Kompaktne gorivne celice njene slabosti. Naredi sam gorivne celice

gorivne celice- to je elektrokemična naprava, podobna galvanskemu členu, vendar se od njega razlikuje po tem, da se snovi za elektrokemijsko reakcijo vanj dovajajo od zunaj - za razliko od omejene količine energije, ki je shranjena v galvanskem členu ali bateriji.

riž. eno. Nekatere gorivne celice

Gorivne celice pretvarjajo kemično energijo goriva v električno energijo, pri čemer obidejo neučinkovite procese zgorevanja, ki potekajo z velikimi izgubami. Zaradi kemične reakcije pretvorijo vodik in kisik v elektriko. Kot rezultat tega procesa nastane voda in sprosti se velika količina toplote. Gorivna celica je zelo podobna bateriji, ki jo je mogoče napolniti in nato uporabiti za shranjevanje električne energije. Izumitelj gorivne celice je William R. Grove, ki jo je izumil davnega leta 1839. V tej gorivni celici je bila kot elektrolit uporabljena raztopina žveplove kisline, kot gorivo pa je bil uporabljen vodik, ki se je povezal s kisikom v oksidacijskem mediju. Do nedavnega so gorivne celice uporabljali le v laboratorijih in na vesoljskih plovilih.

riž. 2.

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

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

Gorivne celice nimajo gibljivih delov (vsaj ne v sami celici), zato ne spoštujejo Carnotovega zakona. To pomeni, da bodo imeli več kot 50-odstotni izkoristek in so še posebej učinkoviti pri nizkih obremenitvah. Tako so vozila na gorivne celice lahko (in že dokazano so) učinkovitejša pri porabi goriva kot običajna vozila v dejanskih voznih razmerah.

Gorivna celica ustvarja enosmerni električni tok, ki se lahko uporablja za pogon elektromotorja, razsvetljave in drugih električnih sistemov v vozilu.

Obstaja več vrst gorivnih celic, ki se razlikujejo po uporabljenih kemičnih procesih. Gorivne celice so običajno razvrščene glede na vrsto elektrolita, ki ga uporabljajo.

Nekatere vrste gorivnih celic so obetavne za uporabo kot elektrarne v elektrarnah, druge pa za prenosne naprave ali za pogon avtomobilov.

1. Alkalne gorivne celice (AFC)

Alkalne gorivne celice- To je eden prvih razvitih elementov. Alkalne gorivne celice (ALFC) so ena najbolj raziskanih tehnologij, ki jih NASA uporablja od sredine šestdesetih let prejšnjega stoletja v programih Apollo in Space Shuttle. Na krovu teh vesoljskih plovil gorivne celice proizvajajo elektriko in pitno vodo.

riž. 3.

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

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

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

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

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

Prednost SFC je, da so te gorivne celice najcenejše za izdelavo, saj je katalizator, potreben na elektrodah, lahko katera koli izmed snovi, ki so cenejše od tistih, ki se uporabljajo kot katalizatorji za druge gorivne celice. Poleg tega SFC delujejo pri relativno nizkih temperaturah in so med najučinkovitejšimi.

Ena od značilnih lastnosti SFC je njegova visoka občutljivost na CO2, ki ga lahko vsebuje gorivo ali zrak. CO2 reagira z elektrolitom, ga hitro zastrupi in močno zmanjša učinkovitost gorivne celice. Zato je uporaba SFC omejena na zaprte prostore, kot so vesoljska in podvodna vozila, delujejo na čisti vodik in kisik.

2. Gorivne celice iz karbonatne taline (MCFC)

Gorivne celice s staljenim karbonatnim elektrolitom so visokotemperaturne gorivne celice. Visoka delovna temperatura omogoča neposredno uporabo zemeljskega plina brez procesorja goriva in nizkokalorične kurilne vrednosti iz procesnih goriv in drugih virov. Ta postopek je bil razvit sredi šestdesetih let prejšnjega stoletja. Od takrat so se proizvodna tehnologija, zmogljivost in zanesljivost izboljšali.

riž. štiri.

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

Pri segrevanju na temperaturo 650°C postanejo soli prevodnik za karbonatne ione (CO32-). Ti ioni potujejo od katode do anode, kjer se združijo z vodikom in tvorijo vodo, ogljikov dioksid in proste elektrone. Ti elektroni se pošljejo skozi zunanje električno vezje nazaj na katodo, pri čemer se kot stranski produkt ustvari električni tok in toplota.

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

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

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

Visoke delovne temperature gorivnih celic s staljenim karbonatnim elektrolitom imajo določene prednosti. Prednost je možnost uporabe standardnih materialov (inox pločevina in nikelj katalizator na elektrodah). Odpadna toplota se lahko uporabi za proizvodnjo visokotlačne pare. Tudi visoke reakcijske temperature v elektrolitu imajo svoje prednosti. Uporaba visokih temperatur traja dolgo časa, da se dosežejo optimalni pogoji delovanja, sistem pa se počasneje odziva na spremembe v porabi energije. Te lastnosti omogočajo uporabo sistemov gorivnih celic s staljenim karbonatnim elektrolitom v pogojih konstantne moči. Visoke temperature preprečujejo poškodbe gorivne celice z ogljikovim monoksidom, "zastrupitev" itd.

Gorivne celice iz staljenega karbonata so primerne za uporabo v velikih stacionarnih napravah. Termoelektrarne z izhodno električno močjo 2,8 MW so industrijsko proizvedene. Razvijajo se naprave z izhodno močjo do 100 MW.

3. Gorivne celice na osnovi fosforne kisline (PFC)

Gorivne celice na osnovi fosforne (ortofosforne) kisline postale prve gorivne celice za komercialno uporabo. Ta postopek je bil razvit sredi 60-ih let XX stoletja, testi so bili opravljeni od 70-ih let XX stoletja. Posledično sta se povečali stabilnost in zmogljivost ter znižali stroški.

riž. 5.

Gorivne celice na osnovi fosforne (ortofosforne) kisline uporabljajo elektrolit na osnovi ortofosforne kisline (H3PO4) s koncentracijo do 100 %. Ionska prevodnost fosforne kisline je nizka pri nizkih temperaturah, zato se te gorivne celice uporabljajo pri temperaturah do 150-220°C.

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

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

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

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

Izkoristek gorivnih celic na osnovi fosforne (ortofosforne) kisline je pri pridobivanju električne energije več kot 40 %. Pri kombinirani proizvodnji toplote in električne energije je skupni izkoristek približno 85 %. Poleg tega je glede na delovne temperature mogoče odpadno toploto uporabiti za ogrevanje vode in ustvarjanje pare pri atmosferskem tlaku.

Visoka zmogljivost termoelektrarn na gorivne celice na osnovi fosforne (ortofosforne) kisline pri soproizvodnji toplote in električne energije je ena od prednosti tovrstnih gorivnih celic. Rastline uporabljajo ogljikov monoksid v koncentraciji približno 1,5%, kar močno razširi izbiro goriva. Enostavna konstrukcija, nizka hlapnost elektrolita in povečana stabilnost so tudi prednosti takšnih gorivnih celic.

Industrijsko se proizvajajo termoelektrarne z izhodno električno močjo do 400 kW. Naprave z močjo 11 MW so opravile ustrezne teste. Razvijajo se naprave z izhodno močjo do 100 MW.

4. Gorivne celice z membrano za izmenjavo protonov (MOFEC)

Gorivne celice z membrano za izmenjavo protonov veljajo za najboljšo vrsto gorivnih celic za proizvodnjo električne energije vozil, ki lahko nadomestijo bencinske in dizelske motorje z notranjim zgorevanjem. Te gorivne celice je NASA najprej uporabila za program Gemini. Razvite in prikazane so instalacije na MOPFC z močjo od 1 W do 2 kW.

riž. 6.

Elektrolit v teh gorivnih celicah je trdna polimerna membrana (tanek plastični film). Ko je impregniran z vodo, ta polimer prepušča protone, vendar ne prevaja elektronov.

Gorivo je vodik, nosilec naboja pa vodikov ion (proton). Na anodi se vodikova molekula loči na vodikov ion (proton) in elektrone. Vodikovi ioni prehajajo skozi elektrolit do katode, medtem ko se elektroni premikajo po zunanjem krogu in proizvajajo električno energijo. Kisik, ki ga vzamemo iz zraka, se dovaja na katodo in se združuje z elektroni in vodikovimi ioni ter tvori vodo. Na elektrodah pride do naslednjih reakcij: Anodna reakcija: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4eKatodna reakcija: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH Celotna celična reakcija: 2H2 + O2 => 2H2O V primerjavi z drugimi vrstami gorivnih celic, gorivne celice z membrano za izmenjavo protonov proizvede več energije za dano prostornino ali težo gorivne celice. Ta lastnost jim omogoča, da so kompaktni in lahki. Poleg tega je delovna temperatura nižja od 100°C, kar omogoča hiter začetek delovanja. Te značilnosti, kot tudi zmožnost hitrega spreminjanja izhodne energije, so samo nekatere lastnosti, zaradi katerih so te gorivne celice glavni kandidati za uporabo v vozilih.

Druga prednost je, da je elektrolit trdna in ne tekočina. S trdnim elektrolitom je lažje zadrževati pline na katodi in anodi, zato so takšne gorivne celice cenejše za izdelavo. Pri uporabi trdnega elektrolita ni težav kot je orientacija, manj pa je težav zaradi pojava korozije, kar poveča vzdržljivost celice in njenih komponent.

riž. 7.

5. Gorivne celice s trdnim oksidom (SOFC)

Trdne oksidne gorivne celice so gorivne celice z najvišjo delovno temperaturo. Delovna temperatura se lahko spreminja od 600°C do 1000°C, kar omogoča uporabo različnih vrst goriva brez posebne predpriprave. Za obvladovanje teh visokih temperatur je uporabljeni elektrolit tanek trden kovinski oksid na osnovi keramike, pogosto zlitina itrija in cirkonija, ki je prevodnik kisikovih (O2-) ionov. Tehnologija uporabe gorivnih celic s trdnim oksidom se razvija od poznih petdesetih let prejšnjega stoletja in ima dve konfiguraciji: planarno in cevasto.

Trdni elektrolit zagotavlja hermetični prehod plina iz ene elektrode v drugo, medtem ko se tekoči elektroliti nahajajo v poroznem substratu. Nosilec naboja v gorivnih celicah tega tipa je kisikov ion (О2-). Na katodi se molekule kisika ločijo od zraka na kisikov ion in štiri elektrone. Kisikovi ioni prehajajo skozi elektrolit in se združijo z vodikom, da tvorijo štiri proste elektrone. Elektroni so usmerjeni skozi zunanji električni tokokrog, ki ustvarja električni tok in odpadno toploto.

riž. osem.

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

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

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

Izkoristek proizvodnje električne energije je najvišji od vseh gorivnih celic – okoli 60 %. Poleg tega visoke delovne temperature omogočajo kombinirano proizvodnjo toplote in električne energije za ustvarjanje visokotlačne pare. Kombinacija visokotemperaturne gorivne celice s turbino ustvari hibridno gorivno celico za povečanje učinkovitosti proizvodnje električne energije do 70 %.

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

6. Gorivne celice z direktno oksidacijo metanola (DOMTE)

Gorivne celice z direktno oksidacijo metanola se uspešno uporabljajo na področju napajanja mobilnih telefonov, prenosnih računalnikov, pa tudi za izdelavo prenosnih napajalnikov, čemur je namenjena prihodnja uporaba tovrstnih elementov.

Zgradba gorivnih celic z direktno oksidacijo metanola je podobna zgradbi gorivnih celic z membrano za izmenjavo protonov (MOFEC), t.j. kot elektrolit se uporablja polimer, kot nosilec naboja pa vodikov ion (proton). Toda tekoči metanol (CH3OH) oksidira v prisotnosti vode na anodi, pri čemer se sprostijo CO2, vodikovi ioni in elektroni, ki se pošljejo skozi zunanji električni tokokrog, pri čemer nastane električni tok. Vodikovi ioni prehajajo skozi elektrolit in reagirajo s kisikom iz zraka ter elektroni iz zunanjega tokokroga, da tvorijo vodo na anodi.

Anodna reakcija: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6eKatodna reakcija: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O Skupna reakcija elementov: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O 1990 in njihova specifična moč in učinkovitost sta se povečala do 40 %.

Ti elementi so bili testirani v temperaturnem območju 50-120°C. Zaradi nizkih delovnih temperatur in brez potrebe po pretvorniku so te gorivne celice najboljši kandidati za uporabo v mobilnih telefonih in drugih potrošniških izdelkih ter v avtomobilskih motorjih. Njihova prednost so tudi majhne dimenzije.

7. Gorivne celice s polimernim elektrolitom (PETE)

V primeru gorivnih celic s polimernim elektrolitom je polimerna membrana sestavljena iz polimernih vlaken z vodnimi območji, v katerih je prevodnost vodnih ionov H2O+ (proton, rdeča) vezana na molekulo vode. Molekule vode predstavljajo problem zaradi počasne izmenjave ionov. Zato je potrebna visoka koncentracija vode tako v gorivu kot na izpušnih elektrodah, kar omejuje delovno temperaturo na 100°C.

8. Trdne kislinske gorivne celice (SCFC)

V trdnih kislinskih gorivnih celicah elektrolit (CsHSO4) ne vsebuje vode. Delovna temperatura je torej 100-300°C. Vrtenje oksianionov SO42 omogoča, da se protoni (rdeči) premikajo, kot je prikazano na sliki. Običajno je trdna kislinska gorivna celica sendvič, v katerem je zelo tanka plast trdne kislinske spojine stisnjena med dve tesno stisnjeni elektrodi, da se zagotovi dober stik. Pri segrevanju organska komponenta izhlapi in odide skozi pore v elektrodah, pri čemer ohrani sposobnost številnih stikov med gorivom (ali kisikom na drugem koncu celice), elektrolitom in elektrodami.

riž. 9.

9. Primerjava najpomembnejših lastnosti gorivnih celic

riž. deset.

10. Uporaba gorivnih celic v avtomobilih

riž. enajst.

riž. 12.

Energetiki ugotavljajo, da v večini razvitih držav hitro narašča zanimanje za razpršene vire energije relativno majhne zmogljivosti. Glavne prednosti teh avtonomnih elektrarn so zmerni kapitalski stroški med gradnjo, hiter zagon, relativno enostavno vzdrževanje in dobra okoljska učinkovitost. Z avtonomnim sistemom napajanja niso potrebne investicije v daljnovode in transformatorske postaje. Lokacija avtonomnih virov energije neposredno na mestih porabe ne le odpravlja izgube v omrežjih, ampak tudi povečuje zanesljivost oskrbe z električno energijo.

Znani so samostojni viri energije, kot so majhne plinske turbine (plinske turbine), motorji z notranjim izgorevanjem, vetrne turbine in polprevodniški sončni paneli.

Za razliko od motorjev z notranjim zgorevanjem ali turbin na premog/plin, gorivne celice ne zgorevajo goriva. S kemično reakcijo pretvorijo kemično energijo goriva v električno. Zato gorivne celice ne proizvajajo velikih količin toplogrednih plinov, ki se sproščajo med zgorevanjem goriva, kot so ogljikov dioksid (CO2), metan (CH4) in dušikov oksid (NOx). Emisije gorivnih celic so voda v obliki pare in nizke ravni ogljikovega dioksida (ali pa sploh ni emisij CO2), kadar se vodik uporablja kot gorivo za celice. Poleg tega gorivne celice delujejo tiho, ker ne vključujejo hrupnih visokotlačnih rotorjev in med delovanjem ni hrupa izpušnih plinov ali tresljajev.

Gorivna celica pretvarja kemično energijo goriva v električno s kemično reakcijo s kisikom ali drugim oksidantom. Gorivne celice so sestavljene iz anode (negativna stran), katode (pozitivna stran) in elektrolita, ki omogoča gibanje nabojev med obema stranema gorivne celice (slika: Shematski diagram gorivne celice).

Elektroni se premikajo od anode do katode skozi zunanji tokokrog in ustvarjajo enosmerno elektriko. Glede na to, da je glavna razlika med različnimi vrstami gorivnih celic elektrolit, gorivne celice delimo glede na vrsto uporabljenega elektrolita, tj. visokotemperaturne in nizkotemperaturne gorivne celice (TEPM, PMTE). Vodik je najpogostejše gorivo, včasih pa se lahko uporabljajo tudi ogljikovodiki, kot so zemeljski plin in alkoholi (tj. metanol). Gorivne celice se od baterij razlikujejo po tem, da potrebujejo stalen vir goriva in kisika/zraka, da potekajo kemične reakcije, in proizvajajo elektriko, dokler so napajane.

Gorivne celice imajo naslednje prednosti pred običajnimi viri energije, kot so motorji z notranjim zgorevanjem ali baterije:

• Gorivne celice so učinkovitejše od dizelskih ali plinskih motorjev.
• Večina gorivnih celic je tihih v primerjavi z motorji z notranjim zgorevanjem. Zato so primerni za objekte s posebnimi zahtevami, kot so bolnišnice.
• Gorivne celice ne povzročajo onesnaženja, ki ga povzroča izgorevanje fosilnih goriv; na primer, edini stranski produkt vodikovih gorivnih celic je voda.
• Če vodik pridobivamo z elektrolizo vode, ki jo zagotavlja obnovljiv vir energije, potem pri uporabi gorivnih celic v celotnem ciklu ne prihaja do sproščanja toplogrednih plinov.
• Gorivne celice ne potrebujejo običajnih goriv, ​​kot sta nafta ali plin, zato je mogoče odpraviti gospodarsko odvisnost od držav proizvajalk nafte in doseči večjo energetsko varnost.
• Gorivne celice niso odvisne od električnih omrežij, saj se lahko vodik proizvaja povsod, kjer sta na voljo voda in elektrika, proizvedeno gorivo pa se lahko distribuira.
• Pri uporabi stacionarnih gorivnih celic za proizvodnjo energije na mestu porabe se lahko uporabijo decentralizirana energetska omrežja, ki so potencialno bolj stabilna.
• Nizkotemperaturne gorivne celice (LEPM, PMFC) imajo nizek prenos toplote, zaradi česar so idealne za različne aplikacije.
• Gorivne celice z višjo temperaturo proizvajajo visoko kakovostno procesno toploto skupaj z električno energijo in so zelo primerne za soproizvodnjo (kot je soproizvodnja za stanovanjske zgradbe).
• Čas delovanja je veliko daljši od časa delovanja baterij, saj je za povečanje časa delovanja potrebno le več goriva, povečanje produktivnosti naprave pa ni potrebno.
• Za razliko od baterij imajo gorivne celice pri polnjenju z gorivom "spominski učinek".
• Vzdrževanje gorivnih celic je preprosto, saj nimajo velikih gibljivih delov.

Najpogostejše gorivo za gorivne celice je vodik, saj ne oddaja škodljivih onesnaževal. Vendar se lahko uporabljajo druga goriva in gorivne celice na zemeljski plin veljajo za učinkovito alternativo, ko je zemeljski plin na voljo po konkurenčnih cenah. V gorivnih celicah gre tok goriva in oksidantov skozi elektrode, ki so ločene z elektrolitom. To povzroči kemično reakcijo, ki proizvaja elektriko; ni potrebe po kurjenju goriva ali dodajanju toplotne energije, kar je običajno pri tradicionalnih načinih pridobivanja električne energije. Pri uporabi naravnega čistega vodika kot goriva in kisika kot oksidanta se kot posledica reakcije, ki poteka v gorivni celici, proizvaja voda, toplotna energija in elektrika. Pri uporabi z drugimi gorivi gorivne celice oddajajo zelo nizke emisije onesnaževal in proizvajajo visoko kakovostno in zanesljivo elektriko.

Prednosti gorivnih celic na zemeljski plin so naslednje:

• Koristi za okolje- Gorivne celice so čista metoda pridobivanja električne energije iz fosilnih goriv. ker gorivne celice, ki delujejo na čisti vodik in kisik, proizvajajo samo vodo, elektriko in toploto; druge vrste gorivnih celic oddajajo zanemarljive količine žveplovih spojin in zelo nizke ravni ogljikovega dioksida. Vendar pa je ogljikov dioksid, ki ga oddajajo gorivne celice, koncentriran in ga je mogoče zlahka zajeti, namesto da bi ga spustili v ozračje.
• Učinkovitost- Gorivne celice pretvarjajo energijo, ki je na voljo v fosilnih gorivih, v električno energijo veliko učinkoviteje kot konvencionalne metode pridobivanja električne energije z izgorevanjem goriva. To pomeni, da je za proizvodnjo enake količine električne energije potrebno manj goriva. Po podatkih National Energy Technology Laboratory 58 je mogoče izdelati gorivne celice (v kombinaciji s turbinami na zemeljski plin), ki bodo delovale v območju moči od 1 do 20 MWe s 70-odstotnim izkoristkom. Ta učinkovitost je veliko večja od učinkovitosti, ki jo je mogoče doseči s tradicionalnimi metodami pridobivanja električne energije v določenem območju moči.
• Proizvodnja z distribucijo- Gorivne celice se lahko proizvajajo v zelo majhnih velikostih; to omogoča njihovo namestitev na mesta, kjer je potrebna elektrika. To velja za stanovanjske, poslovne, industrijske in celo avtomobilske instalacije.
• Zanesljivost- Gorivne celice so popolnoma zaprte naprave brez gibljivih delov ali kompleksnih strojev. Zaradi tega so zanesljivi viri električne energije, ki lahko delujejo več ur. Poleg tega so skoraj tihi in varni viri električne energije. Tudi v gorivnih celicah ni sunkov električne energije; to pomeni, da jih je mogoče uporabiti v primerih, ko je potreben stalno delujoč zanesljiv vir električne energije.

Do nedavnega so bile manj popularne gorivne celice (FC), ki so elektrokemični generatorji, ki lahko pretvarjajo kemično energijo v električno energijo, mimo procesov zgorevanja, pretvarjajo toplotno energijo v mehansko in slednjo v električno. Električna energija nastaja v gorivnih celicah zaradi kemijske reakcije med reducentom in oksidantom, ki se neprekinjeno dovajata elektrodam. Reducent je največkrat vodik, oksidant pa kisik ali zrak. Kombinacija sklada gorivnih celic in naprav za dovajanje reagentov, odstranjevanje reakcijskih produktov in toplote (ki jo je mogoče izkoristiti) je elektrokemični generator.
V zadnjem desetletju 20. stoletja, ko sta bila zanesljivost oskrbe z električno energijo in skrb za okolje še posebej pomembna, so številna podjetja v Evropi, na Japonskem in v ZDA začela razvijati in proizvajati več različic gorivnih celic.
Najenostavnejše so alkalne gorivne celice, iz katerih se je začel razvoj tovrstnih avtonomnih virov energije. Delovna temperatura v teh gorivnih celicah je 80-95°C, elektrolit je 30% raztopina jedkega kalija. Alkalne gorivne celice delujejo na čisti vodik.
V zadnjem času je postala razširjena gorivna celica PEM z membranami za izmenjavo protonov (s polimernim elektrolitom). Tudi pri tem procesu je delovna temperatura 80-95°C, vendar se kot elektrolit uporablja trdna ionsko izmenjevalna membrana s perfluorosulfonsko kislino.
Resda je komercialno najbolj privlačna gorivna celica na fosforno kislino PAFC, ki samo pri pridobivanju električne energije dosega 40-odstotni izkoristek, pri izkoriščanju proizvedene toplote pa -85-odstotni izkoristek. Delovna temperatura te gorivne celice je 175–200 °C, elektrolit je tekoča fosforna kislina, ki impregnira silicijev karbid, vezan s teflonom.

Paket celic je opremljen z dvema poroznima grafitnima elektrodama in orto-fosforno kislino kot elektrolitom. Elektrode so prevlečene s platinastim katalizatorjem. V reformerju zemeljski plin ob interakciji s paro prehaja v vodik in CO, ki se v konverterju dodatno oksidira v CO2. Nadalje pod vplivom katalizatorja vodikove molekule na anodi disociirajo na ione H. Elektroni, ki se sproščajo pri tej reakciji, se skozi obremenitev usmerijo na katodo. Na katodi reagirajo z vodikovimi ioni, ki difundirajo skozi elektrolit, in s kisikovimi ioni, ki nastanejo kot posledica katalitične oksidacije kisika iz zraka na katodi, na koncu pa nastane voda.
Med obetavne vrste gorivnih celic spadajo tudi gorivne celice s staljenim karbonatom tipa MCFC. Ta gorivna celica ima pri delovanju na metan izkoristek 50-57 % za elektriko. Delovna temperatura 540-650°C, elektrolit - staljeni karbonat kalijeve in natrijeve alkalije v lupini - matrica litij-aluminijevega oksida LiA102.
In končno, najbolj obetaven gorivni element je SOFC. Gre za trdno oksidno gorivno celico, ki uporablja poljubno plinasto gorivo in je najbolj primerna za razmeroma velike instalacije. Njegova energetska učinkovitost je 50-55%, pri uporabi v napravah s kombiniranim ciklom pa do 65%. Delovna temperatura 980-1000°C, elektrolit - trdni cirkonij, stabiliziran z itrijem.

Na sl. 2 prikazuje 24-celično baterijo SOFC, ki jo je razvil Siemens Westinghouse Power Corporation (SWP - Nemčija). Ta baterija je osnova elektrokemičnega generatorja, ki ga poganja zemeljski plin. Prvi demonstracijski preizkusi tovrstne elektrarne z močjo 400 W so bili izvedeni že leta 1986. V naslednjih letih so izpopolnjevali zasnovo gorivnih celic s trdnim oksidom in povečali njihovo moč.

Najuspešnejši so bili predstavitveni preizkusi elektrarne z močjo 100 kW, ki je bila dana v obratovanje leta 1999. Elektrarna je potrdila možnost pridobivanja električne energije z visokim izkoristkom (46%), pokazala pa je tudi visoko stabilnost karakteristik. Tako je dokazana možnost delovanja elektrarne najmanj 40 tisoč ur ob sprejemljivem padcu njene moči.

Leta 2001 je bila razvita nova elektrarna na osnovi trdnih oksidnih elementov, ki deluje pri atmosferskem tlaku. Baterija (elektrokemični generator) z močjo elektrarne 250 kW s kombinirano proizvodnjo električne energije in toplote je vključevala 2304 trdnih oksidnih cevnih elementov. Poleg tega je naprava vključevala razsmernik, regenerator, grelnik na gorivo (zemeljski plin), zgorevalno komoro za ogrevanje zraka, toplotni izmenjevalnik za ogrevanje vode s toploto dimnih plinov in drugo pomožno opremo. Hkrati so bile splošne dimenzije instalacije precej zmerne: 2,6x3,0x10,8 m.
Nekaj ​​napredka pri razvoju velikih gorivnih celic so dosegli japonski strokovnjaki. Raziskovalno delo so na Japonskem začeli že leta 1972, vendar je bil pomemben napredek dosežen šele sredi devetdesetih let. Eksperimentalni moduli gorivnih celic so imeli moč od 50 do 1000 kW, od tega jih je 2/3 delovalo na zemeljski plin.
Leta 1994 so na Japonskem zgradili tovarno gorivnih celic z močjo 1 MW. Ob skupnem izkoristku (s proizvodnjo pare in tople vode) 71 % je imela naprava izkoristek za oskrbo z električno energijo najmanj 36 %. Po poročanju tiska od leta 1995 v Tokiu deluje 11 MW elektrarna na gorivne celice s fosforno kislino, do leta 2000 pa je skupna proizvodnja gorivnih celic dosegla 40 MW.

Vse zgoraj naštete naprave spadajo v industrijski razred. Njihovi razvijalci si nenehno prizadevajo povečati moč enot, da bi izboljšali stroškovne značilnosti (specifični stroški na kW instalirane moči in stroški proizvedene električne energije). Vendar pa obstaja več podjetij, ki si zastavljajo drugačen cilj: razviti najpreprostejše instalacije za domačo porabo, vključno z individualnimi napajalniki. In na tem področju so pomembni dosežki:

• Plug Power LLC je razvil enoto gorivnih celic s 7 kW za napajanje doma;
• H Power Corporation proizvaja 50-100 W polnilnike baterij, ki se uporabljajo v transportu;
• Pripravniško podjetje. Fuel Cells LLC proizvaja 50-300 W vozila in osebne napajalnike;
• Podjetje Analytic Power Inc. je razvilo 150 W osebne napajalnike za ameriško vojsko, kot tudi domače napajalnike na gorivne celice od 3 kW do 10 kW.

Katere so prednosti gorivnih celic, ki spodbujajo številna podjetja k velikim vlaganjem v njihov razvoj?
Poleg visoke zanesljivosti imajo elektrokemični generatorji visoko učinkovitost, kar jih ugodno razlikuje od parnih turbinskih naprav in celo od naprav s plinskimi turbinami s preprostim ciklom. Pomembna prednost gorivnih celic je priročnost njihove uporabe kot razpršenih virov energije: modularna zasnova vam omogoča zaporedno povezovanje poljubnega števila posameznih celic v baterijo – idealna kakovost za povečanje moči.

Toda najpomembnejši argument v prid gorivnih celic je njihova okoljska učinkovitost. Emisije NOX in CO iz teh naprav so tako majhne, ​​da na primer okrožni organi za kakovost zraka v regijah (kjer so okoljski nadzorni predpisi najstrožji v ZDA) te opreme niti ne omenjajo v vseh zahtevah glede zaščite. atmosfere.

Številne prednosti gorivnih celic trenutno žal ne morejo odtehtati njihove edine pomanjkljivosti - visokih stroškov.V ZDA na primer so specifični kapitalski stroški za izgradnjo elektrarne tudi pri najbolj konkurenčnih gorivnih celicah približno 3.500 $/kW. . Čeprav vlada zagotavlja subvencijo v višini 1000 $/kWh, da bi spodbudila povpraševanje po tej tehnologiji, stroški gradnje takih objektov ostajajo precej visoki. Še posebej v primerjavi z investicijskimi stroški za izgradnjo mini SPTE s plinskimi turbinami ali z motorji z notranjim zgorevanjem megavatnega razpona moči, ki znašajo približno 500 $/kW.

V zadnjih letih je bil dosežen določen napredek pri zmanjševanju stroškov FC inštalacij. Gradnja elektrarn z gorivnimi celicami na osnovi fosforne kisline z zmogljivostjo 0,2-1,0 MW, ki je bila omenjena zgoraj, je stala 1700 dolarjev / kW. Stroški proizvodnje energije v takšnih napravah v Nemčiji pri uporabi 6000 ur na leto so izračunani na 7,5-10 centov / kWh. Tovarna PC25 z močjo 200 kW, ki jo upravlja Hessische EAG (Darmstadt), ima tudi dobre gospodarske rezultate: stroški električne energije, vključno z amortizacijo, gorivom in stroški vzdrževanja naprave, so znašali 15 centov/kWh. Isti kazalnik za TE na rjavi premog je v elektropodjetju znašal 5,6 centa / kWh, na premog - 4,7 centa / kWh, za termoelektrarne - 4,7 centa / kWh in za dizelske elektrarne - 10,3 centa / kWh.

Gradnja večje tovarne na gorivne celice (N=1564 kW), ki obratuje od leta 1997 v Kölnu, je zahtevala specifične kapitalske stroške v višini 1500-1750 USD/kW, vendar je bil strošek dejanskih gorivnih celic le 400 USD/kW.

Vse zgoraj navedeno kaže, da so gorivne celice obetavna vrsta opreme za proizvodnjo energije tako za industrijo kot za avtonomne naprave v gospodinjstvu. Visoka učinkovitost porabe plina in odlične okoljske lastnosti dajejo razlog za domnevo, da bo po rešitvi najpomembnejše naloge - zmanjšanju stroškov - ta vrsta energetske opreme povprašena na trgu avtonomnih sistemov za oskrbo s toploto in električno energijo.

Ekologija znanja Znanost in tehnologija: Vodikova energetika je ena najučinkovitejših industrij, gorivne celice pa ji omogočajo, da ostaja v ospredju inovativnih tehnologij.

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

Gorivna celica je podobna bateriji, saj s kemično reakcijo ustvarja enosmerni tok. Kot baterija tudi gorivna celica vključuje anodo, katodo in elektrolit. Vendar pa za razliko od baterij gorivne celice ne morejo shranjevati električne energije, se ne praznijo in ne potrebujejo električne energije za ponovno polnjenje. Gorivne celice lahko neprekinjeno proizvajajo elektriko, dokler imajo dovod goriva in zraka. Pravilen izraz za opis delujoče gorivne celice je celični sistem, saj za pravilno delovanje potrebuje nekaj pomožnih sistemov.

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

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

Načelo delovanja gorivnih celic

Gorivne celice proizvajajo elektriko in toploto zaradi potekajoče elektrokemične reakcije z uporabo elektrolita, katode in anode.

Anoda in katoda sta ločeni z elektrolitom, ki prevaja protone. Po vstopu vodika v anodo in kisika v katodo se začne kemična reakcija, posledično nastanejo električni tok, toplota in voda. Na anodnem katalizatorju molekularni vodik disociira in izgubi elektrone. Vodikovi ioni (protoni) se vodijo skozi elektrolit do katode, medtem ko elektroni prehajajo skozi elektrolit in skozi zunanje električno vezje, kar ustvarja enosmerni tok, ki se lahko uporablja za napajanje opreme. Na katodnem katalizatorju se molekula kisika združi z elektronom (ki se dovaja iz zunanjih komunikacij) in prihajajočim protonom ter tvori vodo, ki je edini produkt reakcije (v obliki hlapov in/ali tekočine).

Spodaj je ustrezna reakcija:

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

Vrste gorivnih celic

Podobno kot obstajajo različne vrste motorjev z notranjim zgorevanjem, obstajajo tudi različne vrste gorivnih celic – izbira ustrezne vrste gorivne celice je odvisna od njene uporabe.Gorivne celice delimo na visokotemperaturne in nizkotemperaturne. Nizkotemperaturne gorivne celice potrebujejo razmeroma čist vodik kot gorivo.

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

Gorivni elementi na staljenem karbonatu (MCFC).

Gorivne celice s staljenim karbonatnim elektrolitom so visokotemperaturne gorivne celice. Visoka delovna temperatura omogoča neposredno uporabo zemeljskega plina brez procesorja goriva in nizkokalorične kurilne vrednosti iz procesnih goriv in drugih virov. Ta postopek je bil razvit sredi šestdesetih let prejšnjega stoletja. Od takrat so se proizvodna tehnologija, zmogljivost in zanesljivost izboljšali.

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

Pri segrevanju na temperaturo 650°C postanejo soli prevodnik za karbonatne ione (CO32-). Ti ioni prehajajo s katode na anodo, kjer se združijo z vodikom in tvorijo vodo, ogljikov dioksid in proste elektrone. Ti elektroni se pošljejo skozi zunanje električno vezje nazaj na katodo, pri čemer se kot stranski produkt ustvari električni tok in toplota.

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

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

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

Gorivne celice iz staljenega karbonata so primerne za uporabo v velikih stacionarnih napravah. Termoelektrarne z izhodno električno močjo 2,8 MW so industrijsko proizvedene. Razvijajo se naprave z izhodno močjo do 100 MW.

Gorivne celice na osnovi fosforne kisline (PFC).

Gorivne celice na osnovi fosforne (ortofosforne) kisline so bile prve gorivne celice za komercialno uporabo. Ta postopek je bil razvit sredi 1960-ih in je bil preizkušen od 1970-ih. Od takrat so se stabilnost, zmogljivost in stroški povečali.

Gorivne celice na osnovi fosforne (ortofosforne) kisline uporabljajo elektrolit na osnovi ortofosforne kisline (H3PO4) s koncentracijo do 100 %. Ionska prevodnost fosforne kisline je nizka pri nizkih temperaturah, zato se te gorivne celice uporabljajo pri temperaturah do 150–220 °C.

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

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

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

Visoka zmogljivost termoelektrarn na gorivne celice na osnovi fosforne (ortofosforne) kisline pri soproizvodnji toplote in električne energije je ena od prednosti tovrstnih gorivnih celic. Rastline uporabljajo ogljikov monoksid v koncentraciji približno 1,5%, kar močno razširi izbiro goriva. Poleg tega CO2 ne vpliva na elektrolit in delovanje gorivne celice, ta vrsta celice deluje z reformiranim naravnim gorivom. Enostavna konstrukcija, nizka hlapnost elektrolita in povečana stabilnost so tudi prednosti te vrste gorivnih celic.

Industrijsko se proizvajajo termoelektrarne z izhodno električno močjo do 400 kW. Naprave za 11 MW so opravile ustrezne teste. Razvijajo se naprave z izhodno močjo do 100 MW.

Gorivne celice z membrano za izmenjavo protonov (PME)

Gorivne celice s protonsko izmenjevalno membrano veljajo za najboljšo vrsto gorivnih celic za proizvodnjo električne energije vozil, ki lahko nadomestijo bencinske in dizelske motorje z notranjim zgorevanjem. Te gorivne celice je NASA najprej uporabila za program Gemini. Danes se razvijajo in demonstrirajo instalacije na MOPFC z močjo od 1 W do 2 kW.

Te gorivne celice kot elektrolit uporabljajo trdno polimerno membrano (tanek plastični film). Ko je impregniran z vodo, ta polimer prepušča protone, vendar ne prevaja elektronov.

Gorivo je vodik, nosilec naboja pa vodikov ion (proton). Na anodi se vodikova molekula loči na vodikov ion (proton) in elektrone. Vodikovi ioni prehajajo skozi elektrolit do katode, medtem ko se elektroni premikajo po zunanjem krogu in proizvajajo električno energijo. Kisik, ki ga vzamemo iz zraka, se dovaja na katodo in se združuje z elektroni in vodikovimi ioni ter tvori vodo. Na elektrodah potekajo naslednje reakcije:

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

V primerjavi z drugimi vrstami gorivnih celic gorivne celice z membrano za izmenjavo protonov proizvedejo več energije za dano prostornino ali težo gorivne celice. Ta lastnost jim omogoča, da so kompaktni in lahki. Poleg tega je delovna temperatura nižja od 100°C, kar omogoča hiter začetek delovanja. Te značilnosti, kot tudi zmožnost hitrega spreminjanja izhodne energije, so le nekatere izmed lastnosti, zaradi katerih so te gorivne celice glavni kandidati za uporabo v vozilih.

Druga prednost je, da je elektrolit trdna in ne tekoča snov. Zadrževanje plinov na katodi in anodi je lažje s trdnim elektrolitom, zato so takšne gorivne celice cenejše za izdelavo. V primerjavi z drugimi elektroliti uporaba trdnega elektrolita ne povzroča težav kot je orientacija, manj je težav zaradi pojava korozije, kar vodi do daljše obstojnosti celice in njenih komponent.

Gorivne celice s trdnim oksidom (SOFC)

Gorivne celice s trdnim oksidom so gorivne celice z najvišjo delovno temperaturo. Delovna temperatura se lahko spreminja od 600°C do 1000°C, kar omogoča uporabo različnih vrst goriva brez posebne predpriprave. Za obvladovanje teh visokih temperatur je uporabljeni elektrolit tanek trden kovinski oksid na osnovi keramike, pogosto zlitina itrija in cirkonija, ki je prevodnik kisikovih (O2-) ionov. Tehnologija uporabe gorivnih celic s trdnim oksidom se je razvijala od poznih petdesetih let prejšnjega stoletja. in ima dve konfiguraciji: ravno in cevasto.

Trdni elektrolit zagotavlja hermetični prehod plina iz ene elektrode v drugo, medtem ko se tekoči elektroliti nahajajo v poroznem substratu. Nosilec naboja v gorivnih celicah tega tipa je kisikov ion (О2-). Na katodi se molekule kisika ločijo od zraka na kisikov ion in štiri elektrone. Kisikovi ioni prehajajo skozi elektrolit in se združijo z vodikom, da tvorijo štiri proste elektrone. Elektroni so usmerjeni skozi zunanji električni tokokrog, ki ustvarja električni tok in odpadno toploto.

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

Izkoristek proizvedene električne energije je najvišji od vseh gorivnih celic – okoli 60 %. Poleg tega visoke delovne temperature omogočajo kombinirano proizvodnjo toplote in električne energije za ustvarjanje visokotlačne pare. Kombinacija visokotemperaturne gorivne celice s turbino ustvari hibridno gorivno celico za povečanje učinkovitosti proizvodnje električne energije do 70 %.

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

Gorivne celice z direktno oksidacijo metanola (DOMTE)

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

Zgradba gorivnih celic z direktno oksidacijo metanola je podobna gorivnim celicam z membrano za izmenjavo protonov (MOFEC), t.j. kot elektrolit se uporablja polimer, kot nosilec naboja pa vodikov ion (proton). Vendar pa se tekoči metanol (CH3OH) oksidira v prisotnosti vode na anodi, pri čemer se sprostijo CO2, vodikovi ioni in elektroni, ki se vodijo skozi zunanji električni tokokrog, in nastane električni tok. Vodikovi ioni prehajajo skozi elektrolit in reagirajo s kisikom iz zraka ter elektroni iz zunanjega tokokroga, da tvorijo vodo na anodi.

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

Razvoj teh gorivnih celic se je začel v zgodnjih devetdesetih letih prejšnjega stoletja. Po razvoju izboljšanih katalizatorjev in zahvaljujoč drugim nedavnim inovacijam sta se gostota moči in učinkovitost povečala do 40 %.

Ti elementi so bili testirani v temperaturnem območju 50-120°C. Z nizkimi delovnimi temperaturami in brez potrebe po pretvorniku so gorivne celice z direktnim metanolom najboljši kandidat za aplikacije, ki segajo od mobilnih telefonov in drugih potrošniških izdelkov do avtomobilskih motorjev. Prednost te vrste gorivnih celic je njihova majhnost zaradi uporabe tekočega goriva in odsotnost potrebe po uporabi pretvornika.

Alkalne gorivne celice (AFC)

Alkalne gorivne celice (ALFC) so ena najbolj raziskanih tehnologij in se uporabljajo od sredine šestdesetih let prejšnjega stoletja. NASA v programih Apollo in Space Shuttle. Na krovu teh vesoljskih plovil gorivne celice proizvajajo elektriko in pitno vodo. Alkalne gorivne celice so eden najučinkovitejših elementov, ki se uporabljajo za proizvodnjo električne energije, saj izkoristek proizvodnje električne energije doseže do 70 %.

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

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

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

Ena od značilnih lastnosti SFC je njegova visoka občutljivost na CO2, ki ga lahko vsebuje gorivo ali zrak. CO2 reagira z elektrolitom, ga hitro zastrupi in močno zmanjša učinkovitost gorivne celice. Zato je uporaba SFC omejena na zaprte prostore, kot so vesoljska in podvodna vozila, delovati morajo na čisti vodik in kisik. Poleg tega so molekule, kot so CO, H2O in CH4, ki so varne za druge gorivne celice in celo gorivo za nekatere izmed njih, škodljive za SFC.

Gorivne celice s polimernim elektrolitom (PETE)

V primeru gorivnih celic s polimernim elektrolitom je polimerna membrana sestavljena iz polimernih vlaken z vodnimi območji, v katerih je prevodnost vodnih ionov H2O+ (proton, rdeča) vezana na molekulo vode. Molekule vode predstavljajo problem zaradi počasne izmenjave ionov. Zato je potrebna visoka koncentracija vode tako v gorivu kot na izpušnih elektrodah, kar omejuje delovno temperaturo na 100°C.

Trdne kislinske gorivne celice (SCFC)

V trdnih kislinskih gorivnih celicah elektrolit (CsHSO4) ne vsebuje vode. Delovna temperatura je torej 100-300°C. Vrtenje anionov SO42-oksi omogoča, da se protoni (rdeči) premikajo, kot je prikazano na sliki.

Običajno je trdna kislinska gorivna celica sendvič, v katerem je zelo tanka plast trdne kislinske spojine stisnjena med dve tesno stisnjeni elektrodi, da se zagotovi dober stik. Pri segrevanju organska komponenta izhlapi in odide skozi pore v elektrodah, pri čemer ohrani sposobnost številnih stikov med gorivom (ali kisikom na drugem koncu celice), elektrolitom in elektrodami.

Pridružite se nam na

Nissan vodikove gorivne celice

Mobilna elektronika se iz leta v leto izboljšuje, postaja vse bolj razširjena in dostopnejša: dlančniki, prenosni računalniki, mobilne in digitalne naprave, foto okvirji itd. Vse se nenehno posodablja z novimi funkcijami, večjimi monitorji, brezžičnimi komunikacijami, močnejšimi procesorji, medtem ko se zmanjšuje velikost.. Energetske tehnologije za razliko od polprevodniške ne gredo skokovito.

Razpoložljivih baterij in akumulatorjev za napajanje dosežkov industrije postaja vse premalo, zato je vprašanje alternativnih virov zelo pereče. Gorivne celice so daleč najbolj obetavna smer. Načelo njihovega delovanja je že leta 1839 odkril William Grove, ki je elektriko pridobival s spreminjanjem elektrolize vode.

Video: dokumentarni film, gorivne celice za transport: preteklost, sedanjost, prihodnost

Gorivne celice so zanimive za avtomobilske proizvajalce, zanje pa se zanimajo tudi ustvarjalci vesoljskih plovil. Leta 1965 jih je testirala celo Amerika na v vesolje izstreljenem Geminiju 5 in kasneje Apollu. Milijoni dolarjev se vlagajo v raziskave gorivnih celic tudi danes, ko obstajajo problemi, povezani z onesnaževanjem okolja, vse večjimi izpusti toplogrednih plinov pri zgorevanju fosilnih goriv, ​​katerih zaloge prav tako niso neskončne.

Gorivna celica, pogosto imenovana elektrokemični generator, deluje na spodaj opisan način.

Je, tako kot akumulatorji in baterije, galvanski člen, vendar s to razliko, da so aktivne snovi v njem shranjene ločeno. Do elektrod pridejo, ko se uporabljajo. Na negativni elektrodi gori naravno gorivo ali iz njega pridobljena snov, ki je lahko plinasta (na primer vodik in ogljikov monoksid) ali tekoča, kot so alkoholi. Na pozitivni elektrodi praviloma reagira kisik.

Toda načela delovanja, ki je videti preprosto, ni lahko prevesti v resničnost.

Naredi sam gorivne celice

Video: Naredi sam vodikove gorivne celice

Na žalost nimamo fotografij, kako naj bi ta gorivni element izgledal, upamo na vašo domišljijo.

Gorivno celico z nizko močjo z lastnimi rokami lahko izdelate celo v šolskem laboratoriju. Potrebno je založiti staro plinsko masko, več kosov pleksi stekla, alkalije in vodno raztopino etilnega alkohola (preprosteje vodko), ki bo služil kot "gorivo" za gorivno celico.

Najprej potrebujete ohišje za gorivno celico, ki je najbolje iz pleksi stekla, debeline vsaj pet milimetrov. Notranje predelne stene (pet predelkov v notranjosti) lahko naredite nekoliko tanjše - 3 cm Za lepljenje pleksi stekla se uporablja lepilo naslednje sestave: šest gramov pleksi stekla se raztopi v sto gramih kloroforma ali dikloroetana (delujejo pod pokrovom). ).

V zunanji steni je zdaj potrebno izvrtati luknjo, v katero skozi gumijasti zamašek vstavite odtočno stekleno cev s premerom 5-6 centimetrov.

Vsi vedo, da so v periodnem sistemu v spodnjem levem kotu najbolj aktivne kovine, visokoaktivni metaloidi pa so v tabeli v zgornjem desnem kotu, tj. sposobnost oddajanja elektronov se povečuje od zgoraj navzdol in od desne proti levi. Elementi, ki se pod določenimi pogoji lahko manifestirajo kot kovine ali metaloidi, so v središču tabele.

Zdaj v drugi in četrti prekat vlijemo aktivno oglje iz plinske maske (med prvo pregrado in drugo, pa tudi tretjo in četrto), ki bo delovalo kot elektroda. Da se premog ne razlije skozi luknje, ga lahko položite v najlonsko tkanino (ženske najlonske nogavice bodo zadostovale). AT

Gorivo bo krožilo v prvi komori, v peti mora biti dobavitelj kisika - zrak. Med elektrodama bo elektrolit in da preprečite uhajanje v zračno komoro, ga je treba namočiti z raztopino parafina v bencinu (razmerje 2 grama parafina na pol kozarca bencina) pred polnjenjem četrte komore s premogom za zračni elektrolit. Na plast premoga morate položiti (rahlo pritisniti) bakrene plošče, na katere so spajkane žice. Skozi njih bo tok preusmerjen iz elektrod.

Ostaja samo napolniti element. Za to je potrebna vodka, ki jo je treba razredčiti z vodo v razmerju 1: 1. Nato previdno dodajte tristo do tristo petdeset gramov jedkega kalija. Za elektrolit se 70 gramov jedkega kalija raztopi v 200 gramih vode.

Gorivna celica je pripravljena za testiranje. Zdaj morate hkrati vliti gorivo v prvo komoro in elektrolit v tretjo. Voltmeter, pritrjen na elektrode, mora pokazati od 07 voltov do 0,9. Da bi zagotovili neprekinjeno delovanje elementa, je potrebno izrabljeno gorivo izprazniti (odtok v kozarec) in dodati novo gorivo (skozi gumijasto cev). Hitrost podajanja se nadzoruje s stiskanjem cevi. Tako je v laboratorijskih razmerah videti delovanje gorivne celice, katere moč je razumljivo majhna.

Video: Gorivna celica ali večna baterija doma

Da bi bila moč večja, se znanstveniki že dolgo ukvarjajo s tem problemom. Metanol in etanolske gorivne celice se nahajajo na aktivnem razvojnem jeklu. Toda na žalost jih še ni mogoče uresničiti.

Zakaj so gorivne celice izbrane kot alternativni vir energije

Kot alternativni vir energije je bila izbrana gorivna celica, saj je končni produkt zgorevanja vodika v njej voda. Težava je le v iskanju poceni in učinkovitega načina za proizvodnjo vodika. Ogromna sredstva, vložena v razvoj generatorjev vodika in gorivnih celic, ne morejo ne obroditi sadov, zato je tehnološki preboj in njihova dejanska uporaba v vsakdanjem življenju le še vprašanje časa.

Že danes pošasti avtomobilske industrije: General Motors, Honda, Dreimler Koisler, Ballard prikazujejo avtobuse in avtomobile na gorivne celice z močjo do 50 kW. Toda težave, povezane z njihovo varnostjo, zanesljivostjo, stroški - še niso rešene. Kot že omenjeno, za razliko od tradicionalnih virov energije - baterij in baterij, se v tem primeru oksidator in gorivo dovajata od zunaj, gorivna celica pa je le posrednik v tekoči reakciji za zgorevanje goriva in pretvorbo sproščene energije v električno energijo. . Do "gorenja" pride le, če element daje tok bremenu, kot dizelski električni generator, vendar brez generatorja in dizelskega goriva, pa tudi brez hrupa, dima in pregrevanja. Hkrati je učinkovitost veliko večja, saj ni vmesnih mehanizmov.

Video: Avto na vodikove gorivne celice

Velike upe polagamo v uporabo nanotehnologij in nanomaterialov, ki bo pomagal miniaturizirati gorivne celice, hkrati pa povečal njihovo moč. Obstajajo poročila, da so bili ustvarjeni ultra učinkoviti katalizatorji, pa tudi modeli gorivnih celic, ki nimajo membran. V njih se elementu skupaj z oksidantom dovaja gorivo (na primer metan). Zanimive so rešitve, kjer se kot oksidant uporablja v vodi raztopljen kisik, kot gorivo pa organske primesi, ki se nabirajo v onesnaženih vodah. To so tako imenovane biogorivne celice.

Gorivne celice lahko po mnenju strokovnjakov v prihodnjih letih vstopijo na množični trg