és egyéb fogyasztói termékektől az autómotorokig. Az ilyen típusú üzemanyagcellák előnye a kis méretük a folyékony tüzelőanyag felhasználása miatt, valamint a konverter használatának hiánya.

Alkáli üzemanyagcellák (AFC)

Az alkáli üzemanyagcellák (ALFC) az egyik legtöbbet tanulmányozott technológia, és az 1960-as évek közepe óta használják őket. a NASA az Apollo és Space Shuttle programban. Ezeken az űrhajókon az üzemanyagcellák termelnek áramot és ivóvizet. Az alkáli tüzelőanyagcellák az egyik leghatékonyabb villamosenergia-termelési elem, az energiatermelés hatékonysága eléri a 70%-ot.

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

Anód reakció: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Reakció a katódon: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
A rendszer általános reakciója: 2H2 + O2 => 2H2O

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

Az SFC egyik jellemző tulajdonsága a nagy érzékenysége a CO2-ra, amelyet az üzemanyag vagy a levegő tartalmazhat. A CO2 reakcióba lép az elektrolittal, gyorsan megmérgezi, és nagymértékben csökkenti az üzemanyagcella hatékonyságát. Ezért az SFC-k használata zárt terekre korlátozódik, például űr- és víz alatti járművekre, tiszta hidrogénnel és oxigénnel kell működniük. Sőt, az olyan molekulák, mint a CO, a H2O és a CH4, amelyek biztonságosak más tüzelőanyag-cellák számára, sőt némelyikük esetében még üzemanyag is károsak az SFC-re.

Polimer elektrolit üzemanyagcellák (PETE)

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

Szilárd savas üzemanyagcellák (SCFC)

A szilárd savas üzemanyagcellákban az elektrolit (CsHSO4) nem tartalmaz vizet. Az üzemi hőmérséklet tehát 100-300°C. Az SO42-oxi-anionok forgása lehetővé teszi a protonok (piros) mozgását az ábrán látható módon.

A szilárd savas tüzelőanyag-cella általában olyan szendvics, amelyben egy nagyon vékony réteg szilárd savvegyületet helyeznek el két szorosan összenyomott elektróda közé a jó érintkezés biztosítása érdekében. Melegítéskor a szerves komponens elpárolog, az elektródák pórusain keresztül távozik, megtartva az üzemanyag (vagy a cella másik végén lévő oxigén), az elektrolit és az elektródák közötti számos érintkezési képességet.

Csatlakozzon hozzánk a

Nissan hidrogén üzemanyagcella

A mobil elektronika évről évre fejlődik, egyre elterjedtebb és elérhetőbb: PDA-k, laptopok, mobil és digitális eszközök, képkeretek stb. Mindegyik folyamatosan frissül új funkciókkal, nagyobb monitorokkal, vezeték nélküli kommunikációval, erősebb processzorokkal, miközben csökken a méret.. Az energiatechnológiák a félvezető technológiával ellentétben nem haladnak ugrásszerűen.

A rendelkezésre álló elemek és akkumulátorok az ipar vívmányainak ellátásához egyre elégtelenné válnak, ezért az alternatív források kérdése nagyon akut. Az üzemanyagcellák messze a legígéretesebb irány. Működésük elvét még 1839-ben William Grove fedezte fel, aki a víz elektrolízisének megváltoztatásával áramot termelt.

Videó: Dokumentumfilm, Üzemanyagcellák a közlekedéshez: Múlt, Jelen, Jövő

Az üzemanyagcellák érdeklik az autógyártókat, és az űrrepülőgépek alkotói is érdeklődnek irántuk. 1965-ben még Amerika is tesztelte őket az űrbe indított Gemini 5-ön, majd később az Apollon. Dollármilliókat fektetnek be az üzemanyagcella-kutatásba még ma is, amikor problémák merülnek fel a környezetszennyezéssel, a fosszilis tüzelőanyagok elégetése során növekvő üvegházhatású gázok kibocsátásával, amelyek készletei szintén nem végtelenek.

Az üzemanyagcella, amelyet gyakran elektrokémiai generátornak neveznek, az alábbiakban leírt módon működik.

Az akkumulátorokhoz és az elemekhez hasonlóan galvánelem, de azzal a különbséggel, hogy a hatóanyagokat külön tárolják. Használat közben jönnek az elektródákhoz. A negatív elektródán a természetes tüzelőanyag vagy bármely abból nyert anyag ég, ami lehet gáznemű (például hidrogén és szén-monoxid) vagy folyékony, például alkoholok. A pozitív elektródán általában az oxigén reagál.

De egy egyszerűnek tűnő cselekvési elvet nem könnyű átültetni a valóságba.

DIY üzemanyagcella

Videó: DIY hidrogén üzemanyagcella

Sajnos nincs fotónk arról, hogy milyen legyen ez az üzemanyag elem, reméljük a fantáziáját.

Kis teljesítményű üzemanyagcella saját kezűleg készíthető akár iskolai laboratóriumban is. Fel kell rakni egy régi gázálarcot, több darab plexit, lúgot és etil-alkohol (egyszerűbben vodka) vizes oldatát, amely az üzemanyagcella „üzemanyagaként” szolgál.

Először is szüksége van egy házra az üzemanyagcella számára, amely legjobban legalább öt milliméter vastag plexiből készül. A belső válaszfalak (belül öt rekesz) egy kicsit vékonyabbak lehetnek - 3 cm. A plexi ragasztásához a következő összetételű ragasztót használjuk: hat gramm plexi forgácsot feloldunk száz gramm kloroformban vagy diklór-etánban (búra alatt működnek ).

A külső falban most egy lyukat kell fúrni, amelybe gumidugón keresztül 5-6 centiméter átmérőjű lefolyóüveg csövet kell behelyezni.

Mindenki tudja, hogy a periódusos táblázatban a bal alsó sarokban vannak a legaktívabb fémek, a nagy aktivitású metalloidok pedig a táblázatban a jobb felső sarokban, i.e. az elektronok adományozási képessége felülről lefelé és jobbról balra nő. Azok az elemek, amelyek bizonyos körülmények között fémként vagy metalloidként jelenhetnek meg, a táblázat közepén helyezkednek el.

Most a második és a negyedik rekeszben aktív szenet öntünk a gázálarcból (az első válaszfal és a második, valamint a harmadik és a negyedik között), amely elektródaként fog működni. Hogy a szén ne folyjon ki a lyukakon keresztül, nejlonszövetbe helyezhető (a női nylon harisnya megteszi). NÁL NÉL

Az üzemanyag az első kamrában kering, az ötödikben oxigénellátónak kell lennie - levegőnek. Az elektródák között elektrolit lesz, és annak elkerülése érdekében, hogy ez a légkamrába szivárogjon, át kell áztatni benzines paraffin oldattal (2 gramm paraffin és fél pohár benzin aránya) mielőtt a negyedik kamrát szénnel töltené fel levegő elektrolitként. Egy szénrétegre (enyhén nyomó) rézlemezeket kell helyezni, amelyekhez a vezetékeket forrasztják. Rajtuk keresztül az áram el lesz terelve az elektródákról.

Csak az elem feltöltése marad. Ehhez vodkára van szükség, amelyet vízzel 1: 1 arányban kell hígítani. Ezután óvatosan adjunk hozzá háromszáz-háromszázötven gramm maró káliumot. Elektrolithoz 70 gramm maró káliumot feloldunk 200 gramm vízben.

Az üzemanyagcella készen áll a tesztelésre. Most egyszerre kell üzemanyagot önteni az első kamrába, és elektrolitot a harmadikba. Az elektródákhoz csatlakoztatott voltmérőnek 07 V és 0,9 V között kell mutatnia. Az elem folyamatos működése érdekében a kiégett fűtőelemet le kell engedni (üvegbe üríteni), és új üzemanyagot kell hozzáadni (gumi csövön keresztül). Az előtolási sebesség a cső összenyomásával szabályozható. Így néz ki laboratóriumi körülmények között egy üzemanyagcella működése, amelynek teljesítménye érthetően kicsi.

Videó: Üzemanyagcellás vagy örök akkumulátor otthon

A hatalom növelése érdekében a tudósok már régóta dolgoznak ezen a problémán. A metanol és az etanol üzemanyagcellák az aktív fejlesztésű acélon találhatók. De sajnos egyelőre nincs mód ezek gyakorlati megvalósítására.

Miért választották az üzemanyagcellát alternatív energiaforrásként?

Alternatív energiaforrásként üzemanyagcellát választottak, mivel abban a hidrogén égésének végterméke víz. A probléma csak az, hogy olcsó és hatékony módszert találjunk a hidrogén előállítására. A hidrogéngenerátorok és üzemanyagcellák fejlesztésébe fektetett kolosszális források nem hozhatják meg gyümölcsüket, így a technológiai áttörés és a mindennapi életben való valós felhasználásuk csak idő kérdése.

Már ma is az autóipar szörnyei: A General Motors, a Honda, a Dreimler Koisler, a Ballard olyan buszokat és autókat mutat be, amelyek 50 kW teljesítményig üzemanyagcellával működnek. A biztonságukkal, megbízhatóságukkal, költségükkel kapcsolatos problémák azonban még nem oldódtak meg. Mint már említettük, a hagyományos energiaforrásokkal - akkumulátorokkal és akkumulátorokkal ellentétben - ebben az esetben az oxidálószert és az üzemanyagot kívülről táplálják, és az üzemanyagcella csak közvetítő az üzemanyag elégetésére és a felszabaduló energiát elektromos árammá alakítására irányuló folyamatban. . Az „égés” csak akkor következik be, ha az elem áramot ad a terhelésnek, mint egy dízel elektromos generátor, de generátor és dízel nélkül, valamint zaj, füst és túlmelegedés nélkül. Ugyanakkor a hatékonyság sokkal magasabb, mivel nincsenek köztes mechanizmusok.

Videó: Hidrogén üzemanyagcellás autó

Nagy reményeket fűznek a nanotechnológiák és nanoanyagok használatához, amely segít az üzemanyagcellák miniatürizálásában, miközben növeli azok teljesítményét. Beszámoltak arról, hogy rendkívül hatékony katalizátorokat hoztak létre, valamint olyan üzemanyagcella-konstrukciókat, amelyek nem rendelkeznek membránnal. Ezekben az oxidálószerrel együtt üzemanyagot (például metánt) juttatnak az elemhez. Érdekesek azok a megoldások, ahol oxidálószerként a vízben oldott oxigént, üzemanyagként pedig a szennyezett vizekben felhalmozódó szerves szennyeződéseket használják fel. Ezek az úgynevezett bioüzemanyag cellák.

Az üzemanyagcellák a szakértők szerint a következő években megjelenhetnek a tömegpiacon