Hidrogén üzemanyagcella: leírás, jellemzők, működési elv, fotó. Hidrogénenergia: egy hosszú utazás kezdete
Az üzemanyagcella olyan eszköz, amely hatékonyan termel hőt és egyenáramot elektrokémiai reakció révén, és hidrogénben gazdag üzemanyagot használ. Működési elve szerint hasonló az akkumulátorhoz. Szerkezetileg az üzemanyagcellát elektrolit képviseli. Miért figyelemre méltó? Az akkumulátorokkal ellentétben a hidrogén üzemanyagcellák nem tárolnak elektromos energiát, nincs szükségük elektromos áramra az újratöltéshez, és nem merítenek. A sejtek mindaddig termelnek áramot, amíg rendelkeznek levegővel és üzemanyaggal.
Sajátosságok
Az üzemanyagcellák és az egyéb áramfejlesztők közötti különbség az, hogy működés közben nem égetnek el üzemanyagot. Ennek a tulajdonságnak köszönhetően nincs szükségük nagynyomású rotorokra, nem bocsátanak ki hangos zajt és rezgést. Az üzemanyagcellákban a villamos energia csendes elektrokémiai reakcióval keletkezik. Az ilyen berendezésekben lévő üzemanyag kémiai energiája közvetlenül vízzé, hővé és elektromos árammá alakul.
Az üzemanyagcellák rendkívül hatékonyak, és nem termelnek nagy mennyiségű üvegházhatást okozó gázt. A cellák működése során kis mennyiségű vizet bocsátanak ki gőz és szén-dioxid formájában, amely nem szabadul fel, ha tiszta hidrogént használnak üzemanyagként.
Megjelenés története
Az 1950-es és 1960-as években a NASA energiaforrások iránti igénye a hosszú távú űrmissziókhoz az egyik legigényesebb feladatot váltotta ki az üzemanyagcellák számára akkoriban. Az alkáli cellák oxigént és hidrogént használnak üzemanyagként, amelyek egy elektrokémiai reakció során az űrrepülés során hasznos melléktermékekké alakulnak át - elektromos áram, víz és hő.
Az üzemanyagcellákat először a 19. század elején fedezték fel - 1838-ban. Ezzel egy időben megjelentek az első információk a hatékonyságukról.
A lúgos elektrolitokat használó üzemanyagcellákon az 1930-as évek végén kezdõdtek. A nagynyomású nikkelezett elektródacellákat csak 1939-ben találták fel. A második világháború alatt a brit tengeralattjárók számára üzemanyagcellákat fejlesztettek ki, amelyek körülbelül 25 centiméter átmérőjű lúgos cellákból álltak.
Az 1950-80-as években megnőtt az érdeklődés irántuk, amelyet a kőolaj-üzemanyag hiány jellemez. A világ országai elkezdték kezelni a levegő- és környezetszennyezési problémákat annak érdekében, hogy környezetbarát módokat dolgozzanak ki az elektromos áram előállítására. Az üzemanyagcellák gyártásának technológiája jelenleg aktív fejlesztés alatt áll.
Működés elve
Az üzemanyagcellák hőt és villamos energiát termelnek katód, anód és elektrolit felhasználásával végbemenő elektrokémiai reakció eredményeként.
A katódot és az anódot protonvezető elektrolit választja el. A katód oxigénellátása, az anód hidrogénnel való ellátása után kémiai reakció indul meg, ami hőt, áramot és vizet eredményez.
Az anódkatalizátoron disszociál, ami elektronvesztéshez vezet. A hidrogénionok az elektroliton keresztül jutnak be a katódba, míg az elektronok áthaladnak a külső elektromos hálózaton, és egyenáramot hoznak létre, amely a berendezés táplálására szolgál. A katódkatalizátoron lévő oxigénmolekula egyesül egy elektronnal és egy bejövő protonnal, végül víz keletkezik, amely az egyetlen reakciótermék.
Típusok
Egy adott típusú üzemanyagcella kiválasztása az alkalmazási területtől függ. Minden üzemanyagcella két fő kategóriába sorolható - magas hőmérséklet és alacsony hőmérséklet. Ez utóbbiak tiszta hidrogént használnak üzemanyagként. Az ilyen eszközök általában megkövetelik az elsődleges tüzelőanyag tiszta hidrogénné történő feldolgozását. Az eljárást speciális berendezéssel hajtják végre.
A magas hőmérsékletű üzemanyagcelláknak nincs erre szükségük, mert magasabb hőmérsékleten alakítják át az üzemanyagot, így nincs szükség hidrogén-infrastruktúrára.
A hidrogén üzemanyagcellák működési elve a kémiai energia elektromos energiává történő átalakításán alapul, nem hatékony égési folyamatok nélkül, és a hőenergiát mechanikai energiává alakítják.
Általános fogalmak
A hidrogén üzemanyagcellák olyan elektrokémiai berendezések, amelyek nagy hatékonyságú „hideg” tüzelőanyag elégetésével villamos energiát termelnek. Többféle ilyen eszköz létezik. A legígéretesebb technológiának a PEMFC protoncserélő membránnal felszerelt hidrogén-levegő üzemanyagcellákat tartják.
A protonvezető polimer membránt két elektróda - katód és anód - elválasztására tervezték. Mindegyiket egy katalizátorral bevont szénmátrix képviseli. az anódkatalizátoron disszociál, elektronokat adva. A kationokat a membránon keresztül vezetik a katódra, azonban az elektronok a külső áramkörbe kerülnek, mivel a membrán nem elektronok átvitelére van kialakítva.
A katódkatalizátoron lévő oxigénmolekula egyesül az elektromos áramkörből származó elektronnal és egy bejövő protonnal, végül vizet képezve, amely az egyetlen reakciótermék.
A hidrogén üzemanyagcellákat membrán-elektróda blokkok gyártására használják, amelyek az energiarendszer fő generáló elemeiként működnek.
A hidrogén üzemanyagcellák előnyei
Közülük ki kell emelni:
- Megnövelt fajlagos hőkapacitás.
- Széles üzemi hőmérséklet tartomány.
- Nincs vibráció, zaj és hőfolt.
- Hidegindítási megbízhatóság.
- Az önkisülés hiánya, ami hosszú energiatárolási élettartamot biztosít.
- Korlátlan autonómia az energiaintenzitás beállításának köszönhetően az üzemanyagpatronok számának változtatásával.
- Szinte bármilyen energiaintenzitás biztosítása a hidrogéntároló kapacitásának változtatásával.
- Hosszú élettartam.
- Zajmentes és környezetbarát működés.
- Magas szintű energiaintenzitás.
- Tolerancia a hidrogénben lévő idegen szennyeződésekkel szemben.
Alkalmazási terület
A nagy hatásfok miatt a hidrogén üzemanyagcellákat különféle területeken használják:
- Hordozható töltők.
- Tápellátási rendszerek UAV-khoz.
- Szünetmentes tápegységek.
- Egyéb eszközök és felszerelések.
A hidrogénenergia kilátásai
A hidrogén-peroxid tüzelőanyag-cellák széleskörű elterjedése csak egy hatékony hidrogén-előállítási módszer megalkotása után lesz lehetséges. Új ötletekre van szükség a technológia aktív használatba vételéhez, nagy reményeket fűzve a bioüzemanyag-cellák és a nanotechnológia koncepciójához. Egyes vállalatok viszonylag nemrégiben bocsátottak ki különféle fémeken alapuló hatékony katalizátorokat, ugyanakkor információk jelentek meg a membrán nélküli üzemanyagcellák létrehozásáról, amelyek lehetővé tették a gyártási költségek jelentős csökkentését és az ilyen eszközök tervezésének egyszerűsítését. A hidrogén üzemanyagcellák előnyei és jellemzői nem haladják meg a fő hátrányukat - a magas költségeket, különösen a szénhidrogén-eszközökhöz képest. Egy hidrogénerőmű létrehozásához minimum 500 ezer dollárra van szükség.
Hogyan építsünk hidrogén üzemanyagcellát?
Egy kis teljesítményű üzemanyagcella önállóan létrehozható egy közönséges otthoni vagy iskolai laboratórium körülményei között. A felhasznált anyagok egy régi gázálarc, plexidarabok, etil-alkohol és lúg vizes oldata.
A barkácsolt hidrogén üzemanyagcellás test legalább öt milliméter vastagságú plexiből készül. A rekeszek közötti válaszfalak vékonyabbak lehetnek - körülbelül 3 milliméter. A plexit speciális kloroformból vagy diklór-etánból és plexiforgácsból készült ragasztóval ragasztják össze. Minden munkát csak akkor kell elvégezni, ha a motorháztető jár.
A tok külső falába 5-6 centiméter átmérőjű lyukat fúrnak, amelybe gumidugót és lefolyó üvegcsövet helyeznek. A gázálarcból származó aktív szenet az üzemanyagcella testének második és negyedik rekeszébe öntik - elektródaként fogják használni.
Az első kamrában az üzemanyagot keringetik, míg az ötödik kamrát levegővel töltik meg, amelyből oxigént szállítanak. Az elektródák közé öntött elektrolitot paraffin és benzin oldattal impregnálják, hogy megakadályozzák, hogy bejusson a légkamrába. A rézlemezeket szénrétegre helyezik, hozzájuk forrasztott vezetékekkel, amelyeken keresztül az áramot elvezetik.
Az összeszerelt hidrogén üzemanyagcellát vízzel hígított vodkával töltik fel 1:1 arányban. A kapott keverékhez óvatosan lúgos káliumot adunk: 70 gramm kálium feloldódik 200 gramm vízben.
Az üzemanyagcella hidrogénnel történő tesztelése előtt az üzemanyagot az első kamrába, az elektrolitot a harmadik kamrába öntik. Az elektródákhoz csatlakoztatott voltmérőnek 0,7 és 0,9 volt között kell lennie. Az elem folyamatos működése érdekében a kiégett üzemanyagot el kell távolítani, és a gumicsövön keresztül új üzemanyagot kell önteni. A cső összenyomásával szabályozható az üzemanyag-szállítási sebesség. Az ilyen, otthon összeszerelt hidrogén üzemanyagcellák kis teljesítményűek.
BENZINTANK
elektrokémiai generátor, olyan eszköz, amely a kémiai energiát közvetlenül elektromos energiává alakítja. Bár ugyanez történik az elektromos akkumulátorokban, az üzemanyagcelláknak két fontos különbsége van: 1) mindaddig működnek, amíg az üzemanyagot és az oxidálószert külső forrásból táplálják; 2) az elektrolit kémiai összetétele működés közben nem változik, pl. az üzemanyagcellát nem kell újratölteni.
Lásd még TÁPELLÁTÁS AKKUMULÁTOR .
Működési elve. Az üzemanyagcella (1. ábra) két elektrolittal elválasztott elektródából, valamint az egyik elektródát tüzelőanyagot, a másikat oxidálószert ellátó rendszerből, valamint a reakciótermékek eltávolítására szolgáló rendszerből áll. A legtöbb esetben katalizátorokat használnak a kémiai reakciók felgyorsítására. Az üzemanyagcellát egy külső elektromos áramkör köti össze egy áramot fogyasztó terheléssel.
ábrán láthatóban. A savas üzemanyagcellában a hidrogént egy üreges anódon keresztül táplálják be, és az elektróda anyagának nagyon finom pórusain keresztül jut be az elektrolitba. Ebben az esetben a hidrogénmolekulák atomokra bomlanak, amelyek a kemiszorpció eredményeként egy-egy elektront adva pozitív töltésű ionokká alakulnak. Ez a folyamat a következő egyenletekkel írható le:
A hidrogénionok az elektroliton keresztül a cella pozitív oldala felé diffundálnak. A katódba juttatott oxigén az elektrolitba kerül, és az elektród felületén is reagál a katalizátor közreműködésével. A külső áramkörből származó hidrogénionokkal és elektronokkal kombinálva víz képződik:
A lúgos elektrolitokat (általában tömény nátrium- vagy kálium-hidroxidot) tartalmazó üzemanyagcellák hasonló kémiai reakciókon mennek keresztül. A hidrogén áthalad az anódon, és katalizátor jelenlétében reagál az elektrolitban jelenlévő hidroxil-ionokkal (OH-), így vizet és elektront képez:
A katódon az oxigén reakcióba lép az elektrolitban lévő vízzel és a külső áramkör elektronjaival. Az egymást követő reakciólépésekben hidroxil-ionok (valamint perhidroxil-O2H-) képződnek. A katódon kialakuló reakció a következőképpen írható fel:
Az elektronok és ionok áramlása fenntartja a töltés és az anyag egyensúlyát az elektrolitban. A reakció eredményeként képződött víz részben felhígítja az elektrolitot. Bármely üzemanyagcellában a kémiai reakció energiájának egy része hővé alakul. Az elektronok áramlása egy külső áramkörben egyenáram, amelyet munkavégzésre használnak. A legtöbb reakció az üzemanyagcellákban körülbelül 1 V-os EMF-t biztosít. Az áramkör kinyitása vagy az ionok mozgásának leállítása leállítja az üzemanyagcella működését. A hidrogén-oxigén üzemanyagcellában végbemenő folyamat természeténél fogva a fordítottja a jól ismert elektrolízis folyamatnak, amelyben a víz disszociál, amikor elektromos áram halad át az elektroliton. Valójában bizonyos típusú üzemanyagcellákban a folyamat megfordítható - az elektródákra feszültséget kapcsolva a víz hidrogénre és oxigénre bomlik le, ami az elektródákon összegyűjthető. Ha leállítja a cella töltését, és terhelést csatlakoztat hozzá, egy ilyen regeneratív üzemanyagcella azonnal normál üzemmódban kezd működni. Elméletileg az üzemanyagcella méretei tetszőlegesen nagyok lehetnek. A gyakorlatban azonban több cellát egyesítenek kis modulokká vagy akkumulátorokká, amelyeket akár sorosan, akár párhuzamosan kapcsolnak össze.
Üzemanyagcella típusok. Különféle típusú üzemanyagcellák léteznek. Osztályozhatók például a felhasznált üzemanyag, az üzemi nyomás és hőmérséklet, valamint az alkalmazás jellege szerint.
Hidrogén üzemanyagon lévő elemek. Ebben a fent leírt tipikus cellában a hidrogén és az oxigén mikroporózus szén- vagy fémelektródákon keresztül jut az elektrolithoz. Magas hőmérsékleten (kb. 250°C) és nagy nyomáson működő cellákban nagy áramsűrűség érhető el. A szénhidrogén üzemanyagok, például földgáz vagy kőolajtermékek feldolgozásából nyert hidrogén üzemanyagot használó cellák láthatóan a legszélesebb körű kereskedelmi alkalmazást fogják találni. Nagyszámú elem kombinálásával nagy teljesítményű erőműveket hozhat létre. Ezekben a berendezésekben a cellák által termelt egyenáramot szabványos paraméterekkel váltakozó árammá alakítják át. A normál hőmérsékleten és nyomáson hidrogénnel és oxigénnel működni képes új típusú elemek az ioncserélő membránnal rendelkező elemek (2. ábra). Ezekben a cellákban a folyékony elektrolit helyett egy polimer membrán található az elektródák között, amelyen az ionok szabadon áthaladnak. Az ilyen cellákban a levegő oxigénnel együtt használható. A cella működése során keletkező víz nem oldja a szilárd elektrolitot, könnyen eltávolítható.
Szénhidrogén- és széntüzelőanyagok elemei. Intenzív kutatások tárgyát képezik azok az üzemanyagcellák, amelyek széles körben elérhető és viszonylag olcsó üzemanyagok, például propán, földgáz, metanol, kerozin vagy benzin kémiai energiáját képesek közvetlenül elektromos árammá alakítani. Jelentős előrelépés azonban még nem történt a szénhidrogén üzemanyagokból normál hőmérsékleten nyert gázokkal működő üzemanyagcellák fejlesztésében. A szénhidrogén- és széntüzelőanyagok reakciósebességének növelése érdekében növelni kell az üzemanyagcella üzemi hőmérsékletét. Az elektrolitok karbonátok vagy más sók olvadékai, amelyek porózus kerámia mátrixba vannak zárva. Az üzemanyag "hasad" a cellán belül, és hidrogént és szén-monoxidot képez, amelyek fenntartják az áramot generáló reakciót a cellában. Más típusú üzemanyaggal működő elemek. Elvileg az üzemanyagcellákban végbemenő reakcióknak nem kell a hagyományos üzemanyagok oxidációs reakcióinak lenniük. A jövőben más kémiai reakciók is előfordulhatnak, amelyek hatékony közvetlen villamosenergia-termelést tesznek lehetővé. Egyes készülékekben az elektromosságot például cink, nátrium vagy magnézium oxidálásával nyerik, amelyekből fogyóelektródákat készítenek.
Hatékonyság. A hagyományos tüzelőanyagok (szén, olaj, földgáz) energiájának villamos energiává alakítása eddig többlépcsős folyamat volt. Az üzemanyag elégetése a turbina vagy belső égésű motor működéséhez szükséges gőz vagy gáz előállításához, amely viszont egy elektromos generátort hajt meg, nem túl hatékony folyamat. Egy ilyen átalakulás energiafelhasználási tényezőjét ugyanis a termodinamika második főtétele korlátozza, és aligha emelhető jelentősen a meglévő szint fölé (lásd még HŐ; TERMODINAMIKA). A legmodernebb gőzturbinás erőművek tüzelőanyag-energia felhasználási tényezője nem haladja meg a 40%-ot. Az üzemanyagcellák esetében nincs termodinamikai korlátozás az energiafelhasználási tényezőt illetően. A meglévő üzemanyagcellákban a tüzelőanyag-energia 60-70%-a közvetlenül elektromos árammá alakul, a szénhidrogén üzemanyagokból hidrogént használó üzemanyagcellás erőműveket pedig 40-45%-os hatásfokra tervezték.
Alkalmazások. Az üzemanyagcellák a közeljövőben széles körben használt energiaforrássá válhatnak a közlekedésben, az iparban és a háztartásokban. Az üzemanyagcellák magas ára korlátozza katonai és űrkutatási alkalmazásukat. Az üzemanyagcellák tervezett alkalmazásai közé tartozik a katonai igényekhez szükséges hordozható áramforrásként való felhasználásuk, valamint kompakt alternatív energiaforrásként a Föld-közeli műholdak számára napelemekkel, amikor a pálya kiterjedt árnyékszakaszain haladnak át. Az üzemanyagcellák kis mérete és tömege lehetővé tette a Holdra tartó, emberes repüléseken történő alkalmazásukat. A háromüléses Apollo űrhajó fedélzetén lévő üzemanyagcellákat a fedélzeti számítógépek és rádiókommunikációs rendszerek táplálására használták. Az üzemanyagcellák távoli területeken, terepjáró járművekhez, például építőiparban használható berendezések táplálására használhatók. Egyenáramú villanymotorral kombinálva az üzemanyagcella hatékony forrása lesz a jármű meghajtásának. Az üzemanyagcellák széleskörű elterjedéséhez jelentős technológiai fejlődés, költségcsökkentés és az olcsó üzemanyag hatékony felhasználásának lehetősége szükséges. Ha ezek a feltételek teljesülnek, az üzemanyagcellák világszerte széles körben elérhetővé teszik az elektromos és mechanikai energiát.
Lásd még ENERGETIKAI FORRÁSOK .
IRODALOM
Bagotsky V.S., Skundin A.M. Kémiai áramforrások. M., 1981 Crompton T. Jelenlegi források. M., 1985, 1986
Collier Encyclopedia. - Nyitott társadalom. 2000 .
Nézze meg, mi az "FUEL CELL" más szótárakban:
ÜZEMANYAG ELEM, ELEKTROKÉMIAI ELEM az üzemanyag oxidációs energiájának elektromos energiává történő közvetlen átalakításához. Az ennek megfelelően tervezett elektródákat elektrolitba merítik, és üzemanyagot (például hidrogént) táplálnak egy ... Tudományos és műszaki enciklopédikus szótár
Galvanikus cella, amelyben a redox reakciót speciális tartályokból származó reagensek (üzemanyag, pl. hidrogén és oxidálószer, pl. oxigén) folyamatos ellátása tartja fenn. A legfontosabb rész...... Nagy enciklopédikus szótár
benzintank- Primer elem, amelyben az elektródákra kívülről folyamatosan szállított hatóanyagok közötti elektrokémiai reakciók során elektromos energia keletkezik. [GOST 15596 82] EN üzemanyagcella, amely képes megváltoztatni a kémiai energiát… Műszaki fordítói kézikönyv
Közvetlen metanolos üzemanyagcella Az üzemanyagcella egy elektrokémiai eszköz, amely hasonlít a galvánelemhez, de különbözik attól ... Wikipédia
Az Egyesült Államok számos kezdeményezést tett a hidrogénüzemanyagcellák, az infrastruktúra és a technológiák fejlesztése érdekében, hogy az üzemanyagcellás járműveket 2020-ra praktikussá és gazdaságossá tegye. Több mint egymilliárd dollárt különítettek el ezekre a célokra.
Az üzemanyagcellák csendesen és hatékonyan termelnek áramot a környezet szennyezése nélkül. A fosszilis tüzelőanyagokkal ellentétben az üzemanyagcellák melléktermékei a hő és a víz. Hogyan működik?
Ebben a cikkben röviden áttekintjük az egyes napjainkban létező üzemanyag-technológiákat, valamint szót ejtünk az üzemanyagcellák kialakításáról és működéséről, valamint összehasonlítjuk azokat más energiatermelési formákkal. Megvitatjuk azokat az akadályokat is, amelyekkel a kutatók szembesülnek az üzemanyagcellák praktikus és a fogyasztók számára megfizethetővé tétele terén.
Az üzemanyagcellák azok elektrokémiai energiaátalakító eszközök. Az üzemanyagcella a vegyi anyagokat, a hidrogént és az oxigént vízzé alakítja, miközben elektromos áramot termel.
Egy másik elektrokémiai eszköz, amelyet mindannyian nagyon ismerünk, az akkumulátor. Az akkumulátor minden szükséges kémiai elemet tartalmaz, és ezeket az anyagokat elektromossággá alakítja. Ez azt jelenti, hogy az akkumulátor végül "meghal", és vagy kidobod, vagy újratöltöd.
Az üzemanyagcellában folyamatosan vegyszereket adagolnak bele, hogy soha ne "haljon meg". Az áramot mindaddig termelik, amíg a vegyszerek belépnek a cellába. A legtöbb manapság használt üzemanyagcella hidrogént és oxigént használ.
A hidrogén a leggyakoribb elem galaxisunkban. A hidrogén azonban gyakorlatilag nem létezik a Földön elemi formájában. A mérnököknek és tudósoknak tiszta hidrogént kell kivonniuk a hidrogénvegyületekből, beleértve a fosszilis tüzelőanyagokat vagy a vizet. A hidrogén kinyeréséhez ezekből a vegyületekből energiát kell felhasználnia hő vagy elektromosság formájában.
Az üzemanyagcellák feltalálása
Sir William Grove 1839-ben találta fel az első üzemanyagcellát. Grove tudta, hogy a vizet hidrogénre és oxigénre lehet osztani, ha elektromos áramot vezetnek át rajta (ezt a folyamatot ún elektrolízis). Azt javasolta, hogy fordított sorrendben lehetne beszerezni az áramot és a vizet. Létrehozott egy primitív üzemanyagcellát, és elnevezte gáz galvanikus akkumulátor. Miután kísérletezett új találmányával, Grove bebizonyította hipotézisét. Ötven évvel később Ludwig Mond és Charles Langer tudósok alkották meg a kifejezést üzemanyagcellák amikor az energiatermelés gyakorlati modelljét próbálják felépíteni.
Az üzemanyagcella sok más energiaátalakító eszközzel versenyez majd, beleértve a városi erőművek gázturbináit, az autók belső égésű motorjait és mindenféle akkumulátort. A belső égésű motorok a gázturbinákhoz hasonlóan különféle típusú üzemanyagokat égetnek el, és a gázok expanziója által létrehozott nyomást használják fel mechanikai munkákra. Az akkumulátorok szükség esetén a kémiai energiát elektromos energiává alakítják át. Az üzemanyagcelláknak hatékonyabban kell ellátniuk ezeket a feladatokat.
Az üzemanyagcella egyenáramú (egyenáramú) feszültséget biztosít, amely elektromos motorok, világítás és más elektromos készülékek táplálására használható.
Számos különböző típusú üzemanyagcella létezik, amelyek mindegyike különböző kémiai folyamatokat alkalmaz. Az üzemanyagcellákat általában aszerint osztályozzák Üzemi hőmérsékletÉs típuselektrolit, amelyeket használnak. Az üzemanyagcellák bizonyos típusai jól használhatók helyhez kötött erőművekben. Mások hasznosak lehetnek kis hordozható eszközökhöz vagy autók meghajtásához. Az üzemanyagcellák fő típusai a következők:
Polimercserélő membrán üzemanyagcella (PEMFC)
A PEMFC-t tartják a legvalószínűbb jelöltnek a közlekedési alkalmazásokban. A PEMFC nagy teljesítményű és viszonylag alacsony üzemi hőmérséklettel rendelkezik (60-80 Celsius fok között). Az alacsony üzemi hőmérséklet azt jelenti, hogy az üzemanyagcellák gyorsan felmelegedhetnek, és megkezdhetik az áramtermelést.
Szilárd oxid üzemanyagcella (SOFC)
Ezek az üzemanyagcellák a legalkalmasabbak a nagyméretű, helyhez kötött áramtermelőkhöz, amelyek gyárakat vagy városokat szolgáltathatnak árammal. Az ilyen típusú üzemanyagcellák nagyon magas hőmérsékleten (700-1000 Celsius fok) működnek. A magas hőmérséklet megbízhatósági problémát jelent, mivel néhány üzemanyagcella több be- és kikapcsolás után meghibásodhat. A szilárd oxid üzemanyagcellák azonban nagyon stabilak folyamatos üzemben. Valójában a SOFC-k bizonyították az üzemanyagcellák leghosszabb élettartamát bizonyos feltételek mellett. A magas hőmérsékletnek megvan az az előnye is, hogy az üzemanyagcellák által termelt gőzt a turbinákba lehet irányítani, és több villamos energiát lehet termelni. Ezt a folyamatot ún kapcsolt hő- és villamosenergia-termelésés javítja a rendszer általános hatékonyságát.
Alkáli üzemanyagcellás (AFC)
Ez az egyik legrégebbi üzemanyagcellás kivitel, amelyet az 1960-as évek óta használnak. Az AFC-k nagyon érzékenyek a szennyezésre, mivel tiszta hidrogént és oxigént igényelnek. Ráadásul nagyon drágák, így az ilyen típusú üzemanyagcellákat nem valószínű, hogy tömeggyártásba kezdik.
Olvadt karbonát üzemanyagcella (MCFC)
A SOFC-khoz hasonlóan ezek az üzemanyagcellák is a legjobban alkalmasak nagy, helyhez kötött erőművekhez és generátorokhoz. 600 Celsius fokon működnek, így gőzt tudnak termelni, amivel viszont még több energiát lehet termelni. Alacsonyabb üzemi hőmérsékletük van, mint a szilárd oxid üzemanyagcelláknak, ami azt jelenti, hogy nincs szükségük ilyen hőálló anyagokra. Ez egy kicsit olcsóbbá teszi őket.
Foszforsav üzemanyagcella (PAFC)
Foszforsav üzemanyagcella kis helyhez kötött villamosenergia-rendszerekben is használható. Magasabb hőmérsékleten működik, mint a polimercserélő membrán üzemanyagcella, így tovább tart a felmelegedése, így autóipari használatra alkalmatlan.
Metanol üzemanyagcellák Közvetlen metanol üzemanyagcella (DMFC)
A metanolos üzemanyagcellák működési hőmérsékletüket tekintve a PEMFC-hez hasonlíthatók, de nem olyan hatékonyak. Ezenkívül a DMFC-k katalizátorként meglehetősen sok platinát igényelnek, ami drágává teszi ezeket az üzemanyagcellákat.
Üzemanyagcella polimer cserélő membránnal
A polimercserélő membrán üzemanyagcella (PEMFC) az egyik legígéretesebb üzemanyagcellás technológia. A PEMFC az üzemanyagcellák közül az egyik legegyszerűbb reakciót alkalmazza. Fontolja meg, miből áll.
1. A csomópont – Az üzemanyagcella negatív pólusa. A hidrogénmolekulákból felszabaduló elektronokat vezeti, ami után külső áramkörben használhatók fel. Csatornákkal van gravírozva, amelyeken keresztül a hidrogéngáz egyenletesen oszlik el a katalizátor felületén.
2.NAK NEK atom - az üzemanyagcella pozitív pólusán is vannak csatornák az oxigén elosztására a katalizátor felületén. Ezenkívül visszavezeti az elektronokat a katalizátor külső láncából, ahol hidrogén- és oxigénionokkal egyesülve vizet képezhetnek.
3.Elektrolit-proton cserélő membrán. Ez egy speciálisan kezelt anyag, amely csak pozitív töltésű ionokat vezet, és blokkolja az elektronokat. A PEMFC-ben a membránt hidratálni kell, hogy megfelelően működjön és stabil maradjon.
4. Katalizátor egy speciális anyag, amely elősegíti az oxigén és a hidrogén reakcióját. Általában szénpapírra vagy szövetre nagyon vékonyan lerakott platina nanorészecskékből készül. A katalizátor felületi szerkezete olyan, hogy a platina maximális felületét hidrogénnek vagy oxigénnek lehet kitenni.
Az ábrán a hidrogéngáz (H2) látható, amely nyomás alatt belép az üzemanyagcellába az anód felől. Amikor egy H2 molekula érintkezésbe kerül a katalizátoron lévő platinával, két H+ ionra és két elektronra bomlik. Az elektronok áthaladnak az anódon, ahol külső áramkörökben használják őket (hasznos munkát végeznek, például motort forgatnak), és visszakerülnek az üzemanyagcella katódoldalára.
Eközben az üzemanyagcella katód oldalán a levegőből származó oxigén (O2) áthalad a katalizátoron, ahol két oxigénatomot képez. Ezen atomok mindegyike erős negatív töltéssel rendelkezik. Ez a negatív töltés vonz két H+ iont a membránon keresztül, ahol ezek egy oxigénatommal és a külső áramkörből származó két elektronnal egyesülve vízmolekulát (H2O) alkotnak.
Ez a reakció egyetlen üzemanyagcellában csak körülbelül 0,7 voltot termel. A feszültség ésszerű szintre emelése érdekében sok egyedi tüzelőanyag-cellát kell kombinálni egy tüzelőanyag-cella köteggé. A bipoláris lemezeket arra használják, hogy az egyik üzemanyagcellát összekapcsolják a másikkal, és csökkenő potenciállal oxidálódnak. A bipoláris lemezekkel a nagy probléma a stabilitásuk. A fém bipoláris lemezek korrodálódhatnak, és a melléktermékek (vas- és krómionok) csökkentik az üzemanyagcella membránok és elektródák hatékonyságát. Ezért az alacsony hőmérsékletű üzemanyagcellákban könnyűfémeket, grafitot, valamint szén és hőre keményedő anyag (a hőre keményedő anyag egyfajta műanyag, amely magas hőmérsékletnek kitéve is szilárd marad) kompozit keverékeit használnak bipoláris lemezanyag formájában.
Üzemanyagcella-hatékonyság
A szennyezés csökkentése az üzemanyagcellák egyik fő célja. Ha összehasonlít egy üzemanyagcellás autót egy benzinmotorral és egy akkumulátorral hajtott autóval, láthatja, hogyan javíthatják az üzemanyagcellák az autók hatékonyságát.
Mivel mindhárom típusú autónak sok azonos alkatrésze van, figyelmen kívül hagyjuk az autó ezen részét, és összehasonlítjuk a hatékonyságot egészen addig a pontig, ahol a mechanikai erő keletkezik. Kezdjük az üzemanyagcellás autóval.
Ha egy üzemanyagcella tiszta hidrogénnel működik, hatásfoka akár 80 százalék is lehet. Így a hidrogén energiatartalmának 80 százalékát alakítja át elektromos árammá. Az elektromos energiát azonban még mechanikai munkává kell alakítanunk. Ezt elektromos motorral és inverterrel érik el. A motor + inverter hatásfoka is megközelítőleg 80 százalék. Ez körülbelül 80*80/100=64 százalékos összhatékonyságot ad. A Honda FCX koncepcióautójának energiahatékonysága 60 százalékos.
Ha az üzemanyagforrás nem tiszta hidrogén, akkor a járműnek reformátorra is szüksége lesz. A reformátorok a szénhidrogént vagy alkoholt hidrogénné alakítják át. Hőt termelnek, és a hidrogén mellett CO-t és CO2-t is termelnek. Különféle eszközöket használnak a keletkező hidrogén tisztítására, de ez a tisztítás nem elegendő, és csökkenti az üzemanyagcella hatékonyságát. Ezért a kutatók úgy döntöttek, hogy a tiszta hidrogénnel üzemelő járművek üzemanyagcelláira összpontosítanak, a hidrogén előállításával és tárolásával kapcsolatos problémák ellenére.
A benzinmotor és az autó hatékonysága elektromos akkumulátorokon
A benzinnel hajtott autók hatásfoka meglepően alacsony. Minden hő, amely kipufogógáz formájában távozik vagy a radiátor elnyeli, elpazarolt energia. A motor sok energiát használ fel a különféle szivattyúk, ventilátorok és generátorok forgatására is, amelyek folyamatosan működnek. Így az autó benzinmotorjának általános hatásfoka megközelítőleg 20 százalék. Így a benzin hőenergia-tartalmának csak megközelítőleg 20 százaléka válik mechanikai munkává.
Az akkumulátorral hajtott elektromos járműnek meglehetősen magas a hatásfoka. Az akkumulátor körülbelül 90 százalékos hatásfokú (a legtöbb akkumulátor némi hőt termel, vagy fűtést igényel), a motor + inverter pedig körülbelül 80 százalékos. Ez körülbelül 72 százalékos összhatékonyságot ad.
De ez még nem minden. Ahhoz, hogy egy elektromos autó mozogni tudjon, valahol először áramot kell termelni. Ha olyan erőműről van szó, amely fosszilis tüzelőanyagok égetési folyamatát használta (nem pedig atom-, víz-, nap- vagy szélenergiát), akkor az erőmű által fogyasztott tüzelőanyagnak csak körülbelül 40 százalékát alakították át elektromos árammá. Ráadásul az autók töltésének folyamatához a váltakozó áramú (AC) teljesítményt egyenárammá (DC) kell átalakítani. Ennek az eljárásnak a hatékonysága körülbelül 90 százalék.
Most, ha a teljes ciklust nézzük, egy elektromos jármű hatásfoka magának az autónak 72 százaléka, az erőműnek 40 százalék, az autó töltésének pedig 90 százaléka. Ez 26 százalékos összhatékonyságot ad. Az általános hatásfok jelentősen változik attól függően, hogy melyik erőművet használják az akkumulátor töltésére. Ha egy autó elektromos áramát például egy vízerőmű állítja elő, akkor egy elektromos autó hatásfoka körülbelül 65 százalék lesz.
A tudósok a terveket kutatják és finomítják az üzemanyagcellák hatékonyságának továbbfejlesztése érdekében. Az egyik új megközelítés az üzemanyagcellás és akkumulátoros járművek kombinálása. Egy üzemanyagcellás hibrid hajtáslánccal hajtott koncepció járművet fejlesztenek. Lítium akkumulátorral táplálja az autót, miközben az üzemanyagcella tölti az akkumulátort.
Az üzemanyagcellás járművek potenciálisan olyan hatékonyak, mint az akkumulátoros autók, amelyeket fosszilis tüzelőanyag-mentes erőműből töltenek fel. De ezt a potenciált gyakorlatias és hozzáférhető módon megvalósítani nehéz lehet.
Miért használjunk üzemanyagcellákat?
A fő ok az olajjal kapcsolatos minden. Amerikának olajának közel 60 százalékát importálnia kell. 2025-re az import várhatóan 68%-ra emelkedik. Az amerikaiak az olaj kétharmadát napi szállításra használják fel. Még ha az utcán minden autó hibrid autó lenne, 2025-re az Egyesült Államoknak még mindig ugyanannyi olajat kellene felhasználnia, mint amennyit az amerikaiaknak 2000-ben fogyasztottak. Valójában Amerika fogyasztja el a világ összes megtermelt olajának negyedét, bár a világ lakosságának mindössze 4,6%-a él itt.
Szakértők arra számítanak, hogy a következő néhány évtizedben az olajárak tovább emelkednek, mivel az olcsóbb források elfogynak. Az olajcégeknek egyre nehezebb körülmények között kell olajmezőket fejleszteniük, ami felfelé fogja hajtani az olajárakat.
A félelmek messze túlmutatnak a gazdasági biztonságon. Az olajeladásból befolyt összeg nagy részét a nemzetközi terrorizmus, a radikális politikai pártok, valamint az olajtermelő régiók instabil helyzetének támogatására fordítják.
Az olaj és más fosszilis tüzelőanyagok energiatermelése szennyezést okoz. Mindenki számára a legjobb, ha alternatívát talál – fosszilis tüzelőanyagokat éget el energiaként.
Az üzemanyagcellák vonzó alternatívája az olajfüggőségnek. Az üzemanyagcellák szennyezés helyett melléktermékként tiszta vizet termelnek. Míg a mérnökök átmenetileg a hidrogén különféle fosszilis forrásokból, például benzinből vagy földgázból történő előállítására összpontosítottak, a jövőben a hidrogén előállításának megújuló, környezetbarát módjait kutatják. A legígéretesebb természetesen a hidrogén vízből történő kinyerésének folyamata lesz.
Az olajfüggőség és a globális felmelegedés nemzetközi probléma. Több ország közösen vesz részt az üzemanyagcellás technológia kutatás-fejlesztésében.
Nyilvánvaló, hogy a tudósoknak és a gyártóknak sok munkájuk van, mielőtt az üzemanyagcellák a jelenlegi energiatermelési módszerek alternatívájává válnának. Pedig az egész világ támogatásával és globális összefogással pár évtizeden belül valósággá válhat egy, az üzemanyagcellákon alapuló, életképes energiarendszer.
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. 1. 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 egyenáramot állít elő, amely elektromos motor, világítótestek és egyéb elektromos rendszerek meghajtására használható 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. 4.
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 a járművekben való felhasználás első számú jelöltjei.
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. 8.
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
Üzemanyagcella típus | Üzemhőmérséklet | Energiatermelési hatékonyság | Üzemanyagtípus | Hatály |
Közepes és nagy telepítések |
||||
tiszta hidrogén | installációk |
|||
tiszta hidrogén | Kisebb telepítések |
|||
A legtöbb szénhidrogén üzemanyag | Kis, közepes és nagy telepítések |
|||
hordozható installációk |
||||
tiszta hidrogén | Hely feltárták |
|||
tiszta hidrogén | Kisebb telepítések |
Rizs. 10.
10. Üzemanyagcellák használata autókban
Rizs. tizenegy.
Rizs. 12.
A modern életben kémiai áramforrások vesznek körül bennünket: elemlámpák akkumulátorai, mobiltelefonok akkumulátorai, hidrogén üzemanyagcellák, amelyeket már egyes autókban is használnak. Az elektrokémiai technológiák rohamos fejlődése oda vezethet, hogy a közeljövőben a benzinmotoros autók helyett csak elektromos járművek vesznek körül bennünket, a telefonok már nem fogynak ki gyorsan, minden háznak saját üzemanyagcellája lesz. elektromos generátor. Az Uráli Szövetségi Egyetem és az Orosz Tudományos Akadémia Uráli Fiókjának Magas Hőmérsékletű Elektrokémiai Intézetének egyik közös programja, amellyel ezt a cikket publikáljuk, az elektrokémiai tárolók és az áramfejlesztők hatékonyságának növelésére irányul. .
Manapság sokféle akkumulátor létezik, amelyek között egyre nehezebb eligazodni. Korántsem világos mindenki számára, hogy miben különbözik az akkumulátor a szuperkondenzátortól, és miért használható a hidrogén üzemanyagcella anélkül, hogy félne a környezet károsításától. Ebben a cikkben arról lesz szó, hogy a kémiai reakciókat hogyan használják fel az elektromos áram előállítására, mi a különbség a modern kémiai áramforrások fő típusai között, és milyen távlatok nyílnak meg az elektrokémiai energia előtt.
A kémia mint áramforrás
Először is nézzük meg, hogy miért lehet egyáltalán kémiai energiát felhasználni elektromos áram előállítására. A helyzet az, hogy a redox reakciókban az elektronok két különböző ion között kerülnek átadásra. Ha a kémiai reakció két felét térben úgy választjuk el egymástól, hogy az oxidáció és a redukció egymástól elkülönülve megy végbe, akkor megbizonyosodhatunk arról, hogy az egyik ionról leszakadó elektron nem rögtön a másodikra esik, hanem előbb. előre meghatározott úton halad. Ez a reakció elektromos áram forrásaként használható.
Ezt a koncepciót először Luigi Galvani olasz fiziológus alkalmazta a 18. században. A hagyományos galvánelem működése a különböző aktivitású fémek redukciós és oxidációs reakcióin alapul. Például a klasszikus cella egy galvánelem, amelyben a cink oxidálódik és a réz redukálódik. A redukciós és oxidációs reakció a katódon, illetve az anódon megy végbe. És hogy a réz- és cinkionok ne kerüljenek "idegen területre", ahol közvetlenül reagálhatnak egymással, általában egy speciális membránt helyeznek az anód és a katód közé. Ennek eredményeként potenciálkülönbség keletkezik az elektródák között. Ha például az elektródákat egy izzóval csatlakoztatja, akkor az áram elkezd folyni a keletkező elektromos áramkörben, és az izzó kigyullad.
A galvánelem diagramja
Wikimedia Commons
A kémiai áramforrás fontos eleme az anód és a katód anyagain kívül az elektrolit, amelyen belül ionok mozognak, és amelynek határán az elektródákkal minden elektrokémiai reakció lezajlik. Ebben az esetben az elektrolitnak nem kell folyékonynak lennie - lehet polimer és kerámia is.
A galvánelem fő hátránya a korlátozott működési idő. Amint a reakció véget ér (vagyis a teljes fokozatosan feloldódó anód teljesen elfogy), egy ilyen elem egyszerűen leáll.
Ujj alkáli elemek
Újratölthető
Az első lépés a vegyi áramforrások képességeinek bővítése felé egy akkumulátor létrehozása volt – egy olyan áramforrás, amely újratölthető és így újra felhasználható. Ehhez a tudósok egyszerűen reverzibilis kémiai reakciók alkalmazását javasolták. Az akkumulátor első teljes lemerülése után külső áramforrás segítségével a benne lezajlott reakció az ellenkező irányba indítható. Ez visszaállítja az eredeti állapotot, így az akkumulátor újratöltés után újra használható.
Autóipari ólomsavas akkumulátor
A mai napig számos különféle típusú akkumulátort hoztak létre, amelyek különböznek a bennük lezajló kémiai reakciók típusától. A leggyakoribb akkumulátortípusok az ólom-savas (vagy egyszerűen ólom) akkumulátorok, amelyek az ólom oxidációs-redukciós reakcióján alapulnak. Az ilyen eszközök meglehetősen hosszú élettartamúak, energiafogyasztásuk kilogrammonként akár 60 wattóra is lehet. Az utóbbi időben még népszerűbbek a lítium-redox reakción alapuló lítium-ion akkumulátorok. A modern lítium-ion akkumulátorok energiaintenzitása ma már meghaladja a 250 wattórát kilogrammonként.
Li-ion akkumulátor mobiltelefonhoz
A lítium-ion akkumulátorok fő problémája az alacsony hőmérsékleten való alacsony hatásfok, a gyors öregedés és a fokozott robbanékonyság. És mivel a fém lítium nagyon aktívan reagál a vízzel, hidrogéngáz keletkezik, és oxigén szabadul fel, amikor az akkumulátor ég, a lítium-ion akkumulátor spontán égése nagyon nehéz a hagyományos tűzoltási módszerekkel. Az ilyen akkumulátorok biztonságának javítása és töltési idejének felgyorsítása érdekében a tudósok olyan katódanyagot javasolnak, amely megakadályozza a dendrites lítium struktúrák kialakulását, és olyan anyagokat ad az elektrolithoz, amelyek robbanásveszélyes szerkezeteket képeznek, és olyan alkatrészeket, amelyek a korai szakaszban meggyulladnak. .
Szilárd elektrolit
Az akkumulátorok hatékonyságának és biztonságának javításának egy másik kevésbé nyilvánvaló módjaként a vegyészek azt javasolták, hogy ne korlátozzák magukat a kémiai energiaforrásokban lévő folyékony elektrolitokra, hanem egy teljesen szilárdtestű energiaforrást hozzanak létre. Az ilyen eszközökben egyáltalán nincsenek folyékony komponensek, hanem egy szilárd anód, egy szilárd katód és egy szilárd elektrolit réteges szerkezete van közöttük. Az elektrolit ugyanakkor ellátja a membrán funkcióját. A szilárd elektrolitban a töltéshordozók különféle ionok lehetnek, az összetételtől, valamint az anódon és a katódon lejátszódó reakcióktól függően. De ezek mindig elég kicsi ionok, amelyek viszonylag szabadon mozoghatnak a kristályon, például H + protonok, Li + lítium ionok vagy O 2 - oxigén ionok.
Hidrogén üzemanyagcellák
Az újratöltési képesség és a speciális biztonsági intézkedések az akkumulátorokat sokkal ígéretesebb áramforrássá teszik, mint a hagyományos akkumulátorok, de ennek ellenére minden akkumulátor korlátozott mennyiségű reagenst tartalmaz, ezért korlátozott az energiaellátás, és minden alkalommal újra kell tölteni az akkumulátort. teljesítményének folytatásához.
Az akkumulátor „végtelenné” tételéhez energiaforrásként nem azokat az anyagokat lehet használni, amelyek a cellában vannak, hanem a speciálisan átszivattyúzott üzemanyagot. A legjobb az egészben, hogy a lehető legegyszerűbb összetételű, környezetbarát és a Földön bőségesen elérhető anyag a legalkalmasabb ilyen üzemanyagként.
A legalkalmasabb ilyen típusú anyag a hidrogéngáz. Légköri oxigénnel vízzé történő oxidációja (a 2H 2 + O 2 → 2H 2 O reakció szerint) egyszerű redox reakció, áramforrásként az ionok közötti elektrontranszport is használható. Az ebben az esetben lezajló reakció egyfajta fordított reakció a víz elektrolízis reakciójához (amelyben elektromos áram hatására a víz oxigénre és hidrogénre bomlik), és először javasoltak ilyen sémát század közepe.
De annak ellenére, hogy az áramkör meglehetősen egyszerűnek tűnik, egy hatékony eszköz létrehozása ezen az elven egyáltalán nem triviális feladat. Ehhez el kell választani az oxigén és a hidrogén áramlását a térben, biztosítani kell a szükséges ionok elszállítását az elektroliton, és csökkenteni kell az esetleges energiaveszteségeket a működés minden szakaszában.
Hidrogén üzemanyagcella működésének sematikus diagramja
A működő hidrogén üzemanyagcella sémája nagyon hasonló a kémiai áramforrás sémájához, de további csatornákat tartalmaz az üzemanyag és az oxidálószer ellátására, valamint a reakciótermékek és a feleslegben szállított gázok eltávolítására. Az ilyen elemben lévő elektródák porózus, vezetőképes katalizátorok. Az anódhoz gáznemű tüzelőanyagot (hidrogént), a katódra oxidálószert (levegő oxigénjét) juttatnak, és az egyes elektródák és az elektrolit határán saját félreakció megy végbe (az oxidáció hidrogén és oxigén redukciója). Ebben az esetben az üzemanyagcella típusától és az elektrolit típusától függően maga a vízképződés akár az anód-, akár a katódtérben mehet végbe.
Toyota hidrogén üzemanyagcellás
Joseph Brent / flickr
Ha az elektrolit protonvezető polimer vagy kerámia membrán, sav vagy lúg oldat, akkor az elektrolit töltéshordozója hidrogénion. Ebben az esetben a molekuláris hidrogén az anódnál hidrogénionokká oxidálódik, amelyek áthaladnak az elektroliton, és ott reakcióba lépnek az oxigénnel. Ha az oxigénion O 2– a töltéshordozó, mint egy szilárd oxid-elektrolit esetében, akkor az oxigén a katódon ionná redukálódik, ez az ion áthalad az elektroliton és az anódon oxidálja a hidrogént, így víz keletkezik és szabaddá válik. elektronok.
Az üzemanyagcellák hidrogén-oxidációs reakcióján kívül más típusú reakciók alkalmazását is javasolták. Például a hidrogén helyett a redukáló tüzelőanyag lehet metanol, amelyet az oxigén szén-dioxiddá és vízzé oxidál.
Üzemanyagcella-hatékonyság
A hidrogén üzemanyagcellák minden előnye ellenére (például környezetbarátság, gyakorlatilag korlátlan hatásfok, kompakt méret és nagy energiaintenzitás) számos hátrányuk is van. Ide tartozik mindenekelőtt az alkatrészek fokozatos öregedése és a hidrogén tárolásának nehézségei. A tudósok manapság ezen hiányosságok kiküszöbölésén dolgoznak.
Jelenleg az üzemanyagcellák hatásfokának növelését javasolják az elektrolit összetételének, a katalizátor elektróda tulajdonságainak, valamint a rendszer geometriájának megváltoztatásával (ami biztosítja a tüzelőanyag-gázok kívánt pontig történő ellátását, és csökkenti a mellékhatásokat). A hidrogéngáz tárolási problémájának megoldására platinatartalmú anyagokat használnak, amelyek telítésére például grafén membránokat alkalmaznak.
Ennek eredményeként az üzemanyagcella stabilitása és egyes alkatrészeinek élettartama megnövekszik. Most az ilyen cellákban a kémiai energia elektromos energiává alakításának együtthatója eléri a 80 százalékot, és bizonyos feltételek mellett még magasabb is lehet.
A hidrogénenergia hatalmas kilátásai azzal a lehetőséggel járnak, hogy az üzemanyagcellákat egész akkumulátorokká kombinálják, és azokat nagy teljesítményű elektromos generátorokká alakítják. A hidrogén-üzemanyagcellákkal működő elektromos generátorok jelenleg is akár több száz kilowatt teljesítményűek, és járművek áramforrásaként szolgálnak.
Alternatív elektrokémiai tárolás
A klasszikus elektrokémiai áramforrások mellett szokatlanabb rendszereket is alkalmaznak energiatárolóként. Az egyik ilyen rendszer egy szuperkondenzátor (vagy ionisztor) - olyan eszköz, amelyben a töltés szétválása és felhalmozódása kettős réteg képződése miatt következik be a töltött felület közelében. Az elektróda-elektrolit határfelületen egy ilyen készülékben a különböző előjelű ionok két rétegben, az úgynevezett "kettős elektromos rétegben" sorakoznak fel, egyfajta nagyon vékony kondenzátort alkotva. Egy ilyen kondenzátor kapacitását, vagyis a felhalmozott töltés mennyiségét az elektróda anyagának fajlagos felülete határozza meg, ezért előnyös a maximális fajlagos felületű porózus anyagokat venni anyagként. szuperkondenzátorok.
Az ionisztorok bajnokok a töltés-kisütési kémiai áramforrások között a töltési sebesség tekintetében, ami kétségtelen előnye az ilyen típusú készülékeknek. Sajnos a kisülési sebesség tekintetében is rekorderek. Az ionisztorok energiasűrűsége nyolcszor kisebb, mint az ólom akkumulátoroké, és 25-ször kisebb, mint a lítium-ionoké. A klasszikus "kétrétegű" ionisztorok magjában nem alkalmaznak elektrokémiai reakciót, és a "kondenzátor" kifejezést a legpontosabban rájuk alkalmazzák. Az ionisztorok azon változataiban azonban, amelyek elektrokémiai reakción alapulnak, és a töltés felhalmozódása az elektróda mélységéig terjed, nagyobb kisülési időket lehet elérni a gyors töltési sebesség fenntartása mellett. A szuperkondenzátorok fejlesztőinek erőfeszítései olyan akkumulátorokkal rendelkező hibrid eszközök létrehozására irányulnak, amelyek egyesítik a szuperkondenzátorok előnyeit, elsősorban a magas töltési sebességet, valamint az akkumulátorok előnyeit - nagy energiaintenzitást és hosszú kisütési időt. Képzeljen el a közeljövőben egy ionisztor akkumulátort, amely néhány perc alatt feltöltődik, és egy laptopot vagy okostelefont egy napig vagy tovább táplál!
Annak ellenére, hogy a szuperkondenzátorok energiasűrűsége még mindig többszöröse az akkumulátorok energiasűrűségének, a fogyasztói elektronikában és különféle járművek motorjaiban használják őket, beleértve a legtöbbet is.
* * *
Így manapság nagyszámú elektrokémiai eszköz létezik, amelyek mindegyike ígéretes a sajátos alkalmazásai szempontjából. Ezen eszközök hatékonyságának javítása érdekében a tudósoknak számos alapvető és technológiai problémát kell megoldaniuk. Az egyik áttörést jelentő projekt keretében ezen feladatok nagy részével az Uráli Szövetségi Egyetem foglalkozik, ezért Maxim Ananievet, az Orosz Tudományos Akadémia Uráli Kirendeltsége Magas hőmérsékletű Elektrokémiai Intézetének igazgatóját kérdeztük: Az Uráli Szövetségi Egyetem Vegyipari Technológiai Intézetének Elektrokémiai Termeléstechnológiai Tanszékének professzora, hogy beszéljen a korszerű üzemanyagcellák fejlesztésének közvetlen terveiről és kilátásairól.
N+1: Van a közeljövőben alternatívája a legnépszerűbb Li-Ion akkumulátoroknak?
Maxim Ananiev: Az akkumulátorfejlesztők modern erőfeszítései arra irányulnak, hogy az elektrolitban lévő töltéshordozót lítiumról nátriumra, káliumra és alumíniumra cseréljék. A lítium cseréje révén csökkenthető lesz az akkumulátor költsége, bár a súly- és méretjellemzők arányosan nőnek. Más szóval, ugyanazon elektromos jellemzők mellett a nátrium-ion akkumulátor nagyobb és nehezebb lesz, mint egy lítium-ion akkumulátor.
Emellett az akkumulátorok fejlesztésének egyik ígéretes fejlesztési területe a fém-ion akkumulátorok légelektródával való kombinációján alapuló hibrid kémiai energiaforrások létrehozása, mint az üzemanyagcellákban. Általánosságban elmondható, hogy a hibrid rendszerek létrehozásának iránya, amint azt a szuperkondenzátorok példáján már bemutattuk, a közeljövőben láthatóan lehetővé teszi a magas fogyasztói tulajdonságokkal rendelkező kémiai energiaforrások megjelenését a piacon.
Az Ural Federal University az oroszországi és a világ tudományos és ipari partnereivel együtt jelenleg hat olyan megaprojektet valósít meg, amelyek a tudományos kutatás áttörést jelentő területeire összpontosítanak. Az egyik ilyen projekt az "Elektrokémiai energiamérnökség perspektivikus technológiái az új anyagok kémiai tervezésétől az új generációs elektrokémiai eszközökig az energiamegtakarítás és -átalakítás érdekében".
A Stratégiai Akadémiai Egység (SAU) UrFU Természettudományi és Matematikai Iskola tudóscsoportja, amelynek tagja Maxim Ananiev is, új anyagok és technológiák tervezésével és fejlesztésével foglalkozik, beleértve az üzemanyagcellákat, elektrolitikus cellákat, fémgrafén akkumulátorokat, elektrokémiai elemeket. energiatároló rendszerek és szuperkondenzátorok.
A kutatás és a tudományos munka az Orosz Tudományos Akadémia Uráli Fiókjának Magas Hőmérsékletű Elektrokémiai Intézetével folyamatos együttműködésben és partnerek támogatásával folyik.
Mely üzemanyagcellák fejlesztése folyik jelenleg, és melyekben rejlik a legnagyobb potenciál?
Az üzemanyagcellák egyik legígéretesebb típusa a proton-kerámia cella. Előnyük van a protoncserélő membránnal és szilárd oxid cellákkal rendelkező polimer üzemanyagcellákkal szemben, mivel közvetlen szénhidrogén üzemanyag-ellátással is működhetnek. Ez jelentősen leegyszerűsíti a proton-kerámia tüzelőanyag-cellákra épülő erőmű tervezését és a vezérlőrendszert, ezáltal növeli a működés megbízhatóságát. Igaz, ez a fajta üzemanyagcellák jelenleg történelmileg kevésbé fejlettek, de a modern tudományos kutatások lehetővé teszik számunkra, hogy reménykedjünk ebben a technológiában a jövőben.
Milyen üzemanyagcellákkal kapcsolatos problémákkal foglalkoznak most az Uráli Szövetségi Egyetem?
Az UrFU tudósai az Orosz Tudományos Akadémia Uráli Fiókjának Magas Hőmérsékletű Elektrokémiai Intézetével (IHTE) közösen nagy hatékonyságú elektrokémiai eszközök és autonóm áramfejlesztők létrehozásán dolgoznak az elosztott energiában való alkalmazásokhoz. Az elosztott energiát használó erőművek létrehozása kezdetben elektromos áramgenerátoron és tárolóeszközön alapuló hibrid rendszerek kifejlesztését jelenti, amelyek akkumulátorok. Ugyanakkor az üzemanyagcella folyamatosan működik, csúcsidőben terhelést biztosít, üresjáratban pedig tölti az akkumulátort, amely maga is tartalékként működhet nagy energiafogyasztás és vészhelyzet esetén is.
Az Ural Szövetségi Egyetem és az IHTE vegyészei a legnagyobb sikert a szilárd-oxid és protonkerámia üzemanyagcellák fejlesztésében érték el. 2016 óta az Urálban a Rosatom állami vállalattal közösen létrehozták az első oroszországi szilárd oxid üzemanyagcellákon alapuló erőműveket. Az uráli tudósok fejlesztése már átment a "terepi" teszteken az Uraltransgaz LLC kísérleti helyszínén található gázvezeték katódos védelmi állomásán. Az 1,5 kilowatt névleges teljesítményű erőmű több mint 10 ezer órát dolgozott, és nagy potenciált mutatott az ilyen eszközök használatában.
Az Uráli Szövetségi Egyetem és az IHTE közös laboratóriuma keretében protonvezető kerámia membránon alapuló elektrokémiai berendezéseket fejlesztenek. Ez lehetővé teszi a közeljövőben a szilárd oxidos üzemanyagcellák üzemi hőmérsékletének 900-ról 500 Celsius-fokra való csökkentését, valamint a szénhidrogén üzemanyag előzetes reformálásának elhagyását, így költséghatékony elektrokémiai generátorokat hozva létre, amelyek a környezet körülményei között működhetnek. fejlett gázellátási infrastruktúra Oroszországban.
Sándor Dubov