Vodikova gorivna celica: opis, značilnosti, princip delovanja, fotografija. Vodikova energija: začetek dolgega potovanja

Gorivna celica je naprava, ki učinkovito ustvarja toploto in enosmerni tok z elektrokemično reakcijo in uporablja gorivo, bogato z vodikom. Po principu delovanja je podoben bateriji. Strukturno je gorivna celica predstavljena z elektrolitom. Zakaj je izjemen? Za razliko od baterij vodikove gorivne celice ne shranjujejo električne energije, ne potrebujejo elektrike za ponovno polnjenje in se ne praznijo. Celice še naprej proizvajajo elektriko, dokler imajo dovod zraka in goriva.

Posebnosti

Razlika med gorivnimi celicami in drugimi generatorji energije je v tem, da med delovanjem ne izgorevajo goriva. Zaradi te lastnosti ne potrebujejo visokotlačnih rotorjev, ne oddajajo glasnega hrupa in tresljajev. Elektrika v gorivnih celicah nastaja s tiho elektrokemično reakcijo. Kemična energija goriva se v takih napravah pretvarja neposredno v vodo, toploto in elektriko.

Gorivne celice so zelo učinkovite in ne proizvajajo velikih količin toplogrednih plinov. Izhod celic med delovanjem je majhna količina vode v obliki pare in ogljikovega dioksida, ki se ne sprosti, če se kot gorivo uporablja čisti vodik.

Zgodovina videza

V 50. in 60. letih 20. stoletja je Nasina potreba po virih energije za dolgoročne vesoljske misije izzvala eno najzahtevnejših nalog za gorivne celice, ki so obstajale v tistem času. Alkalne celice kot gorivo uporabljajo kisik in vodik, ki se med elektrokemično reakcijo pretvorita v stranske produkte, uporabne med vesoljskim poletom - elektriko, vodo in toploto.

Gorivne celice so bile prvič odkrite v začetku 19. stoletja - leta 1838. Hkrati so se pojavile prve informacije o njihovi učinkovitosti.

Delo na gorivnih celicah z uporabo alkalnih elektrolitov se je začelo v poznih tridesetih letih prejšnjega stoletja. Visokotlačne ponikljane elektrodne celice so bile izumljene šele leta 1939. Med drugo svetovno vojno so za britanske podmornice razvili gorivne celice, sestavljene iz alkalnih celic s premerom približno 25 centimetrov.

Zanimanje zanje se je povečalo v petdesetih in osemdesetih letih prejšnjega stoletja, za katere je značilno pomanjkanje naftnega goriva. Države po vsem svetu so se začele ukvarjati z vprašanji onesnaževanja zraka in okolja, da bi razvile okolju prijazne načine za proizvodnjo električne energije. Tehnologija za proizvodnjo gorivnih celic je trenutno v fazi aktivnega razvoja.

Načelo delovanja

Toploto in elektriko proizvajajo gorivne celice kot rezultat elektrokemične reakcije, ki poteka s pomočjo katode, anode in elektrolita.

Katoda in anoda sta ločeni s protonsko prevodnim elektrolitom. Po dovodu kisika katodi in vodika anodi se začne kemična reakcija, katere posledica so toplota, tok in voda.

Disociira na anodnem katalizatorju, kar povzroči izgubo elektronov. Vodikovi ioni vstopajo v katodo skozi elektrolit, medtem ko elektroni prehajajo skozi zunanje električno omrežje in ustvarjajo enosmerni tok, ki se uporablja za napajanje opreme. Molekula kisika na katodnem katalizatorju se združi z elektronom in prihajajočim protonom, sčasoma pa tvori vodo, ki je edini produkt reakcije.

Vrste

Izbira določene vrste gorivne celice je odvisna od področja njene uporabe. Vse gorivne celice so razdeljene v dve glavni kategoriji - visokotemperaturne in nizkotemperaturne. Slednji kot gorivo uporabljajo čisti vodik. Takšne naprave praviloma zahtevajo predelavo primarnega goriva v čisti vodik. Postopek se izvaja s posebno opremo.

Visokotemperaturne gorivne celice tega ne potrebujejo, ker pretvarjajo gorivo pri povišanih temperaturah, kar odpravlja potrebo po vodikovi infrastrukturi.

Princip delovanja vodikovih gorivnih celic temelji na pretvorbi kemične energije v električno brez neučinkovitih zgorevalnih procesov in pretvorbi toplotne energije v mehansko.

Splošni pojmi

Vodikove gorivne celice so elektrokemične naprave, ki proizvajajo elektriko z visoko učinkovitim "hladnim" zgorevanjem goriva. Obstaja več vrst takšnih naprav. Najbolj obetavna tehnologija velja za gorivne celice vodik-zrak, opremljene s protonsko izmenjevalno membrano PEMFC.

Protonsko prevodna polimerna membrana je zasnovana tako, da ločuje dve elektrodi - katodo in anodo. Vsak od njih je predstavljen z ogljikovo matriko, prevlečeno s katalizatorjem. disociira na anodnem katalizatorju in oddaja elektrone. Kationi se vodijo do katode skozi membrano, vendar se elektroni prenesejo v zunanje vezje, ker membrana ni zasnovana za prenos elektronov.

Molekula kisika na katodnem katalizatorju se združi z elektronom iz električnega tokokroga in prihajajočim protonom, sčasoma pa tvori vodo, ki je edini produkt reakcije.

Vodikove gorivne celice se uporabljajo za izdelavo membransko-elektrodnih blokov, ki delujejo kot glavni generatorski elementi energetskega sistema.

Prednosti vodikovih gorivnih celic

Med njimi je treba izpostaviti:

  • Povečana specifična toplotna kapaciteta.
  • Širok razpon delovne temperature.
  • Brez vibracij, hrupa in vročine.
  • Zanesljivost hladnega zagona.
  • Pomanjkanje samopraznjenja, kar zagotavlja dolgo življenjsko dobo shranjevanja energije.
  • Neomejena avtonomija zahvaljujoč možnosti prilagajanja energijske intenzivnosti s spreminjanjem števila vložkov goriva.
  • Zagotavljanje skoraj vseh energijskih intenzivnosti s spreminjanjem kapacitete hranilnika vodika.
  • Dolga življenjska doba.
  • Tiho in okolju prijazno delovanje.
  • Visoka stopnja energijske intenzivnosti.
  • Toleranca na tuje primesi v vodiku.

Področje uporabe

Zaradi visoke učinkovitosti se vodikove gorivne celice uporabljajo na različnih področjih:

  • Prenosni polnilci.
  • Sistemi napajanja za UAV.
  • Napajalniki za neprekinjeno napajanje.
  • Druge naprave in oprema.

Obeti za vodikovo energijo

Široka uporaba gorivnih celic z vodikovim peroksidom bo mogoča šele po izdelavi učinkovite metode za pridobivanje vodika. Za aktivno uporabo tehnologije so potrebne nove zamisli, pri čemer veliko upov polagamo na koncept biogorivnih celic in nanotehnologije. Nekatera podjetja so relativno nedavno izdala učinkovite katalizatorje na osnovi različnih kovin, hkrati pa so se pojavile informacije o ustvarjanju gorivnih celic brez membran, kar je omogočilo znatno znižanje stroškov proizvodnje in poenostavitev zasnove takšnih naprav. Prednosti in značilnosti vodikovih gorivnih celic ne odtehtajo njihove glavne pomanjkljivosti - visokih stroškov, zlasti v primerjavi z ogljikovodikovimi napravami. Izgradnja ene elektrarne na vodik zahteva najmanj 500 tisoč dolarjev.

Kako zgraditi vodikovo gorivno celico?

Gorivno celico z nizko močjo lahko ustvarite neodvisno v pogojih običajnega domačega ali šolskega laboratorija. Uporabljeni materiali so stara plinska maska, kosi pleksi stekla, vodna raztopina etilnega alkohola in alkalije.

Ohišje vodikove gorivne celice naredi sam je izdelano iz pleksi stekla debeline najmanj pet milimetrov. Pregrade med predelki so lahko tanjše - približno 3 milimetre. Pleksi steklo je zlepljeno s posebnim lepilom iz kloroforma ali dikloroetana in ostružkov pleksi stekla. Vsa dela se izvajajo samo, ko napa deluje.

V zunanjo steno ohišja izvrtamo luknjo s premerom 5-6 centimetrov, v katero vstavimo gumijasti zamašek in odtočno stekleno cev. Aktivno oglje iz plinske maske se vlije v drugi in četrti predel telesa gorivne celice - uporabljalo se bo kot elektroda.

V prvi komori bo krožilo gorivo, peta pa je napolnjena z zrakom, iz katerega se bo dovajal kisik. Elektrolit, ki se vlije med elektrode, je impregniran z raztopino parafina in bencina, da prepreči vstop v zračno komoro. Bakrene plošče so nameščene na plast premoga z žicami, spajkanimi na njih, skozi katere bo preusmerjen tok.

Sestavljeno vodikovo gorivno celico napolnimo z vodko, razredčeno z vodo v razmerju 1:1. V nastalo mešanico previdno dodamo jedki kalij: 70 gramov kalija se raztopi v 200 gramih vode.

Pred testiranjem gorivne celice na vodik se v prvo komoro vlije gorivo, v tretjo komoro pa elektrolit. Voltmeter, priključen na elektrode, naj kaže med 0,7 in 0,9 voltov. Da bi zagotovili neprekinjeno delovanje elementa, je treba izrabljeno gorivo odstraniti, skozi gumijasto cev pa natočiti novo gorivo. S stiskanjem cevi se nadzoruje pretok goriva. Takšne vodikove gorivne celice, sestavljene doma, imajo majhno moč.

GORIVNA CELICA
elektrokemijski generator, naprava, ki omogoča neposredno pretvorbo kemične energije v električno. Čeprav se isto dogaja v električnih baterijah, imajo gorivne celice dve pomembni razliki: 1) delujejo, dokler se gorivo in oksidant dovajata iz zunanjega vira; 2) kemična sestava elektrolita se med delovanjem ne spremeni, tj. gorivne celice ni treba ponovno napolniti.
Poglej tudi NAPAJALNIK BATERIJA.
Princip delovanja. Gorivna celica (slika 1) je sestavljena iz dveh elektrod, ločenih z elektrolitom, in sistemov za dovajanje goriva na eno elektrodo in oksidanta na drugo ter sistema za odstranjevanje produktov reakcije. V večini primerov se katalizatorji uporabljajo za pospešitev kemične reakcije. Gorivna celica je z zunanjim električnim tokokrogom povezana z bremenom, ki porablja elektriko.

V tistem, prikazanem na sl. V kislinski gorivni celici se vodik dovaja skozi votlo anodo in vstopa v elektrolit skozi zelo fine pore v materialu elektrode. V tem primeru se molekule vodika razgradijo na atome, ki se zaradi kemisorpcije, pri čemer vsak odda en elektron, spremenijo v pozitivno nabite ione. Ta proces je mogoče opisati z naslednjimi enačbami:


Vodikovi ioni difundirajo skozi elektrolit proti pozitivni strani celice. Kisik, doveden na katodo, prehaja v elektrolit in reagira tudi na površini elektrode s sodelovanjem katalizatorja. V kombinaciji z vodikovimi ioni in elektroni, ki prihajajo iz zunanjega tokokroga, nastane voda:

Gorivne celice z alkalnimi elektroliti (običajno koncentriranimi natrijevimi ali kalijevimi hidroksidi) so podvržene podobnim kemičnim reakcijam. Vodik prehaja skozi anodo in v prisotnosti katalizatorja reagira s hidroksilnimi ioni (OH-), ki so prisotni v elektrolitu, da tvori vodo in elektron:

Na katodi kisik reagira z vodo v elektrolitu in elektroni iz zunanjega tokokroga. V zaporednih reakcijskih stopnjah nastanejo hidroksilni ioni (kot tudi perhidroksilni O2H-). Nastalo reakcijo na katodi lahko zapišemo kot:

Pretok elektronov in ionov vzdržuje ravnovesje naboja in snovi v elektrolitu. Voda, ki nastane kot posledica reakcije, delno razredči elektrolit. V kateri koli gorivni celici se del energije kemijske reakcije pretvori v toploto. Pretok elektronov v zunanjem tokokrogu je enosmerni tok, ki se uporablja za opravljanje dela. Večina reakcij v gorivnih celicah zagotavlja EMF približno 1 V. Odpiranje tokokroga ali ustavitev gibanja ionov zaustavi delovanje gorivne celice. Proces, ki poteka v gorivni celici vodik-kisik, je po svoji naravi obraten od dobro znanega procesa elektrolize, pri katerem voda disociira, ko električni tok teče skozi elektrolit. Pri nekaterih vrstah gorivnih celic je namreč lahko proces obraten – z dovajanjem napetosti na elektrode lahko vodo razgradimo na vodik in kisik, ki se lahko zbereta na elektrodah. Če prenehate polniti celico in nanjo priključite breme, bo taka regenerativna gorivna celica takoj začela delovati v normalnem načinu. Teoretično so lahko dimenzije gorivne celice poljubno velike. V praksi pa je več celic združenih v majhne module ali baterije, ki so povezane zaporedno ali vzporedno.
Vrste gorivnih celic. Obstaja več vrst gorivnih celic. Razvrstimo jih lahko na primer glede na uporabljeno gorivo, delovni tlak in temperaturo ter naravo uporabe.
Elementi na vodikovo gorivo. V tej zgoraj opisani tipični celici se vodik in kisik prenašata v elektrolit skozi mikroporozne ogljikove ali kovinske elektrode. Visoka gostota toka je dosežena v celicah, ki delujejo pri povišanih temperaturah (približno 250 °C) in visokih tlakih. Celice, ki uporabljajo vodikovo gorivo, pridobljeno s predelavo ogljikovodikovih goriv, ​​kot so zemeljski plin ali naftni derivati, bodo očitno našle najširšo komercialno uporabo. Če združite veliko število elementov, lahko ustvarite močne elektrarne. V teh napravah se enosmerni tok, ki ga ustvarijo celice, pretvori v izmenični tok s standardnimi parametri. Nova vrsta elementov, ki lahko delujejo na vodik in kisik pri normalni temperaturi in tlaku, so elementi z ionsko izmenjevalnimi membranami (slika 2). V teh celicah je namesto tekočega elektrolita med elektrodama nameščena polimerna membrana, skozi katero prosto prehajajo ioni. V takšnih celicah se zrak lahko uporablja skupaj s kisikom. Voda, ki nastane med delovanjem celice, ne raztopi trdnega elektrolita in jo je mogoče zlahka odstraniti.



Elementi ogljikovodikovih in premogovih goriv. Gorivne celice, ki lahko pretvorijo kemično energijo široko dostopnih in razmeroma poceni goriv, ​​kot so propan, zemeljski plin, metanol, kerozin ali bencin, neposredno v električno energijo, so predmet intenzivnih raziskav. Vendar pa pri razvoju gorivnih celic, ki delujejo na pline, pridobljene iz ogljikovodikovih goriv pri normalnih temperaturah, še ni bil dosežen opazen napredek. Za povečanje hitrosti reakcije ogljikovodikov in premoga je potrebno zvišati delovno temperaturo gorivne celice. Elektroliti so taline karbonatov ali drugih soli, ki so zaprte v porozno keramično matrico. Gorivo se "razcepi" znotraj celice, da nastane vodik in ogljikov monoksid, ki ohranjata reakcijo, ki ustvarja tok, v celici. Elementi, ki delujejo na druge vrste goriva. Načeloma ni nujno, da so reakcije v gorivnih celicah oksidacijske reakcije običajnih goriv. V prihodnosti bo mogoče najti še druge kemijske reakcije, ki bodo omogočile učinkovito neposredno proizvodnjo električne energije. V nekaterih napravah se električna energija pridobiva z oksidacijo na primer cinka, natrija ali magnezija, iz katerega so izdelane potrošne elektrode.
Učinkovitost. Pretvorba energije klasičnih goriv (premog, nafta, zemeljski plin) v električno energijo je bila doslej večstopenjski proces. Sežiganje goriva za proizvodnjo pare ali plina, potrebnega za delovanje turbine ali motorja z notranjim zgorevanjem, ki nato poganja električni generator, ni zelo učinkovit postopek. Faktor izkoristka energije takšne transformacije je namreč omejen z drugim zakonom termodinamike in ga je težko dvigniti bistveno nad obstoječo raven (glej tudi TOPLOTA; TERMODINAMIKA). Faktor izrabe energije goriva najsodobnejših parnoturbinskih elektrarn ne presega 40 %. Za gorivne celice ni termodinamične omejitve faktorja izrabe energije. V obstoječih gorivnih celicah se 60 do 70 % energije goriva neposredno pretvori v električno energijo, elektrarne na gorivne celice, ki uporabljajo vodik iz ogljikovodikovega goriva, pa so zasnovane za 40-45 % učinkovitost.
Aplikacije. Gorivne celice lahko v bližnji prihodnosti postanejo široko uporabljan vir energije v prometu, industriji in gospodinjstvih. Visoki stroški gorivnih celic so omejili njihovo uporabo v vojaških in vesoljskih aplikacijah. Predvidene uporabe gorivnih celic vključujejo njihovo uporabo kot prenosne vire energije za vojaške potrebe in kompaktne alternativne vire energije za satelite blizu Zemlje s sončnimi paneli, ko gredo skozi razširjene senčne odseke orbite. Majhnost in masa gorivnih celic sta omogočili njihovo uporabo pri poletih s posadko na Luno. Gorivne celice na trisedežnem vesoljskem plovilu Apollo so bile uporabljene za napajanje računalnikov in radijskih komunikacijskih sistemov. Gorivne celice se lahko uporabljajo za napajanje opreme na oddaljenih območjih, za terenska vozila, na primer v gradbeništvu. V kombinaciji z enosmernim elektromotorjem bo gorivna celica učinkovit vir pogona vozil. Za široko uporabo gorivnih celic je potreben pomemben tehnološki napredek, znižanje stroškov in možnost učinkovite uporabe poceni goriva. Ko bodo ti pogoji izpolnjeni, bodo gorivne celice omogočile široko dostopnost električne in mehanske energije po vsem svetu.
Poglej tudi ENERGETSKI VIRI .
LITERATURA
Bagotsky V.S., Skundin A.M. Kemični viri toka. M., 1981 Crompton T. Trenutni viri. M., 1985, 1986

Enciklopedija Collier. - Odprta družba. 2000 .

Poglejte, kaj je "GORIVNA CELICA" v drugih slovarjih:

    GORIVNI ELEMENT, ELEKTROKEMIJSKI ELEMENT za neposredno pretvorbo energije oksidacije goriva v električno energijo. Ustrezno zasnovane elektrode so potopljene v ELEKTROLIT in gorivo (na primer vodik) se dovaja v eno ... Znanstveni in tehnični enciklopedični slovar

    Galvanski člen, v katerem se redoks reakcija vzdržuje s stalnim dovajanjem reagentov (goriva, npr. vodika, in oksidanta, npr. kisika) iz posebnih rezervoarjev. Najpomembnejši del..... Veliki enciklopedični slovar

    gorivne celice- Primarni element, v katerem se električna energija generira z elektrokemičnimi reakcijami med aktivnimi snovmi, ki se elektrodam nenehno dovajajo od zunaj. [GOST 15596 82] EN gorivna celica, ki lahko spremeni kemično energijo iz… … Priročnik tehničnega prevajalca

    Gorivna celica z neposrednim metanolom Gorivna celica je elektrokemična naprava, podobna galvanskemu členu, a drugačna od njega ... Wikipedia

Združene države so sprejele več pobud za razvoj vodikovih gorivnih celic, infrastrukture in tehnologij, da bodo vozila na gorivne celice postala praktična in ekonomična do leta 2020. V te namene je namenjena več kot milijarda dolarjev.

Gorivne celice proizvajajo elektriko tiho in učinkovito, ne da bi onesnaževale okolje. Za razliko od virov energije fosilnih goriv sta stranska produkta gorivnih celic toplota in voda. Kako deluje?

V tem članku bomo na kratko pregledali vsako od obstoječih tehnologij goriva danes, govorili pa bomo tudi o zasnovi in ​​delovanju gorivnih celic ter jih primerjali z drugimi oblikami proizvodnje energije. Razpravljali bomo tudi o nekaterih ovirah, s katerimi se srečujejo raziskovalci pri ustvarjanju gorivnih celic praktičnih in cenovno dostopnih za potrošnike.

Gorivne celice so naprave za elektrokemično pretvorbo energije. Gorivna celica pretvarja kemikalije, vodik in kisik, v vodo, pri tem pa proizvaja elektriko.

Druga elektrokemična naprava, ki jo vsi dobro poznamo, je baterija. Baterija ima v sebi vse potrebne kemične elemente in te snovi pretvori v elektriko. To pomeni, da baterija sčasoma "umre" in jo zavržete ali pa jo ponovno napolnite.

V gorivno celico se vanjo nenehno dovajajo kemikalije, tako da nikoli ne »umre«. Elektrika se bo proizvajala tako dolgo, dokler kemikalije vstopajo v celico. Večina gorivnih celic, ki so danes v uporabi, uporablja vodik in kisik.

Vodik je najpogostejši element v naši galaksiji. Vendar pa vodik na Zemlji praktično ne obstaja v svoji elementarni obliki. Inženirji in znanstveniki morajo pridobivati ​​čisti vodik iz vodikovih spojin, vključno s fosilnimi gorivi ali vodo. Za pridobivanje vodika iz teh spojin morate porabiti energijo v obliki toplote ali elektrike.

Izum gorivnih celic

Sir William Grove je leta 1839 izumil prvo gorivno celico. Grove je vedel, da se voda lahko razdeli na vodik in kisik, če skozi njo teče električni tok (proces, imenovan elektroliza). Predlagal je, da bi lahko v obratnem vrstnem redu dobili elektriko in vodo. Ustvaril je primitivno gorivno celico in jo poimenoval plinska galvanska baterija. Po eksperimentiranju s svojim novim izumom je Grove dokazal svojo hipotezo. Petdeset let pozneje sta znanstvenika Ludwig Mond in Charles Langer skovala izraz gorivne celice ko poskuša zgraditi praktičen model za proizvodnjo električne energije.

Gorivna celica bo tekmovala s številnimi drugimi napravami za pretvorbo energije, vključno s plinskimi turbinami v mestnih elektrarnah, motorji z notranjim zgorevanjem v avtomobilih in baterijami vseh vrst. Motorji z notranjim zgorevanjem, tako kot plinske turbine, zgorevajo različne vrste goriva in uporabljajo tlak, ki nastane zaradi širjenja plinov, za opravljanje mehanskega dela. Baterije po potrebi pretvorijo kemično energijo v električno. Gorivne celice morajo te naloge opravljati učinkoviteje.

Gorivna celica zagotavlja DC (enosmerni tok) napetost, ki se lahko uporablja za napajanje elektromotorjev, razsvetljave in drugih električnih naprav.

Obstaja več različnih vrst gorivnih celic, od katerih vsaka uporablja različne kemične procese. Gorivne celice so običajno razvrščene glede na njihovo delovna temperatura in vrstaelektrolit, ki jih uporabljajo. Nekatere vrste gorivnih celic so zelo primerne za uporabo v stacionarnih elektrarnah. Drugi so lahko uporabni za majhne prenosne naprave ali za napajanje avtomobilov. Glavne vrste gorivnih celic vključujejo:

Gorivna celica z membrano za izmenjavo polimerov (PEMFC)

PEMFC velja za najverjetnejšega kandidata za transportne aplikacije. PEMFC ima visoko moč in relativno nizko delovno temperaturo (v območju od 60 do 80 stopinj Celzija). Nizka delovna temperatura pomeni, da se lahko gorivne celice hitro segrejejo in začnejo proizvajati elektriko.

Trdne oksidne gorivne celice (SOFC)

Te gorivne celice so najbolj primerne za velike stacionarne generatorje energije, ki bi lahko zagotavljali elektriko tovarnam ali mestom. Ta vrsta gorivnih celic deluje pri zelo visokih temperaturah (700 do 1000 stopinj Celzija). Visoka temperatura je problem zanesljivosti, saj lahko nekatere gorivne celice odpovejo po več ciklih vklapljanja in izklapljanja. Vendar so gorivne celice s trdnim oksidom zelo stabilne pri neprekinjenem delovanju. Dejansko so SOFC-ji pod določenimi pogoji dokazali najdaljšo življenjsko dobo vseh gorivnih celic. Visoka temperatura ima tudi prednost, da se para, ki jo proizvajajo gorivne celice, lahko usmeri v turbine in proizvede več električne energije. Ta proces se imenuje soproizvodnja toplote in električne energije in izboljša splošno učinkovitost sistema.

Alkalne gorivne celice (AFC)

Je ena najstarejših zasnov gorivnih celic, ki se uporablja že od šestdesetih let prejšnjega stoletja. AFC so zelo dovzetni za onesnaženje, saj potrebujejo čisti vodik in kisik. Poleg tega so zelo drage, zato te vrste gorivnih celic verjetno ne bodo dali v množično proizvodnjo.

Staljene karbonatne gorivne celice (MCFC)

Tako kot SOFC so tudi te gorivne celice najbolj primerne za velike stacionarne elektrarne in generatorje. Delujejo pri 600 stopinjah Celzija, tako da lahko proizvajajo paro, ki jo je mogoče uporabiti za ustvarjanje še več energije. Imajo nižjo delovno temperaturo kot gorivne celice s trdnim oksidom, kar pomeni, da ne potrebujejo tako toplotno odpornih materialov. Zaradi tega so nekoliko cenejši.

Gorivna celica s fosforno kislino (PAFC)

Gorivna celica s fosforno kislino ima potencial za uporabo v majhnih stacionarnih elektroenergetskih sistemih. Deluje pri višji temperaturi kot gorivne celice z membrano za izmenjavo polimerov, zato traja dlje, da se segreje, zaradi česar ni primeren za uporabo v avtomobilih.

Gorivne celice z metanolom Gorivne celice z neposrednim metanolom (DMFC)

Gorivne celice na metanol so po delovni temperaturi primerljive s PEMFC, vendar niso tako učinkovite. Poleg tega DMFC zahtevajo precej platine kot katalizatorja, zaradi česar so te gorivne celice drage.

Gorivna celica z membrano za izmenjavo polimerov

Gorivne celice z membrano za izmenjavo polimerov (PEMFC) so ena najbolj obetavnih tehnologij gorivnih celic. PEMFC uporablja eno najpreprostejših reakcij vseh gorivnih celic. Razmislite, iz česa je sestavljen.

1. AMPAK vozlišče – negativni pol gorivne celice. Prevaja elektrone, ki se sprostijo iz vodikovih molekul, nato pa jih je mogoče uporabiti v zunanjem vezju. Na njem so vgravirani kanali, skozi katere se vodikov plin enakomerno porazdeli po površini katalizatorja.

2.Za atom - pozitivni terminal gorivne celice ima tudi kanale za distribucijo kisika po površini katalizatorja. Prav tako vodi elektrone nazaj iz zunanje verige katalizatorja, kjer se lahko združijo z vodikovimi in kisikovimi ioni, da tvorijo vodo.

3.Membrana za izmenjavo elektrolitov in protonov. Je posebej obdelan material, ki prevaja samo pozitivno nabite ione in blokira elektrone. Pri PEMFC mora biti membrana hidrirana, da pravilno deluje in ostane stabilna.

4. katalizator je poseben material, ki spodbuja reakcijo kisika in vodika. Običajno je izdelan iz nanodelcev platine, ki so zelo tanko naneseni na karbon papir ali blago. Katalizator ima tako površinsko strukturo, da je največja površina platine lahko izpostavljena vodiku ali kisiku.

Slika prikazuje vodikov plin (H2), ki pod tlakom vstopa v gorivno celico s strani anode. Ko pride molekula H2 v stik s platino na katalizatorju, se razcepi na dva iona H+ in dva elektrona. Elektroni gredo skozi anodo, kjer se uporabljajo v zunanjem vezju (opravljajo koristno delo, kot je vrtenje motorja) in se vrnejo na stran katode gorivne celice.

Medtem na katodni strani gorivne celice prehaja kisik (O2) iz zraka skozi katalizator, kjer tvori dva atoma kisika. Vsak od teh atomov ima močan negativni naboj. Ta negativni naboj pritegne dva iona H+ čez membrano, kjer se združita z atomom kisika in dvema elektronoma iz zunanjega vezja, da tvorita molekulo vode (H2O).

Ta reakcija v eni sami gorivni celici proizvede le približno 0,7 volta. Da bi dvignili napetost na razumno raven, je treba združiti veliko posameznih gorivnih celic v sklad gorivnih celic. Bipolarne plošče se uporabljajo za povezovanje ene gorivne celice z drugo in so podvržene oksidaciji z padajočim potencialom. Velika težava bipolarnih plošč je njihova stabilnost. Kovinske bipolarne plošče lahko korodirajo, stranski produkti (železovi in ​​kromovi ioni) pa zmanjšajo učinkovitost membran in elektrod gorivnih celic. Zato nizkotemperaturne gorivne celice uporabljajo lahke kovine, grafit in kompozitne spojine ogljika in duroplastnega materiala (termoreaktivni material je nekakšna plastika, ki ostane trdna tudi pri visokih temperaturah) v obliki bipolarne pločevine.

Učinkovitost gorivnih celic

Zmanjšanje onesnaževanja je eden glavnih ciljev gorivnih celic. Če primerjate avtomobil, ki ga poganja gorivna celica, z avtomobilom, ki ga poganja bencinski motor, in avtomobilom, ki ga poganja baterija, lahko vidite, kako bi lahko gorivne celice izboljšale učinkovitost avtomobilov.

Ker imajo vse tri vrste avtomobilov veliko enakih komponent, bomo ta del avtomobila zanemarili in primerjali učinkovitost do točke, kjer se proizvaja mehanska moč. Začnimo z avtomobilom na gorivne celice.

Če gorivno celico poganja čisti vodik, je lahko njen izkoristek do 80 odstotkov. Tako pretvori 80 odstotkov energijske vsebnosti vodika v elektriko. Še vedno pa moramo električno energijo pretvoriti v mehansko delo. To dosežemo z elektromotorjem in inverterjem. Tudi izkoristek motor + inverter je približno 80 odstotkov. To daje skupni izkoristek približno 80*80/100=64 odstotkov. Hondino konceptno vozilo FCX naj bi imelo 60-odstotno energetsko učinkovitost.

Če vir goriva ni v obliki čistega vodika, bo vozilo potrebovalo tudi reformer. Reformatorji pretvorijo ogljikovodikova ali alkoholna goriva v vodik. Proizvajajo toploto in poleg vodika proizvajajo CO in CO2. Za čiščenje nastalega vodika se uporabljajo različne naprave, vendar je to čiščenje nezadostno in zmanjšuje učinkovitost gorivne celice. Zato so se raziskovalci odločili, da se kljub težavam, povezanim s proizvodnjo in shranjevanjem vodika, osredotočijo na gorivne celice za vozila na čisti vodik.

Učinkovitost bencinskega motorja in avtomobila na električne baterije

Učinkovitost avtomobila na bencin je presenetljivo nizka. Vsa toplota, ki gre ven v obliki izpušnih plinov ali jo absorbira radiator, je izgubljena energija. Motor porabi tudi veliko energije za obračanje različnih črpalk, ventilatorjev in generatorjev, ki ga ohranjajo v delovanju. Tako je skupni izkoristek avtomobilskega bencinskega motorja približno 20 odstotkov. Tako se le približno 20 odstotkov vsebnosti toplotne energije bencina pretvori v mehansko delo.

Električno vozilo na baterijski pogon ima precej visok izkoristek. Baterija je približno 90-odstotno učinkovita (večina baterij proizvaja nekaj toplote ali potrebuje ogrevanje), motor + inverter pa je približno 80-odstotno učinkovit. To daje skupno učinkovitost približno 72 odstotkov.

A to še ni vse. Da se električni avto lahko premika, mora najprej nekje proizvesti elektriko. Če je šlo za elektrarno, ki je uporabljala proces izgorevanja fosilnih goriv (namesto jedrske, hidroelektrarne, sončne ali vetrne energije), potem je bilo le približno 40 odstotkov goriva, ki ga je porabila elektrarna, pretvorjenega v električno energijo. Poleg tega postopek polnjenja avtomobila zahteva pretvorbo izmeničnega toka (AC) v enosmerni tok (DC). Ta postopek ima približno 90-odstotno učinkovitost.

Zdaj, če pogledamo celoten cikel, je učinkovitost električnega vozila 72 odstotkov za sam avto, 40 odstotkov za elektrarno in 90 odstotkov za polnjenje avtomobila. To daje skupno učinkovitost 26 odstotkov. Celotna učinkovitost se precej razlikuje glede na to, katera elektrarna se uporablja za polnjenje baterije. Če elektriko za avto proizvaja na primer hidroelektrarna, bo izkoristek električnega avtomobila približno 65-odstoten.

Znanstveniki raziskujejo in izpopolnjujejo modele, da bi še naprej izboljševali učinkovitost gorivnih celic. Eden od novih pristopov je kombinacija vozil na gorivne celice in baterij. Razvija se konceptno vozilo, ki ga bo poganjal hibridni pogonski sklop na gorivne celice. Za napajanje avtomobila uporablja litijevo baterijo, medtem ko gorivna celica polni baterijo.

Vozila na gorivne celice so potencialno enako učinkovita kot avtomobil na baterijski pogon, ki se polni iz elektrarne brez fosilnih goriv. Toda doseči tak potencial na praktičen in dostopen način je lahko težko.

Zakaj uporabljati gorivne celice?

Glavni razlog je vse, kar je povezano z nafto. Amerika mora uvoziti skoraj 60 odstotkov svoje nafte. Do leta 2025 naj bi se uvoz povečal na 68 %. Američani dnevno porabijo dve tretjini nafte za transport. Tudi če bi bil vsak avto na ulici hibridni avtomobil, bi morale ZDA do leta 2025 še vedno porabiti enako količino nafte, kot so jo Američani porabili leta 2000. Amerika namreč porabi četrtino vse proizvedene nafte na svetu, čeprav tu živi le 4,6 % svetovnega prebivalstva.

Strokovnjaki pričakujejo, da bodo cene nafte v naslednjih nekaj desetletjih še naprej rasle, ko bo cenejših virov zmanjkalo. Naftne družbe morajo razvijati naftna polja v vedno težjih razmerah, kar bo dvignilo cene nafte.

Strahovi segajo daleč onkraj ekonomske varnosti. Velik del prihodkov od prodaje nafte se porabi za podporo mednarodnemu terorizmu, radikalnim političnim strankam in nestabilnim razmeram v naftnih regijah.

Uporaba nafte in drugih fosilnih goriv za pridobivanje energije povzroča onesnaženje. Za vse je najbolje, da najdejo alternativo – kurjenje fosilnih goriv za pridobivanje energije.

Gorivne celice so privlačna alternativa odvisnosti od nafte. Gorivne celice proizvajajo čisto vodo kot stranski produkt namesto onesnaževanja. Medtem ko so se inženirji začasno osredotočili na proizvodnjo vodika iz različnih fosilnih virov, kot sta bencin ali zemeljski plin, se raziskujejo obnovljivi, okolju prijazni načini za proizvodnjo vodika v prihodnosti. Najbolj obetaven pa bo seveda postopek pridobivanja vodika iz vode.

Odvisnost od nafte in globalno segrevanje sta mednarodni problem. Več držav je skupaj vključenih v razvoj raziskav in razvoja tehnologije gorivnih celic.

Jasno je, da znanstvenike in proizvajalce čaka še veliko dela, preden gorivne celice postanejo alternativa trenutnim metodam proizvodnje energije. In vendar lahko ob podpori celega sveta in globalnega sodelovanja uspešen energetski sistem, ki temelji na gorivnih celicah, postane resničnost v nekaj desetletjih.

gorivne celice je elektrokemična naprava, podobna galvanskemu členu, vendar se od njega razlikuje po tem, da se snovi za elektrokemijsko reakcijo vanj dovajajo od zunaj – v nasprotju z omejeno količino 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. Edine emisije iz gorivnih celic so 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 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 (AFC) 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 med najučinkovitejšimi celicami, 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 v tem, 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 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, medtem ko se sistem 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+ + 6e Katodna 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 poteka prevajanje vodnih ionov H2O+ (proton, rdeče) je pritrjen 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. Gorivne celice s trdno kislino (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

Značilnosti gorivnih celic

Tip gorivne celice

Delovna temperatura

Učinkovitost proizvodnje električne energije

Vrsta goriva

Obseg

Srednje in velike instalacije

čisti vodik

instalacije

čisti vodik

Male instalacije

Večina ogljikovodikovih goriv

Male, srednje in velike instalacije

prenosni

instalacije

čisti vodik

Vesolje

raziskal

čisti vodik

Male instalacije


riž. deset.

10. Uporaba gorivnih celic v avtomobilih




riž. enajst.







riž. 12.





V sodobnem življenju so kemični viri energije povsod okoli nas: baterije v svetilkah, baterije v mobilnih telefonih, vodikove gorivne celice, ki se že uporabljajo v nekaterih avtomobilih. Hiter razvoj elektrokemičnih tehnologij lahko pripelje do tega, da bomo v bližnji prihodnosti namesto avtomobilov na bencinski pogon obkroženi le z električnimi vozili, telefoni se ne bodo več hitro praznili, vsaka hiša bo imela svojo elektriko na gorivne celice. generator. Eden od skupnih programov Uralske zvezne univerze z Inštitutom za visokotemperaturno elektrokemijo Uralske podružnice Ruske akademije znanosti, v sodelovanju s katerim objavljamo ta članek, je namenjen izboljšanju učinkovitosti elektrokemičnega shranjevanja in generatorjev energije .

Danes obstaja veliko različnih vrst baterij, med katerimi je vedno težje krmariti. Še zdaleč ni vsem jasno, v čem se baterija razlikuje od superkondenzatorja in zakaj je mogoče uporabiti vodikovo gorivno celico brez strahu pred škodo za okolje. V tem članku bomo govorili o tem, kako se kemične reakcije uporabljajo za proizvodnjo električne energije, kakšna je razlika med glavnimi vrstami sodobnih kemičnih virov toka in kakšne možnosti se odpirajo za elektrokemično energijo.

Kemija kot vir električne energije

Najprej si poglejmo, zakaj je kemično energijo sploh mogoče uporabiti za proizvodnjo električne energije. Stvar je v tem, da se pri redoks reakcijah elektroni prenašajo med dvema različnima ionoma. Če sta obe polovici kemijske reakcije v prostoru ločeni tako, da oksidacija in redukcija potekata ločeno druga od druge, potem je mogoče zagotoviti, da elektron, ki se odcepi od enega iona, ne pade takoj na drugega, ampak najprej gre po zanj vnaprej določeni poti. To reakcijo lahko uporabimo kot vir električnega toka.

Ta koncept je v 18. stoletju prvi uveljavil italijanski fiziolog Luigi Galvani. Delovanje tradicionalnega galvanskega člena temelji na reakcijah redukcije in oksidacije kovin z različno aktivnostjo. Klasični člen je na primer galvanski člen, v katerem se cink oksidira, baker pa reducira. Reakcije redukcije in oksidacije potekajo na katodi oziroma na anodi. In da bakrovi in ​​cinkovi ioni ne padejo na "tuje ozemlje", kjer lahko neposredno reagirajo drug z drugim, je med anodo in katodo običajno nameščena posebna membrana. Posledično nastane potencialna razlika med elektrodama. Če elektrode povežete na primer z žarnico, potem v nastalem električnem tokokrogu začne teči tok in žarnica zasveti.

Diagram galvanskega člena

Wikimedia Commons

Poleg materialov anode in katode je pomemben sestavni del kemičnega vira toka elektrolit, znotraj katerega se premikajo ioni in na meji katerega potekajo vse elektrokemične reakcije z elektrodami. V tem primeru ni nujno, da je elektrolit tekoč - lahko je polimer in keramični material.

Glavna pomanjkljivost galvanskega člena je omejen čas delovanja. Takoj, ko gre reakcija do konca (to je, da se celotna postopno raztapljajoča anoda popolnoma porabi), bo tak element preprosto prenehal delovati.


Prstne alkalne baterije

Polnilna

Prvi korak k razširitvi zmogljivosti kemičnih virov toka je bila izdelava baterije – tokovnega vira, ki ga je mogoče ponovno napolniti in s tem ponovno uporabiti. Za to so znanstveniki preprosto predlagali uporabo reverzibilnih kemičnih reakcij. Ko je baterija prvič popolnoma izpraznjena, lahko s pomočjo zunanjega tokovnega vira sproži reakcijo, ki je potekala v njej, v nasprotni smeri. To bo povrnilo prvotno stanje, tako da bo baterijo po ponovnem polnjenju mogoče znova uporabiti.


Avtomobilska svinčeno-kislinska baterija

Do danes je bilo ustvarjenih veliko različnih tipov baterij, ki se razlikujejo glede na vrsto kemične reakcije, ki poteka v njih. Najpogostejši tipi baterij so svinčeno-kislinske (ali preprosto svinčene) baterije, ki temeljijo na oksidacijsko-redukcijski reakciji svinca. Takšne naprave imajo precej dolgo življenjsko dobo, njihova poraba energije pa je do 60 vatnih ur na kilogram. V zadnjem času so še bolj priljubljene litij-ionske baterije, ki temeljijo na litijevi redoks reakciji. Energijska intenzivnost sodobnih litij-ionskih baterij zdaj presega 250 vatnih ur na kilogram.


Li-ion baterija za mobilni telefon

Glavne težave litij-ionskih baterij so nizka učinkovitost pri nizkih temperaturah, hitro staranje in povečana eksplozivnost. In zaradi dejstva, da kovinski litij zelo aktivno reagira z vodo, da nastane plin vodik in da se ob gorenju baterije sprosti kisik, je spontano vžig litij-ionske baterije zelo težko uporabiti s tradicionalnimi metodami gašenja požara. Da bi izboljšali varnost takšne baterije in pospešili njen čas polnjenja, znanstveniki predlagajo katodni material, ki preprečuje nastanek dendritičnih litijevih struktur, elektrolitu pa dodajo snovi, ki tvorijo eksplozivne strukture, in komponente, ki se vžgejo v zgodnjih fazah. .

Trden elektrolit

Kot še en manj očiten način za izboljšanje učinkovitosti in varnosti baterij so kemiki predlagali, da se ne omejujejo na tekoče elektrolite v kemičnih virih energije, temveč ustvarijo popolnoma trdni vir energije. V takih napravah sploh ni tekočih komponent, ampak je med njimi plastna struktura trdne anode, trdne katode in trdnega elektrolita. Elektrolit hkrati opravlja funkcijo membrane. Nosilci naboja v trdnem elektrolitu so lahko različni ioni, odvisno od njegove sestave in reakcij, ki potekajo na anodi in katodi. Vendar so vedno dovolj majhni ioni, da se lahko relativno prosto gibljejo skozi kristal, na primer H + protoni, Li + litijevi ioni ali O 2-kisikovi ioni.

Vodikove gorivne celice

Zaradi zmožnosti ponovnega polnjenja in posebnih varnostnih ukrepov so baterije veliko bolj obetaven vir toka kot običajne baterije, a kljub temu vsaka baterija vsebuje omejeno količino reagentov v notranjosti in s tem omejeno zalogo energije, zato je treba baterijo vsakič znova napolniti za nadaljevanje delovanja.

Da bi bila baterija "neskončna", je mogoče kot vir energije uporabiti ne tiste snovi, ki so znotraj celice, ampak gorivo, ki je posebej črpano skozi njo. Najboljše od vsega pa je, da je za takšno gorivo najprimernejša snov, ki je po sestavi čim bolj enostavna, okolju prijazna in na Zemlji na voljo v izobilju.

Najprimernejša snov te vrste je vodikov plin. Njegova oksidacija z atmosferskim kisikom v vodo (v skladu z reakcijo 2H 2 + O 2 → 2H 2 O) je preprosta redoks reakcija, kot vir toka pa se lahko uporablja tudi prenos elektronov med ioni. Reakcija, ki poteka v tem primeru, je nekakšna povratna reakcija na reakcijo elektrolize vode (pri kateri se voda pod delovanjem električnega toka razgradi na kisik in vodik), prvič pa je bila taka shema predlagana že leta sredina 19. stoletja.

Toda kljub dejstvu, da je vezje videti precej preprosto, ustvarjanje učinkovite naprave, ki temelji na tem principu, sploh ni nepomembna naloga. Za to je potrebno ločiti tokove kisika in vodika v prostoru, zagotoviti transport potrebnih ionov skozi elektrolit in zmanjšati možne izgube energije v vseh fazah delovanja.


Shematski prikaz delovanja vodikove gorivne celice

Shema delujoče vodikove gorivne celice je zelo podobna shemi kemičnega vira toka, vendar vsebuje dodatne kanale za dovod goriva in oksidanta ter odstranjevanje reakcijskih produktov in odvečnih dobavljenih plinov. Elektrode v takem elementu so porozni prevodni katalizatorji. Na anodo se dovaja plinasto gorivo (vodik), na katodo pa oksidant (kisik iz zraka), na meji vsake od elektrod z elektrolitom pa poteka lastna polovična reakcija (oksidacija vodik oziroma redukcija kisika). V tem primeru lahko, odvisno od vrste gorivne celice in vrste elektrolita, sama tvorba vode poteka bodisi v anodnem ali katodnem prostoru.


Toyotina vodikova gorivna celica

Joseph Brent / flickr

Če je elektrolit protonsko prevodni polimer ali keramična membrana, raztopina kisline ali alkalije, potem so nosilec naboja v elektrolitu vodikovi ioni. V tem primeru se molekularni vodik na anodi oksidira v vodikove ione, ki prehajajo skozi elektrolit in tam reagirajo s kisikom. Če je kisikov ion O 2– nosilec naboja, kot v primeru trdnega oksidnega elektrolita, potem se kisik reducira v ion na katodi, ta ion prehaja skozi elektrolit in oksidira vodik na anodi, da tvori vodo in sprosti elektroni.

Poleg reakcije oksidacije vodika za gorivne celice je bila predlagana uporaba drugih vrst reakcij. Na primer, namesto vodika je redukcijsko gorivo lahko metanol, ki ga kisik oksidira v ogljikov dioksid in vodo.

Učinkovitost gorivnih celic

Kljub vsem prednostim vodikovih gorivnih celic (kot so prijaznost do okolja, skoraj neomejen izkoristek, kompaktna velikost in visoka energetska intenzivnost), imajo le-te tudi vrsto slabosti. Sem spadajo predvsem postopno staranje komponent in težave pri shranjevanju vodika. Znanstveniki se danes ukvarjajo s tem, kako odpraviti te pomanjkljivosti.

Trenutno se predlaga izboljšanje učinkovitosti gorivnih celic s spreminjanjem sestave elektrolita, lastnosti elektrode katalizatorja in geometrije sistema (kar zagotavlja dovod gorivnih plinov do želene točke in zmanjšuje stranske učinke). Za rešitev problema shranjevanja vodikovega plina se uporabljajo materiali, ki vsebujejo platino, za nasičenje katerih so na primer grafenske membrane.

Posledično je mogoče doseči povečanje stabilnosti gorivne celice in življenjske dobe njenih posameznih komponent. Zdaj koeficient pretvorbe kemične energije v električno v takih celicah dosega 80 odstotkov, pod določenimi pogoji pa je lahko tudi višji.

Ogromne možnosti za vodikovo energijo so povezane z možnostjo združevanja gorivnih celic v cele baterije, ki jih spremenijo v električne generatorje z visoko močjo. Že zdaj imajo električni generatorji, ki delujejo na vodikove gorivne celice, moč do nekaj sto kilovatov in se uporabljajo kot vir energije za vozila.

Alternativno elektrokemijsko shranjevanje

Poleg klasičnih elektrokemičnih virov toka se kot hranilniki energije uporabljajo tudi bolj nenavadni sistemi. Eden od teh sistemov je superkondenzator (ali ionistor) - naprava, v kateri pride do ločevanja in kopičenja naboja zaradi tvorbe dvojne plasti v bližini nabite površine. Na vmesniku elektroda-elektrolit v takšni napravi se ioni različnih predznakov razvrstijo v dve plasti, tako imenovani "dvojni električni sloj", ki tvori nekakšen zelo tanek kondenzator. Kapacitivnost takšnega kondenzatorja, to je količina akumuliranega naboja, bo določena s specifično površino materiala elektrode, zato je kot material za izdelavo koristno vzeti porozne materiale z največjo specifično površino. superkondenzatorji.

Ionistorji so prvaki med kemičnimi tokovnimi viri polnjenja in praznjenja glede na hitrost polnjenja, kar je nedvomna prednost te vrste naprav. Žal so tudi rekorderji po hitrosti praznjenja. Energijska gostota ionistorjev je osemkrat manjša od svinčenih baterij in 25-krat manjša od litij-ionskih. Klasični "dvoslojni" ionistorji v svojem jedru ne uporabljajo elektrokemijske reakcije in zanje najbolj natančno velja izraz "kondenzator". Pri tistih izvedbah ionistorjev, ki temeljijo na elektrokemijski reakciji in se kopičenje naboja razteza v globino elektrode, je možno doseči daljše čase praznjenja ob ohranjanju hitre stopnje polnjenja. Prizadevanja razvijalcev superkondenzatorjev so usmerjena v ustvarjanje hibridnih naprav z baterijami, ki združujejo prednosti superkondenzatorjev, predvsem visoko stopnjo polnjenja, in prednosti baterij - visoko energijsko intenzivnost in dolg čas praznjenja. Predstavljajte si v bližnji prihodnosti ionistorsko baterijo, ki se bo napolnila v nekaj minutah in napajala prenosnik ali pametni telefon en dan ali več!

Kljub temu, da je zdaj energijska gostota superkondenzatorjev še vedno nekajkrat manjša od energijske gostote baterij, se uporabljajo v potrošniški elektroniki in za motorje različnih vozil, tudi najbolj.

* * *

Tako danes obstaja veliko število elektrokemičnih naprav, od katerih je vsaka obetavna za svoje specifične aplikacije. Da bi izboljšali učinkovitost teh naprav, morajo znanstveniki rešiti številne probleme, tako temeljne kot tehnološke. Z večino teh nalog v okviru enega od prelomnih projektov se ukvarjajo na Uralski zvezni univerzi, zato smo Maxima Ananieva, direktorja Inštituta za visokotemperaturno elektrokemijo Uralske podružnice Ruske akademije znanosti, povprašali prof. Oddelka za elektrokemijsko proizvodno tehnologijo Inštituta za kemijsko tehnologijo Uralske zvezne univerze, da bi spregovoril o bližnjih načrtih in obetih za razvoj sodobnih gorivnih celic.

N+1: Ali obstaja alternativa najbolj priljubljenim Li-Ion baterijam v bližnji prihodnosti?

Maksim Ananijev: Sodobna prizadevanja razvijalcev baterij so usmerjena v zamenjavo vrste nosilca naboja v elektrolitu iz litija v natrij, kalij in aluminij. Zaradi zamenjave litija bo mogoče zmanjšati stroške baterije, čeprav se bodo značilnosti teže in velikosti sorazmerno povečale. Z drugimi besedami, za enake električne lastnosti bo natrijeva ionska baterija večja in težja od litij-ionske baterije.

Poleg tega je eno od obetavnih razvojnih področij za izboljšanje baterij ustvarjanje hibridnih kemičnih virov energije, ki temeljijo na kombinaciji kovinsko-ionskih baterij z zračno elektrodo, kot v gorivnih celicah. Na splošno bo smer ustvarjanja hibridnih sistemov, kot je bilo že prikazano na primeru superkondenzatorjev, očitno omogočila, da bomo v bližnji prihodnosti na trgu videli kemične vire energije z visokimi potrošniškimi lastnostmi.

Uralska zvezna univerza skupaj z akademskimi in industrijskimi partnerji iz Rusije in sveta trenutno izvaja šest megaprojektov, ki so osredotočeni na prelomna področja znanstvenega raziskovanja. Eden takih projektov je »Perspektivne tehnologije elektrokemijske energije od kemijskega oblikovanja novih materialov do elektrokemijskih naprav nove generacije za varčevanje in pretvorbo energije«.

Skupina znanstvenikov iz Strateške akademske enote (SAU) Šole za naravoslovje in matematiko UrFU, ki vključuje Maxima Ananieva, se ukvarja z načrtovanjem in razvojem novih materialov in tehnologij, vključno z gorivnimi celicami, elektrolitskimi celicami, kovinskimi grafenskimi baterijami, elektrokemičnimi sistemi za shranjevanje energije in superkondenzatorji.

Raziskovalno in znanstveno delo poteka v stalnem sodelovanju z Inštitutom za visokotemperaturno elektrokemijo Uralske podružnice Ruske akademije znanosti in ob podpori partnerjev.


Katere gorivne celice se trenutno razvijajo in imajo največji potencial?

Ena najbolj obetavnih vrst gorivnih celic so protonsko-keramične celice. Imajo prednosti pred polimernimi gorivnimi celicami s protonsko izmenjevalno membrano in trdnimi oksidnimi celicami, saj lahko delujejo z neposrednim dovodom ogljikovodikovega goriva. To močno poenostavi zasnovo elektrarne na protonsko-keramičnih gorivnih celicah in krmilni sistem ter s tem poveča zanesljivost delovanja. Res je ta vrsta gorivnih celic trenutno zgodovinsko manj razvita, a sodobne znanstvene raziskave nam omogočajo, da upamo na velik potencial te tehnologije v prihodnosti.

S kakšnimi problemi v zvezi z gorivnimi celicami se trenutno ukvarjajo na Uralski zvezni univerzi?

Zdaj znanstveniki UrFU skupaj z Inštitutom za visokotemperaturno elektrokemijo (IHTE) Uralske podružnice Ruske akademije znanosti delajo na ustvarjanju visoko učinkovitih elektrokemičnih naprav in avtonomnih generatorjev energije za aplikacije v porazdeljeni energiji. Ustvarjanje elektrarn za porazdeljeno energijo najprej pomeni razvoj hibridnih sistemov, ki temeljijo na generatorju električne energije in hranilniku energije, ki so baterije. Hkrati gorivna celica deluje nenehno, zagotavlja obremenitev v konicah, v stanju mirovanja pa polni baterijo, ki lahko sama deluje kot rezerva tako v primeru visoke porabe energije kot v primeru izrednih razmer.

Kemiki z Uralske zvezne univerze in IHTE so največji uspeh dosegli pri razvoju trdnooksidnih in protonsko-keramičnih gorivnih celic. Od leta 2016 je bila na Uralu skupaj z državno korporacijo Rosatom ustvarjena prva ruska proizvodnja elektrarn na osnovi trdnih oksidnih gorivnih celic. Razvoj uralskih znanstvenikov je že opravil "terenske" teste na postaji katodne zaščite plinovoda na eksperimentalnem mestu Uraltransgaz LLC. Elektrarna z nazivno močjo 1,5 kilovata je delovala več kot 10 tisoč ur in je pokazala velik potencial za uporabo tovrstnih naprav.

V okviru skupnega laboratorija Uralske zvezne univerze in IHTE se razvijajo elektrokemijske naprave na osnovi protonsko prevodne keramične membrane. To bo v bližnji prihodnosti omogočilo znižanje delovnih temperatur za trdne oksidne gorivne celice z 900 na 500 stopinj Celzija in opustitev predhodnega reforminga ogljikovodikovega goriva ter tako ustvarili stroškovno učinkovite elektrokemične generatorje, ki bodo lahko delovali v pogojih razvita infrastruktura za oskrbo s plinom v Rusiji.

Aleksander Dubov