Co to jest ogniwo paliwowe. Ogniwa paliwowe: rok nadziei

ELEMENT PALIWOWY
generator elektrochemiczny, urządzenie, które bezpośrednio przekształca energię chemiczną w energię elektryczną. Podczas gdy to samo dzieje się w akumulatorach elektrycznych, ogniwa paliwowe mają dwie ważne różnice: 1) działają tak długo, jak paliwo i utleniacz są dostarczane z zewnętrznego źródła; 2) skład chemiczny elektrolitu nie zmienia się podczas pracy, tj. ogniwo paliwowe nie wymaga ponownego ładowania.
Zobacz też AKUMULATOR ZASILAJĄCY.
Zasada działania. Ogniwo paliwowe (rys. 1) składa się z dwóch elektrod oddzielonych elektrolitem oraz układów doprowadzania paliwa do jednej elektrody i utleniacza do drugiej oraz układu usuwania produktów reakcji. W większości przypadków katalizatory służą do przyspieszenia reakcji chemicznej. Zewnętrzny obwód elektryczny łączy ogniwo paliwowe z obciążeniem zużywającym energię elektryczną.

Na zdjęciu pokazanym na ryc. W kwasowym ogniwie paliwowym wodór jest podawany przez wydrążoną anodę i wchodzi do elektrolitu przez bardzo drobne pory w materiale elektrody. W tym przypadku następuje rozkład cząsteczek wodoru na atomy, które w wyniku chemisorpcji, oddając po jednym elektronie, zamieniają się w dodatnio naładowane jony. Proces ten można opisać następującymi równaniami:

Jony wodoru dyfundują przez elektrolit do dodatniej strony ogniwa. Tlen dostarczany do katody przechodzi do elektrolitu, a także reaguje na powierzchni elektrody z udziałem katalizatora. Kiedy łączy się z jonami wodoru i elektronami pochodzącymi z obwodu zewnętrznego, powstaje woda:

W ogniwach paliwowych z elektrolitem alkalicznym (zwykle stężonymi wodorotlenkami sodu lub potasu) zachodzą podobne reakcje chemiczne. Wodór przechodzi przez anodę i reaguje w obecności katalizatora z jonami hydroksylowymi (OH-) obecnymi w elektrolicie, tworząc wodę i elektron:

Na katodzie tlen reaguje z wodą w elektrolicie i elektronami z obwodu zewnętrznego. W kolejnych etapach reakcji powstają jony hydroksylowe (a także perhydroksylowe O2H-). Powstałą reakcję na katodzie można zapisać jako:

Przepływ elektronów i jonów utrzymuje równowagę ładunku i substancji w elektrolicie. Powstała woda częściowo rozcieńcza elektrolit. W każdym ogniwie paliwowym część energii reakcji chemicznej jest przekształcana w ciepło. Przepływ elektronów w obwodzie zewnętrznym to prąd stały, który służy do wykonywania pracy. Większość reakcji w ogniwach paliwowych zapewnia EMF około 1 V. Otwarcie obwodu lub zatrzymanie ruchu jonów zatrzymuje działanie ogniwa paliwowego. Proces zachodzący w ogniwie paliwowym wodorowo-tlenowym jest z natury przeciwieństwem dobrze znanego procesu elektrolizy, w którym woda dysocjuje, gdy prąd elektryczny przepływa przez elektrolit. Rzeczywiście, w niektórych typach ogniw paliwowych proces ten można odwrócić – poprzez przyłożenie napięcia do elektrod możliwy jest rozkład wody na wodór i tlen, które mogą być gromadzone na elektrodach. Jeśli przestaniesz ładować ogniwo i podłączysz do niego obciążenie, takie regeneracyjne ogniwo paliwowe natychmiast zacznie działać w swoim normalnym trybie. Teoretycznie wymiary ogniwa paliwowego mogą być dowolnie duże. W praktyce jednak kilka ogniw łączy się w małe moduły lub baterie, które są połączone szeregowo lub równolegle.
Rodzaje ogniw paliwowych. Istnieją różne rodzaje ogniw paliwowych. Można je sklasyfikować, na przykład, według stosowanego paliwa, ciśnienia roboczego i temperatury, zgodnie z charakterem zastosowania.
Wodorowe ogniwa paliwowe. W tym typowym ogniwie opisanym powyżej wodór i tlen są przenoszone do elektrolitu przez mikroporowate elektrody węglowe lub metalowe. Wysoką gęstość prądu osiąga się w ogniwach pracujących w podwyższonych temperaturach (ok. 250°C) i wysokich ciśnieniach. Ogniwa wykorzystujące paliwo wodorowe uzyskane z przetwarzania paliw węglowodorowych, takich jak gaz ziemny lub produkty naftowe, prawdopodobnie znajdą najbardziej rozpowszechnione zastosowania komercyjne. Łącząc dużą liczbę elementów, możesz stworzyć potężne instalacje energetyczne. W instalacjach tych prąd stały generowany przez elementy zamieniany jest na prąd zmienny o standardowych parametrach. Nowym typem elementów zdolnych do działania na wodorze i tlenie w normalnej temperaturze i ciśnieniu są elementy z membranami jonowymiennymi (ryc. 2). W tych ogniwach zamiast ciekłego elektrolitu między elektrodami znajduje się membrana polimerowa, przez którą swobodnie przechodzą jony. W takich elementach powietrze może być używane wraz z tlenem. Woda powstająca podczas pracy ogniwa nie rozpuszcza stałego elektrolitu i można ją łatwo usunąć.

Encyklopedia Colliera. - Społeczeństwo Otwarte. 2000 .

Zobacz, co „ELEMENT PALIWOWY” znajduje się w innych słownikach:

FUEL CELL, ELEKTROCHEMICZNY ELEMENT do bezpośredniej konwersji energii utleniania paliwa na energię elektryczną. Odpowiednio zaprojektowane elektrody zanurzane są w ELEKTROLICIE, a paliwo (np. wodór) podawane jest do jednego... Naukowy i techniczny słownik encyklopedyczny

Ogniwo galwaniczne, w którym reakcja redoks wspomagana jest ciągłym dopływem reagentów (paliwa np. wodoru i utleniacza np. tlenu) ze specjalnych zbiorników. Najważniejszy składnik ... ... Wielki słownik encyklopedyczny

ogniwo paliwowe- Ogniwo pierwotne, w którym energia elektryczna jest generowana w wyniku reakcji elektrochemicznych pomiędzy substancjami czynnymi stale dostarczanymi do elektrod z zewnątrz. [GOST 15596 82] EN ogniwo paliwowe, które może zmienić energię chemiczną z…… Poradnik tłumacza technicznego

Bezpośrednie ogniwo paliwowe z metanolem Ogniwo paliwowe to urządzenie elektrochemiczne podobne do ogniwa galwanicznego, ale różniące się od niego ... Wikipedia

Ogniwa paliwowe (generatory elektrochemiczne) stanowią wysoce wydajną, trwałą, niezawodną i przyjazną dla środowiska metodę pozyskiwania energii. Początkowo były używane tylko w przemyśle kosmicznym, ale dziś generatory elektrochemiczne są coraz częściej wykorzystywane w różnych dziedzinach: są to zasilacze do telefonów komórkowych i laptopów, silniki pojazdów, autonomiczne zasilacze do budynków, elektrownie stacjonarne. Niektóre z tych urządzeń działają jako prototypy laboratoryjne, niektóre są wykorzystywane do celów demonstracyjnych lub przechodzą testy przedprodukcyjne. Jednak wiele modeli jest już wykorzystywanych w projektach komercyjnych i masowo produkowanych.

Urządzenie

Ogniwa paliwowe to urządzenia elektrochemiczne zdolne do zapewnienia wysokiego współczynnika konwersji istniejącej energii chemicznej na energię elektryczną.

Urządzenie do ogniw paliwowych składa się z trzech głównych części:

1. Sekcja Energetyki;
2. PROCESOR;
3. Transformator napięcia.

Główną częścią ogniwa paliwowego jest sekcja wytwarzania energii, która jest stosem złożonym z pojedynczych ogniw paliwowych. W strukturę elektrod ogniw paliwowych zawarty jest katalizator platynowy. Za pomocą tych ogniw generowany jest stały prąd elektryczny.

Jedno z tych urządzeń ma następujące cechy: przy napięciu 155 woltów wyprowadzane jest 1400 amperów. Akumulator ma 0,9 m szerokości i wysokości oraz 2,9 m długości. Proces elektrochemiczny odbywa się w nim w temperaturze 177°C, co wymaga podgrzewania akumulatora w momencie rozruchu, a także odprowadzania ciepła podczas jego pracy. W tym celu w ogniwie paliwowym znajduje się osobny obieg wody, w tym akumulator wyposażony w specjalne płyty chłodzące.

W procesie paliwowym gaz ziemny przekształca się w wodór, który jest niezbędny do reakcji elektrochemicznej. Głównym elementem procesora paliwa jest reformer. W nim gaz ziemny (lub inne paliwo zawierające wodór) oddziałuje pod wysokim ciśnieniem i w wysokiej temperaturze (około 900 ° C) z parą wodną pod działaniem katalizatora - niklu.

Istnieje palnik, który utrzymuje wymaganą temperaturę reformera. Para potrzebna do reformingu jest wytwarzana z kondensatu. W stosie ogniw paliwowych generowany jest niestabilny prąd stały, a do jego konwersji wykorzystywany jest konwerter napięcia.

Również w bloku konwertera napięcia znajdują się:

• Urządzenia sterujące.
• Obwody blokad bezpieczeństwa, które wyłączają ogniwo paliwowe w przypadku różnych usterek.

Zasada działania

Najprostszy element z membraną do wymiany protonów składa się z membrany polimerowej, która znajduje się między anodą a katodą, a także katalizatorów katodowych i anodowych. Jako elektrolit stosuje się membranę polimerową.

• Membrana do wymiany protonów wygląda jak cienki, stały związek organiczny o małej grubości. Membrana ta działa jak elektrolit, w obecności wody dzieli substancję na jony naładowane ujemnie i dodatnio.
• Utlenianie rozpoczyna się na anodzie, a redukcja na katodzie. Katoda i anoda w ogniwie PEM wykonane są z materiału porowatego, jest to mieszanina cząstek platyny i węgla. Platyna działa jak katalizator, co ułatwia reakcję dysocjacji. Katoda i anoda są porowate, dzięki czemu tlen i wodór mogą przez nie swobodnie przechodzić.
• Anoda i katoda znajdują się pomiędzy dwiema metalowymi płytkami i dostarczają tlen i wodór do katody i anody oraz usuwają energię elektryczną, ciepło i wodę.
• Poprzez kanały w płycie cząsteczki wodoru wchodzą do anody, gdzie cząsteczki są rozkładane na atomy.
• W wyniku chemisorpcji pod wpływem katalizatora atomy wodoru przekształcają się w dodatnio naładowane jony wodoru H+, czyli protony.
• Protony dyfundują do katody przez membranę, a przepływ elektronów trafia do katody przez specjalny zewnętrzny obwód elektryczny. Podłączone jest do niego obciążenie, czyli konsument energii elektrycznej.
• Tlen, który jest dostarczany do katody, po ekspozycji wchodzi w reakcję chemiczną z elektronami z zewnętrznego obwodu elektrycznego i jonami wodorowymi z membrany wymiany protonów. W wyniku tej reakcji chemicznej powstaje woda.

Reakcja chemiczna zachodząca w innych typach ogniw paliwowych (na przykład z kwaśnym elektrolitem w postaci kwasu fosforowego H3PO4) jest całkowicie identyczna z reakcją urządzenia z membraną do wymiany protonów.

Wyświetlenia

Obecnie znanych jest kilka rodzajów ogniw paliwowych, które różnią się składem stosowanego elektrolitu:

• Ogniwa paliwowe na bazie kwasu fosforowego lub fosforowego (PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cells).
• Urządzenia z membraną do wymiany protonów (PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cells).
• Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC, ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem).
• Generatory elektrochemiczne na bazie stopionego węglanu (MCFC, Molten Carbonate Fuel Cells).

W chwili obecnej upowszechniły się generatory elektrochemiczne wykorzystujące technologię PAFC.

Podanie

Obecnie ogniwa paliwowe są wykorzystywane w promach kosmicznych, statkach kosmicznych wielokrotnego użytku. Wykorzystują instalacje o mocy 12 watów. Wytwarzają całą energię elektryczną w statku kosmicznym. Woda wytworzona w wyniku reakcji elektrochemicznej jest wykorzystywana do picia, w tym do urządzeń chłodniczych.

Generatory elektrochemiczne były również używane do zasilania radzieckiego statku wielokrotnego użytku Buran.

Ogniwa paliwowe są również wykorzystywane w sektorze cywilnym.

• Instalacje stacjonarne o mocy 5–250 kW i większej. Wykorzystywane są jako samodzielne źródła energii cieplnej i elektrycznej budynków przemysłowych, użyteczności publicznej i mieszkalnych, zasilacze awaryjne i rezerwowe, zasilacze awaryjne.
• Jednostki przenośne o mocy 1–50 kW. Są używane do satelitów kosmicznych i statków. Powstają kopie do wózków golfowych, wózków inwalidzkich, lodówek kolejowych i cargo, znaków drogowych.
• Jednostki mobilne o mocy 25–150 kW. Zaczynają być używane w okrętach wojennych i łodziach podwodnych, w tym w samochodach i innych pojazdach. Prototypy stworzyli już tacy giganci motoryzacyjni jak Renault, Neoplan, Toyota, Volkswagen, Hyundai, Nissan, VAZ, General Motors, Honda, Ford i inni.
• Mikrourządzenia o mocy 1–500 watów. Wykorzystywane są w zaawansowanych komputerach kieszonkowych, laptopach, domowych urządzeniach elektronicznych, telefonach komórkowych oraz nowoczesnych urządzeniach wojskowych.

Osobliwości

• Część energii reakcji chemicznej w każdym ogniwie paliwowym jest uwalniana w postaci ciepła. Wymagane chłodzenie. W obwodzie zewnętrznym przepływ elektronów wytwarza stały prąd, który służy do wykonywania pracy. Zakończenie ruchu jonów wodorowych lub otwarcie obwodu zewnętrznego prowadzi do zakończenia reakcji chemicznej.
• Ilość energii elektrycznej wytwarzanej przez ogniwa paliwowe zależy od ciśnienia gazu, temperatury, wymiarów geometrycznych i rodzaju ogniwa paliwowego. Aby zwiększyć ilość energii elektrycznej generowanej w wyniku reakcji, wielkość ogniw paliwowych można powiększyć, ale w praktyce stosuje się kilka ogniw, które są łączone w baterie.
• Proces chemiczny w niektórych typach ogniw paliwowych można odwrócić. Oznacza to, że gdy do elektrod przyłożona zostanie różnica potencjałów, woda może zostać rozłożona na tlen i wodór, które będą gromadzone na porowatych elektrodach. Po włączeniu obciążenia takie ogniwo paliwowe będzie generować energię elektryczną.

Perspektywy

W chwili obecnej generatory elektrochemiczne stosowane jako główne źródło energii wymagają wysokich kosztów początkowych. Wraz z wprowadzeniem bardziej stabilnych membran o wysokiej przewodności, wydajnych i tanich katalizatorów oraz alternatywnych źródeł wodoru, ogniwa paliwowe staną się bardzo atrakcyjne ekonomicznie i będą wprowadzane wszędzie.

• Samochody będą jeździć na ogniwach paliwowych, w ogóle nie będzie w nich silnika spalinowego. Źródłem energii będzie woda lub wodór w stanie stałym. Tankowanie będzie proste i bezpieczne, a jazda przyjazna dla środowiska – będzie wytwarzana tylko para wodna.
• Wszystkie budynki będą miały własne przenośne generatory energii na ogniwa paliwowe.
• Generatory elektrochemiczne zastąpią wszystkie baterie i znajdą się w każdej elektronice i sprzęcie AGD.

Zalety i wady

Każdy rodzaj ogniwa paliwowego ma swoje zalety i wady. Niektóre wymagają paliwa wysokiej jakości, inne mają złożoną konstrukcję i wymagają wysokiej temperatury pracy.

Ogólnie można wskazać następujące zalety ogniw paliwowych:

• bezpieczeństwo dla środowiska;
• generatory elektrochemiczne nie wymagają ponownego ładowania;
• generatory elektrochemiczne mogą stale wytwarzać energię, nie dbają o warunki zewnętrzne;
• elastyczność pod względem skali i przenośności.

Wśród wad są:

• trudności techniczne z przechowywaniem i transportem paliwa;
• niedoskonałe elementy urządzenia: katalizatory, membrany i tak dalej.

Ogniwo paliwowe- co to jest? Kiedy i jak się pojawił? Dlaczego jest to potrzebne i dlaczego tak często się o nich mówi w naszych czasach? Jakie są jego obszary zastosowania, cechy i właściwości? Niepowstrzymany postęp wymaga odpowiedzi na wszystkie te pytania!

Co to jest ogniwo paliwowe?

Ogniwo paliwowe to chemiczne źródło prądu lub generator elektrochemiczny, urządzenie do przekształcania energii chemicznej w energię elektryczną. We współczesnym życiu chemiczne źródła prądu są używane wszędzie i są to baterie do telefonów komórkowych, laptopów, palmtopów, a także akumulatory w samochodach, zasilacze awaryjne itp. Kolejnym etapem rozwoju tego obszaru będzie wszechobecność ogniw paliwowych i jest to już niepodważalny fakt.

Historia ogniw paliwowych

Historia ogniw paliwowych to kolejna opowieść o tym, jak odkryte kiedyś na Ziemi właściwości materii znalazły szerokie zastosowanie daleko w kosmosie, a na przełomie tysiącleci powróciły z nieba na Ziemię.

Wszystko zaczęło się w 1839 roku kiedy niemiecki chemik Christian Schönbein opublikował zasady działania ogniwa paliwowego w czasopiśmie Philosophical Journal. W tym samym roku Anglik, absolwent Oksfordu William Robert Grove zaprojektował ogniwo galwaniczne, nazwane później ogniwem galwanicznym Grove'a, uznawane jest również za pierwsze ogniwo paliwowe. Sama nazwa „ogniwo paliwowe” została nadana wynalazkowi w roku jego rocznicy – ​​w 1889 roku. Autorami terminu są Ludwig Mond i Karl Langer.

Nieco wcześniej, w 1874 r., Jules Verne przewidział obecną sytuację energetyczną w swojej powieści „Tajemnicza wyspa”, pisząc, że „woda będzie kiedyś używana jako paliwo, wodór i tlen, z których się składa”.

Tymczasem nowa technologia zasilania była sukcesywnie ulepszana, a od lat 50. XX wieku nie minął rok bez zapowiedzi najnowszych wynalazków w tej dziedzinie. W 1958 roku w Stanach Zjednoczonych pojawił się pierwszy ciągnik na ogniwa paliwowe, w 1959 roku. wydano zasilacz 5kW do spawarki itp. W latach 70. technologia wodorowa wystartowała w kosmos: pojawiły się samoloty i silniki rakietowe na wodór. W latach 60. RSC Energia opracowała ogniwa paliwowe dla sowieckiego programu księżycowego. Program Buran również nie obywał się bez nich: opracowano alkaliczne ogniwa paliwowe o mocy 10 kW. A pod koniec wieku ogniwa paliwowe przekroczyły zerową wysokość nad poziomem morza - na ich podstawie zasilacz Niemiecka łódź podwodna. Wracając na Ziemię, pierwsza lokomotywa została uruchomiona w Stanach Zjednoczonych w 2009 roku. Oczywiście na ogniwach paliwowych.

To, co ciekawe w pięknej historii ogniw paliwowych, to fakt, że koło wciąż jest niespotykanym wynalazkiem ludzkości w przyrodzie. Faktem jest, że pod względem budowy i zasady działania ogniwa paliwowe są podobne do ogniwa biologicznego, które w rzeczywistości jest miniaturowym ogniwem paliwowym wodorowo-tlenowym. W rezultacie człowiek po raz kolejny wynalazł to, z czego natura korzysta od milionów lat.

Jak działają ogniwa paliwowe

Zasada działania ogniw paliwowych jest oczywista nawet ze szkolnego programu nauczania chemii i to on został ustanowiony w eksperymentach Williama Grove'a w 1839 roku. Chodzi o to, że proces elektrolizy wody (dysocjacji wody) jest odwracalny. Tak jak prawdą jest, że gdy prąd elektryczny przepływa przez wodę, ten ostatni rozdziela się na wodór i tlen, tak też jest odwrotnie: wodór i tlen można połączyć, aby wytworzyć wodę i elektryczność. W eksperymencie Grove'a dwie elektrody umieszczono w komorze, do której pod ciśnieniem dostarczano ograniczone porcje czystego wodoru i tlenu. Ze względu na małe objętości gazu, a także właściwości chemiczne elektrod węglowych, w komorze zachodziła powolna reakcja z wydzieleniem ciepła, wody i co najważniejsze z powstaniem różnicy potencjałów między elektrodami .

Najprostsze ogniwo paliwowe składa się ze specjalnej membrany używanej jako elektrolit, po obu stronach której nałożone są elektrody proszkowe. Wodór przepływa z jednej strony (anoda), a tlen (powietrze) z drugiej strony (katoda). Na każdej elektrodzie zachodzą różne reakcje chemiczne. Na anodzie wodór rozpada się na mieszaninę protonów i elektronów. W niektórych ogniwach paliwowych elektrody są otoczone katalizatorem, zwykle wykonanym z platyny lub innych metali szlachetnych, które ułatwiają reakcję dysocjacji:

2H2 → 4H + + 4e -

gdzie H 2 jest dwuatomową cząsteczką wodoru (postać, w której wodór występuje w postaci gazu); H+ - zjonizowany wodór (proton); e - - elektron.

Po stronie katodowej ogniwa paliwowego protony (przechodzące przez elektrolit) i elektrony (które przeszły przez ładunek zewnętrzny) łączą się ponownie i reagują z tlenem dostarczanym do katody, tworząc wodę:

4H + + 4e - + O2 → 2H2O

Całkowita reakcja w ogniwie paliwowym jest napisane tak:

2H2 + O2 → 2H2O

Działanie ogniwa paliwowego opiera się na fakcie, że elektrolit przepuszcza protony przez siebie (w kierunku katody), ale elektrony nie. Elektrony przemieszczają się do katody wzdłuż zewnętrznego obwodu przewodzącego. Ten ruch elektronów to prąd elektryczny, który może być wykorzystany do napędzania zewnętrznego urządzenia podłączonego do ogniwa paliwowego (załaduj, na przykład żarówkę):

Ogniwa paliwowe wykorzystują w swojej pracy paliwo wodorowe i tlen. Najłatwiej jest z tlenem - pobiera się go z powietrza. Wodór można dostarczać bezpośrednio z kontenera lub oddzielając go od zewnętrznego źródła paliwa (gaz ziemny, benzyna lub alkohol metylowy – metanol). W przypadku źródła zewnętrznego, aby wydobyć wodór, musi być ono chemicznie przekształcone. Obecnie większość technologii ogniw paliwowych opracowanych dla urządzeń przenośnych wykorzystuje metanol.

Charakterystyka ogniwa paliwowego

Ogniwa paliwowe są analogiczne do istniejących akumulatorów w tym sensie, że w obu przypadkach energię elektryczną uzyskuje się z energii chemicznej. Ale są też zasadnicze różnice:

• działają tylko tak długo, jak paliwo i utleniacz pochodzą z zewnętrznego źródła (tzn. nie mogą magazynować energii elektrycznej),

  skład chemiczny elektrolitu nie zmienia się podczas pracy (ogniwa paliwowego nie trzeba doładowywać),

  są całkowicie niezależne od elektryczności (podczas gdy konwencjonalne baterie przechowują energię z sieci).

Każde ogniwo paliwowe tworzy napięcie w 1V... Wyższe napięcie uzyskuje się łącząc je szeregowo. Wzrost mocy (prądu) realizowany jest poprzez równoległe połączenie kaskad połączonych szeregowo ogniw paliwowych.

Ogniwa paliwowe nie ma sztywnych ograniczeń wydajności podobnie jak w silnikach cieplnych (sprawność cyklu Carnota jest maksymalną możliwą sprawnością spośród wszystkich silników cieplnych o tej samej temperaturze minimalnej i maksymalnej).

Wysoka wydajność osiągnięte poprzez bezpośrednie przekształcenie energii paliwowej w energię elektryczną. Jeśli paliwo jest spalane po raz pierwszy w zespole prądotwórczym z silnikiem wysokoprężnym, powstająca para lub gaz napędza turbinę lub wał silnika spalinowego, który z kolei napędza generator elektryczny. Rezultatem jest wydajność maksymalnie 42%, częściej jest to około 35-38%. Ponadto, ze względu na mnogość połączeń, a także ograniczenia termodynamiczne dotyczące maksymalnej sprawności silników cieplnych, jest mało prawdopodobne, aby istniejąca sprawność wzrosła wyżej. Istniejące ogniwa paliwowe Wydajność 60-80%,

Wydajność prawie nie zależy od współczynnika obciążenia,

Wydajność jest kilkakrotnie większa niż w istniejących bateriach,

Kompletny brak szkodliwych dla środowiska emisji... Uwalniana jest tylko czysta para wodna i energia cieplna (w przeciwieństwie do generatorów diesla, które emitują zanieczyszczające spaliny i wymagają ich usunięcia).

Rodzaje ogniw paliwowych

Ogniwa paliwowe sklasyfikowany z następujących powodów:

według zużytego paliwa,

przez ciśnienie robocze i temperaturę,

ze względu na charakter aplikacji.

Ogólnie rozróżnia się następujące: typy ogniw paliwowych:

Ogniwo paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC);

Ogniwo paliwowe z membraną do wymiany protonów (PEMFC);

Odwracalne ogniwo paliwowe (RFC)

Ogniwo paliwowe zasilane bezpośrednio metanolem (DMFC);

Ogniwa paliwowe ze stopionym węglanem (MCFC);

Ogniwa paliwowe z kwasem fosforowym (PAFC);

Alkaliczne ogniwa paliwowe (AFC).

Jednym z rodzajów ogniw paliwowych działających w normalnych temperaturach i ciśnieniach, wykorzystujących wodór i tlen, są ogniwa z membraną jonowymienną. Powstała woda nie rozpuszcza stałego elektrolitu, spływa i jest łatwo odprowadzana.

Problemy z ogniwami paliwowymi

Główny problem z ogniwami paliwowymi wiąże się z zapotrzebowaniem na „pakowany” wodór, który można było swobodnie nabyć. Oczywiście problem powinien być rozwiązany z czasem, ale jak na razie sytuacja wywołuje lekki uśmiech: co jest pierwsze – kurczak czy jajko? Ogniwa paliwowe nie są jeszcze wystarczająco zaawansowane, aby budować elektrownie wodorowe, ale ich postęp jest nie do pomyślenia bez tych elektrowni. Tutaj zwracamy uwagę na problem źródła wodoru. Obecnie wodór pozyskiwany jest z gazu ziemnego, ale wzrost kosztów nośników energii spowoduje również wzrost ceny wodoru. W tym przypadku nieunikniona jest obecność CO i H 2 S (siarkowodór) w wodorze z gazu ziemnego, który zatruwa katalizator.

Zwykłe katalizatory platynowe wykorzystują bardzo drogi i naturalnie niezastąpiony metal - platynę. Planowane jest jednak rozwiązanie tego problemu poprzez zastosowanie katalizatorów opartych na enzymach, które są tanimi i łatwo wytwarzanymi substancjami.

Problemem jest również wytwarzane ciepło. Wydajność gwałtownie wzrośnie, jeśli wytworzone ciepło zostanie skierowane do użytecznego kanału - aby wytworzyć energię cieplną dla systemu zaopatrzenia w ciepło, użyj go jako ciepła odpadowego w absorpcji maszyny chłodnicze itp.

Ogniwa paliwowe z metanolem (DMFC): Prawdziwe zastosowania

Ogniwa paliwowe zasilane bezpośrednio metanolem (DMFC) cieszą się obecnie największym praktycznym zainteresowaniem. Laptop Portege M100 zasilany ogniwem paliwowym DMFC wygląda tak:

Typowy obwód elementu DMFC zawiera oprócz anody, katody i membrany kilka dodatkowych elementów: wkład paliwa, czujnik metanolu, pompę cyrkulacyjną paliwa, pompę powietrza, wymiennik ciepła itp.

Czas pracy np. laptopa w porównaniu z bateriami ma zostać zwiększony 4-krotnie (do 20 godzin), telefonu komórkowego - do 100 godzin w trybie aktywnym i do sześciu miesięcy w trybie czuwania. Ponowne doładowanie będzie się odbywać poprzez dodanie porcji ciekłego metanolu.

Głównym zadaniem jest znalezienie możliwości wykorzystania roztworu metanolu o najwyższym stężeniu. Problem w tym, że metanol jest dość silną trucizną, śmiertelną w dawkach kilkudziesięciu gramów. Ale stężenie metanolu bezpośrednio wpływa na czas pracy. Jeśli wcześniej stosowano 3-10% roztwór metanolu, to pojawiły się już telefony komórkowe i PDA z 50% roztworem, a w 2008 roku w warunkach laboratoryjnych MTI MicroFuel Cells, a nieco później specjaliści z firmy Toshiba uzyskali ogniwa paliwowe działające na czysty metanol.

Ogniwa paliwowe to przyszłość!

Wreszcie, dowodem na wielką przyszłość ogniw paliwowych jest fakt, że międzynarodowa organizacja IEC (Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna), która definiuje normy przemysłowe dla urządzeń elektronicznych, już zapowiedziała utworzenie grupy roboczej do opracowania międzynarodowego standardu dla urządzeń elektronicznych. miniaturowe ogniwa paliwowe.

Nie zaskoczysz nikogo ani panelami słonecznymi, ani turbinami wiatrowymi, które wytwarzają prąd we wszystkich regionach świata. Ale generacja z tych urządzeń nie jest stała i trzeba zainstalować zapasowe źródła zasilania, albo podłączyć się do sieci, aby pobierać prąd w okresie, gdy obiekty OZE nie wytwarzają energii elektrycznej. Istnieją jednak instalacje opracowane w XIX wieku, które wykorzystują „alternatywne” paliwa do wytwarzania energii elektrycznej, czyli nie spalają produktów gazowych ani ropopochodnych. Takimi instalacjami są ogniwa paliwowe.

HISTORIA STWORZENIA

Ogniwa paliwowe (FC) lub ogniwa paliwowe zostały odkryte w latach 1838-1839 przez Williama Grove (Grove, Grove), kiedy badał elektrolizę wody.

Odniesienie: Elektroliza wody to proces rozkładu wody pod wpływem prądu elektrycznego na cząsteczki wodoru i tlenu

Odłączając baterię od ogniwa elektrolitycznego, ze zdziwieniem stwierdził, że elektrody zaczęły pochłaniać wydzielony gaz i generować prąd. Znaczącym wydarzeniem w energetyce stało się odkrycie procesu elektrochemicznego „zimnego” spalania wodoru. Później stworzył baterię Grove. Urządzenie to miało elektrodę platynową zanurzoną w kwasie azotowym i elektrodę cynkową w siarczanie cynku. Generował prąd 12 amperów i napięcie 8 woltów. Grow sam nazwał tę konstrukcję „Mokra bateria”... Następnie stworzył baterię za pomocą dwóch platynowych elektrod. Jeden koniec każdej elektrody był w kwasie siarkowym, a drugi był zamknięty w pojemnikach z wodorem i tlenem. Między elektrodami panował stabilny prąd, a ilość wody w pojemnikach wzrosła. Grow był w stanie rozłożyć i poprawić wodę w tym urządzeniu.

„Rozwój baterii”

(źródło: Królewskie Towarzystwo Narodowego Muzeum Historii Naturalnej)

Termin „ogniwo paliwowe” (ang. „Fuel Cell”) pojawił się dopiero w 1889 roku przez L. Monda i
C. Langer, który próbował stworzyć urządzenie do wytwarzania energii elektrycznej z powietrza i gazu węglowego.

JAK TO DZIAŁA?

Ogniwo paliwowe to stosunkowo proste urządzenie... Posiada dwie elektrody: anodę (elektrodę ujemną) i katodę (elektrodę dodatnią). Na elektrodach zachodzi reakcja chemiczna. Aby to przyspieszyć, powierzchnia elektrod pokryta jest katalizatorem. TE są wyposażone w jeszcze jeden element - membrana. Przekształcenie energii chemicznej paliwa bezpośrednio w energię elektryczną wynika z pracy membrany. Oddziela dwie komory ogniwa, które zasilane są paliwem i utleniaczem. Membrana przepuszcza tylko protony, które powstają w wyniku rozszczepienia paliwa, z jednej komory do drugiej, na elektrodzie pokrytej katalizatorem (w tym przypadku elektrony przechodzą przez obwód zewnętrzny). W drugiej komorze protony ponownie łączą się z elektronami (i atomami tlenu), tworząc wodę.

Jak działa wodorowe ogniwo paliwowe

Na poziomie chemicznym proces przekształcania energii paliwa w energię elektryczną jest podobny do zwykłego procesu spalania (utleniania).

W normalnym spalaniu w tlenie paliwo organiczne ulega utlenieniu, a energia chemiczna paliwa jest przekształcana w energię cieplną. Zobaczmy, co się dzieje, gdy wodór utlenia się tlenem w środowisku elektrolitu iw obecności elektrod.

Doprowadzając wodór do elektrody w środowisku alkalicznym, zachodzi reakcja chemiczna:

2H 2 + 4OH - → 4H 2 O + 4e -

Jak widać, otrzymujemy elektrony, które przechodząc przez obwód zewnętrzny trafiają na przeciwległą elektrodę, do której wchodzi tlen i gdzie zachodzi reakcja:

4e- + O2 + 2H2O → 4OH -

Widać, że wynikowa reakcja 2H 2 + O 2 → H 2 O jest taka sama jak w konwencjonalnym spalaniu, ale w ogniwie paliwowym wytwarzany jest prąd elektryczny i częściowo ciepło.

RODZAJE OGNIW PALIWOWYCH

Ogniwa paliwowe są klasyfikowane według rodzaju elektrolitu użytego do reakcji:

Należy zauważyć, że węgiel, tlenek węgla, alkohole, hydrazyna i inne substancje organiczne mogą być również używane jako paliwo w ogniwach paliwowych, a powietrze, nadtlenek wodoru, chlor, brom, kwas azotowy itp. mogą być stosowane jako utleniacze.

WYDAJNOŚĆ OGNIW PALIWOWYCH

Cechą ogniw paliwowych jest brak sztywnych ograniczeń wydajności jak silniki cieplne.

Pomoc: wydajnośćCykl Carnota to najwyższa możliwa sprawność spośród wszystkich silników cieplnych przy tych samych temperaturach minimalnych i maksymalnych.

Dlatego sprawność ogniw paliwowych teoretycznie może być wyższa niż 100%. Wielu uśmiechnęło się i pomyślało: „Maszyna perpetuum mobile wymyśliła środki”. Nie, tutaj warto wrócić na szkolny kurs chemii. Ogniwo paliwowe opiera się na konwersji energii chemicznej na energię elektryczną. Tutaj pojawiają się cuda. Niektóre reakcje chemiczne podczas kursu mogą pochłaniać ciepło z otoczenia.

Odniesienie: Reakcje endotermiczne to reakcje chemiczne, którym towarzyszy absorpcja ciepła. Dla reakcji endotermicznych zmiany entalpii i energii wewnętrznej mają wartości dodatnie (Δ h >0, Δ U > 0), zatem produkty reakcji zawierają więcej energii niż składniki początkowe.

Przykładem takiej reakcji jest utlenianie wodoru, który jest wykorzystywany w większości ogniw paliwowych. Dlatego teoretycznie wydajność może przekraczać 100%. Ale dzisiaj ogniwa paliwowe nagrzewają się podczas pracy i nie mogą pochłaniać ciepła z otoczenia.

Odniesienie: To ograniczenie jest narzucone przez drugą zasadę termodynamiki. Proces przenoszenia ciepła z „zimnego” do „gorącego” nie jest możliwy.

Dodatkowo istnieją straty związane z procesami nierównowagowymi. Takie jak: straty omowe wynikające z przewodnictwa właściwego elektrolitu i elektrod, polaryzacja aktywacyjna i stężeniowa, straty dyfuzyjne. W rezultacie część energii wytwarzanej w ogniwach paliwowych zamieniana jest na ciepło. Dlatego ogniwa paliwowe nie są maszynami perpetum mobile, a ich sprawność jest mniejsza niż 100%. Ale ich wydajność jest wyższa niż innych maszyn. Dziś sprawność ogniwa paliwowego sięga 80%.

Referencja: W latach czterdziestych angielski inżynier T. Bacon zaprojektował i zbudował baterię ogniw paliwowych o łącznej mocy 6 kW i sprawności 80%, pracujących na czystym wodorze i tlenie, ale o stosunku mocy do masy baterii okazała się za niska – takie ogniwa nie nadawały się do praktycznego zastosowania i były zbyt drogie (źródło: http://www.powerinfo.ru/).

PROBLEMY Z OGNIWAMI PALIWOWYMI

Prawie wszystkie ogniwa paliwowe wykorzystują wodór jako paliwo, więc pojawia się logiczne pytanie: „Gdzie mogę go zdobyć?”

Wydaje się, że ogniwo paliwowe zostało odkryte w wyniku elektrolizy, więc można wykorzystać wodór uwolniony w wyniku elektrolizy. Ale przyjrzyjmy się bliżej temu procesowi.

Zgodnie z prawem Faradaya: ilość substancji utlenianej na anodzie lub redukowanej na katodzie jest proporcjonalna do ilości energii elektrycznej przepuszczonej przez elektrolit. Oznacza to, że aby uzyskać więcej wodoru, musisz wydać więcej energii elektrycznej. Istniejące metody elektrolizy wody mają wydajność mniejszą niż jedność. Następnie wykorzystujemy uzyskany wodór w ogniwach paliwowych, gdzie sprawność również jest mniejsza niż jedność. Dlatego wydamy więcej energii, niż jesteśmy w stanie wytworzyć.

Oczywiście można wykorzystać wodór pozyskiwany z gazu ziemnego. Ta metoda produkcji wodoru pozostaje najtańsza i najpopularniejsza. Obecnie około 50% wodoru produkowanego na świecie pochodzi z gazu ziemnego. Ale jest problem z przechowywaniem i transportem wodoru. Wodór ma niską gęstość ( jeden litr wodoru waży 0,0846 g), dlatego aby przetransportować go na duże odległości, musi być skompresowany. A to są dodatkowe koszty energii i pieniędzy. Nie zapomnij też o bezpieczeństwie.

Istnieje jednak również rozwiązanie – jako źródło wodoru można wykorzystać płynne paliwo węglowodorowe. Na przykład alkohol etylowy lub metylowy. Co prawda wymagane jest już tutaj specjalne dodatkowe urządzenie - konwerter paliwa, który w wysokich temperaturach (dla metanolu będzie to około 240°C) zamienia alkohole w mieszaninę gazowego H 2 i CO 2. Ale w tym przypadku już trudniej myśleć o przenośności – takie urządzenia dobrze sprawdzają się jako generatory stacjonarne lub samochodowe, ale w przypadku kompaktowego sprzętu mobilnego potrzebne jest coś mniej nieporęcznego.

Katalizator

Aby zwiększyć postęp reakcji w FC, powierzchnia anody jest zwykle katalizatorem. Do niedawna jako katalizator stosowano platynę. Dlatego koszt ogniwa paliwowego był wysoki. Po drugie, platyna jest stosunkowo rzadkim metalem. Według ekspertów, w przemysłowej produkcji ogniw paliwowych, zbadane zasoby platyny wyczerpią się za 15-20 lat. Ale naukowcy na całym świecie próbują zastąpić platynę innymi materiałami. Nawiasem mówiąc, niektórzy z nich osiągnęli dobre wyniki. Tak więc chińscy naukowcy zastąpili platynę tlenkiem wapnia (źródło: www.cheburek.net).

WYKORZYSTANIE OGNIW PALIWOWYCH

Po raz pierwszy ogniwo paliwowe zostało przetestowane w pojazdach silnikowych w 1959 roku. Ciągnik Alice-Chambers używał do pracy 1008 akumulatorów. Paliwem była mieszanina gazów, głównie propanu i tlenu.

Źródło: http://www.planetseed.com/

Od połowy lat 60., u szczytu „wyścigu kosmicznego”, twórcy statków kosmicznych zainteresowali się ogniwami paliwowymi. Praca tysięcy naukowców i inżynierów pozwoliła osiągnąć nowy poziom, a już w 1965 roku. Ogniwa paliwowe były testowane w USA na statku kosmicznym Gemini-5, a później na statku kosmicznym Apollo do lotów na Księżyc i w ramach programu Shuttle. W ZSRR ogniwa paliwowe zostały opracowane w NPO Kvant, również do użytku w kosmosie (źródło: http://www.powerinfo.ru/).

Ponieważ końcowym produktem spalania wodoru w ogniwie paliwowym jest woda, są one uważane za najczystsze pod względem wpływu na środowisko. Dlatego ogniwa paliwowe zaczęły zyskiwać popularność na tle powszechnego zainteresowania ekologią.

Już teraz producenci samochodów, tacy jak Honda, Ford, Nissan i Mercedes-Benz, stworzyli pojazdy na wodorowe ogniwa paliwowe.

Mercedes-Benz - Ener-G-Force zasilany wodorem

W przypadku korzystania z samochodów wodorowych problem magazynowania wodoru został rozwiązany. Budowa stacji paliw z wodorem umożliwi zatankowanie w dowolnym miejscu. Co więcej, tankowanie samochodu wodorem jest szybsze niż ładowanie samochodu elektrycznego na stacji benzynowej. Jednak przy realizacji takich projektów napotkaliśmy problem podobny do pojazdów elektrycznych. Ludzie są gotowi „przesiąść się” na samochód zasilany wodorem, jeśli istnieje dla nich infrastruktura. A budowa stacji benzynowych rozpocznie się, jeśli będzie wystarczająca liczba konsumentów. Dlatego ponownie doszliśmy do dylematu jajka i kurczaka.

Ogniwa paliwowe są szeroko stosowane w telefonach komórkowych i laptopach. Minął już czas, kiedy telefon był ładowany raz w tygodniu. Teraz telefon jest ładowany prawie codziennie, a laptop działa bez sieci przez 3-4 godziny. Dlatego producenci technologii mobilnych postanowili zsyntetyzować ogniwo paliwowe z telefonami i laptopami do ładowania i pracy. Na przykład firma Toshiba w 2003 roku. zademonstrowali gotowy prototyp ogniwa paliwowego na metanol. Daje moc około 100mW. Jedno napełnienie 2 kostkami skoncentrowanego (99,5%) metanolu wystarcza na 20 godzin pracy odtwarzacza MP3. Ponownie ten sam „Toshiba” zademonstrował akumulator do notebooków o wymiarach 275x75x40mm, który pozwala na pracę komputera przez 5 godzin po jednym zatankowaniu.

Ale niektórzy producenci poszli dalej. Firma PowerTrekk wypuściła ładowarkę o tej samej nazwie. PowerTrekk to pierwsza na świecie ładowarka do wody. Jest bardzo łatwy w użyciu. Do PowerTrekk należy dodać wodę, aby zapewnić natychmiastowe zasilanie przez kabel USB. To ogniwo paliwowe zawiera proszek krzemowy i krzemek sodu (NaSi) po zmieszaniu z wodą, ta kombinacja generuje wodór. Wodór miesza się z powietrzem w samym ogniwie paliwowym i przekształca wodór w energię elektryczną poprzez wymianę membranowo-protonową, bez wentylatorów i pomp. Taką przenośną ładowarkę można kupić za 149 € (

Elektronika mobilna z roku na rok, jeśli nie miesiąc, staje się coraz bardziej dostępna i rozpowszechniona. Tutaj masz laptopy, palmtopy, aparaty cyfrowe, telefony komórkowe i wiele innych przydatnych i mało przydatnych urządzeń. Wszystkie te urządzenia stale zyskują nowe funkcje, mocniejsze procesory, większe kolorowe ekrany, łączność bezprzewodową, a jednocześnie zmniejszają się. Ale w przeciwieństwie do technologii półprzewodnikowych, technologie zasilania całej tej mobilnej menażerii wcale nie są skokowe.

Konwencjonalne akumulatory i baterie wyraźnie nie wystarczą do zasilania najnowszych osiągnięć w przemyśle elektronicznym przez dłuższy czas. A bez niezawodnych baterii o dużej pojemności traci się cały punkt mobilności i łączności bezprzewodowej. Dlatego branża komputerowa coraz aktywniej pracuje nad tym problemem alternatywne zasilacze... A dziś najbardziej obiecującym kierunkiem jest ogniwa paliwowe.

Podstawową zasadę działania ogniw paliwowych odkrył brytyjski naukowiec Sir William Grove w 1839 roku. Jest znany jako ojciec „ogniwa paliwowego”. William Grove wytwarzał energię elektryczną poprzez przeróbkę w celu wydobycia wodoru i tlenu. Odłączając baterię od ogniwa elektrolitycznego, Grove ze zdziwieniem odkrył, że elektrody zaczęły pochłaniać wytworzony gaz i generować prąd. Otwarcie procesu elektrochemiczne „zimne” spalanie wodoru stał się znaczącym wydarzeniem w sektorze energetycznym, a później tak znani elektrochemicy jak Ostwald i Nernst odegrali ważną rolę w rozwoju podstaw teoretycznych i praktycznej realizacji ogniw paliwowych i przewidzieli dla nich wspaniałą przyszłość.

Ja termin „ogniwo paliwowe” pojawił się później – zaproponowali go w 1889 roku Ludwig Mond i Charles Langer, którzy próbowali stworzyć urządzenie do wytwarzania energii elektrycznej z powietrza i gazu węglowego.

W normalnym spalaniu w tlenie paliwo organiczne ulega utlenieniu, a energia chemiczna paliwa jest nieefektywnie przekształcana w energię cieplną. Okazało się jednak, że możliwe jest, aby reakcja utleniania np. wodoru tlenem przebiegała w środowisku elektrolitu iw obecności elektrod można było uzyskać prąd elektryczny. Np. dostarczając wodór do elektrody w środowisku alkalicznym, otrzymujemy elektrony:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

które przechodząc przez obwód zewnętrzny wchodzą na przeciwległą elektrodę, do której wchodzi tlen i gdzie zachodzi reakcja: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

Widać, że wynikowa reakcja 2H2 + O2 → H2O jest taka sama jak w konwencjonalnym spalaniu, ale w ogniwie paliwowym, lub inaczej - w generator elektrochemiczny, prąd elektryczny jest uzyskiwany z dużą wydajnością i częściowo ciepłem. Należy zauważyć, że węgiel, tlenek węgla, alkohole, hydrazyna i inne substancje organiczne mogą być również używane jako paliwo w ogniwach paliwowych, a powietrze, nadtlenek wodoru, chlor, brom, kwas azotowy itp. mogą być stosowane jako utleniacze.

Rozwój ogniw paliwowych trwał energicznie zarówno za granicą, jak iw Rosji, a następnie w ZSRR. Wśród naukowców, którzy wnieśli wielki wkład w badania ogniw paliwowych, zauważamy V. Jaco, P. Yablochkov, F. Bacon, E. Bauer, E. Yusti, K. Kordesh. W połowie ubiegłego wieku rozpoczęła się nowa burza problemów z ogniwami paliwowymi. Wynika to częściowo z pojawienia się nowych pomysłów, materiałów i technologii w wyniku badań obronnych.

Jednym z naukowców, którzy poczynili duży krok w rozwoju ogniw paliwowych, był P.M.Spiridonov. Elementy wodorowo-tlenowe Spiridonova dał gęstość prądu 30 mA/cm2, co jak na tamte czasy uważano za wielkie osiągnięcie. W latach czterdziestych O. Davtyan stworzył instalację do elektrochemicznego spalania gazu generatorowego uzyskanego ze zgazowania węgla. Na każdy metr sześcienny objętości elementu Davtyan otrzymywał 5 kW mocy.

To było pierwsze ogniwo paliwowe ze stałym elektrolitem... Miał wysoką wydajność, ale z biegiem czasu elektrolit uległ pogorszeniu i trzeba było go wymienić. Następnie Davtyan pod koniec lat pięćdziesiątych stworzył potężną instalację, która wprawia traktor w ruch. W tych samych latach angielski inżynier T. Bacon zaprojektował i zbudował baterię ogniw paliwowych o łącznej mocy 6 kW i sprawności 80%, pracujących na czystym wodorze i tlenie, ale o stosunku mocy do masy bateria okazała się za mała – takie ogniwa nie nadawały się do praktycznego zastosowania i były zbyt drogie.

W następnych latach minął czas samotników. Twórcy statków kosmicznych zainteresowali się ogniwami paliwowymi. Od połowy lat 60. zainwestowano miliony dolarów w badania nad ogniwami paliwowymi. Praca tysięcy naukowców i inżynierów pozwoliła osiągnąć nowy poziom, a już w 1965 roku. Ogniwa paliwowe były testowane w USA na statku kosmicznym Gemini-5, a później na statku kosmicznym Apollo do lotów na Księżyc i w ramach programu Shuttle.

W ZSRR ogniwa paliwowe zostały opracowane w NPO Kvant, również do użytku w kosmosie. W tamtych latach pojawiły się już nowe materiały - stałe elektrolity polimerowe na bazie membran jonowymiennych, nowe typy katalizatorów, elektrody. Niemniej jednak gęstość prądu roboczego była niewielka - w granicach 100-200 mA/cm2, a zawartość platyny na elektrodach wynosiła kilka g/cm2. Było wiele problemów związanych z trwałością, stabilnością, bezpieczeństwem.

Kolejny etap szybkiego rozwoju ogniw paliwowych rozpoczął się w latach 90-tych. zeszłego wieku i trwa do dziś. Spowodowane jest to potrzebą nowych efektywnych źródeł energii w związku z jednej strony z globalnym problemem środowiskowym rosnącej emisji gazów cieplarnianych ze spalania paliw kopalnych, a z drugiej z wyczerpywaniem się tego paliwa. rezerwy. Ponieważ końcowym produktem spalania wodoru w ogniwie paliwowym jest woda, są one uważane za najczystsze pod względem wpływu na środowisko. Główny problem polega jedynie na znalezieniu wydajnej i niedrogiej metody produkcji wodoru.

Miliardy inwestycji finansowych w rozwój ogniw paliwowych i generatorów wodoru powinny doprowadzić do przełomu technologicznego i urzeczywistnić je w życiu codziennym: w ogniwa do telefonów komórkowych, w samochody, w elektrownie. Już teraz takie giganty motoryzacyjne jak Ballard, Honda, Daimler Chrysler, General Motors demonstrują samochody i autobusy napędzane ogniwami paliwowymi o mocy 50 kW. Powstało wiele firm elektrownie demonstracyjne na ogniwach paliwowych ze stałym elektrolitem tlenkowym o mocy do 500 kW... Jednak pomimo znaczącego przełomu w poprawie właściwości ogniw paliwowych, wciąż pozostaje wiele problemów do rozwiązania, związanych z ich kosztami, niezawodnością i bezpieczeństwem.

W ogniwie paliwowym, w przeciwieństwie do baterii i akumulatorów, zarówno paliwo, jak i utleniacz są do niego dostarczane z zewnątrz. Ogniwo paliwowe jest jedynie mediatorem w reakcji i w idealnych warunkach może działać prawie w nieskończoność. Piękno tej technologii polega na tym, że w rzeczywistości element spala paliwo i bezpośrednio zamienia uwolnioną energię na energię elektryczną. Przy bezpośrednim spalaniu paliwa utlenia się go tlenem, a ciepło uwalniane podczas tego jest wykorzystywane do wykonywania użytecznej pracy.

W ogniwie paliwowym, podobnie jak w akumulatorach, reakcje utleniania paliwa i redukcji tlenu są przestrzennie rozdzielone, a proces „spalania” zachodzi tylko wtedy, gdy ogniwo dostarcza prąd do obciążenia. To jest jak generator elektryczny na olej napędowy, tylko bez oleju napędowego i generatora... A także bez dymu, hałasu, przegrzania i ze znacznie wyższą wydajnością. To ostatnie tłumaczy się tym, że po pierwsze nie ma pośrednich urządzeń mechanicznych, a po drugie ogniwo paliwowe nie jest silnikiem cieplnym i w rezultacie nie jest zgodne z prawem Carnota (czyli jego sprawność nie jest określona przez różnica temperatur).

Tlen jest używany jako utleniacz w ogniwach paliwowych. Co więcej, ponieważ w powietrzu jest wystarczająca ilość tlenu, nie ma potrzeby martwić się o dopływ utleniacza. Paliwo to wodór. Tak więc w ogniwie paliwowym zachodzi reakcja:

2H2 + O2 → 2H2O + prąd + ciepło.

Rezultatem jest użyteczna energia i para wodna. Najprostszy w swojej strukturze jest Ogniwo paliwowe z membraną do wymiany protonów(patrz rysunek 1). Działa to w następujący sposób: wodór wchodzący do pierwiastka rozkłada się pod wpływem katalizatora na elektrony i dodatnio naładowane jony wodorowe H+. Wtedy w grę wchodzi specjalna membrana, która pełni rolę elektrolitu w konwencjonalnym akumulatorze. Ze względu na swój skład chemiczny umożliwia przechodzenie protonów przez siebie, ale zatrzymuje elektrony. Tak więc elektrony zgromadzone na anodzie tworzą nadmiar ładunku ujemnego, a jony wodorowe tworzą ładunek dodatni na katodzie (napięcie na ogniwie wynosi około 1V).

Aby uzyskać wysoką moc, ogniwo paliwowe składa się z wielu ogniw. Jeśli pierwiastek jest zawarty w ładunku, to elektrony przepłyną przez niego do katody, tworząc prąd i kończąc proces utleniania wodoru tlenem. Jako katalizator w takich ogniwach paliwowych z reguły stosuje się mikrocząstki platyny osadzone na włóknie węglowym. Ze względu na swoją strukturę katalizator taki jest wysoce przepuszczalny dla gazu i elektryczności. Membrana jest zwykle wykonana z polimeru zawierającego siarkę, Nafion. Grubość membrany wynosi dziesiąte części milimetra. Podczas reakcji oczywiście wydziela się również ciepło, ale nie ma go tak dużo, więc temperatura pracy utrzymywana jest w zakresie 40-80°C.

Rys. 1. Jak działa ogniwo paliwowe

Istnieją inne rodzaje ogniw paliwowych, różniące się głównie rodzajem użytego elektrolitu. Prawie wszystkie z nich wymagają wodoru jako paliwa, więc pojawia się logiczne pytanie: skąd go wziąć. Oczywiście możliwe byłoby użycie sprężonego wodoru z butli, ale wtedy natychmiast pojawiają się problemy związane z transportem i przechowywaniem tego wysoce łatwopalnego gazu pod wysokim ciśnieniem. Oczywiście wodór można stosować w postaci związanej, jak w akumulatorach metalowo-wodorkowych. Jednak nadal pozostaje problem jego produkcji i transportu, ponieważ nie istnieje infrastruktura tankowania wodoru.

Istnieje jednak również rozwiązanie – jako źródło wodoru można wykorzystać płynne paliwo węglowodorowe. Na przykład alkohol etylowy lub metylowy. To prawda, że ​​jest tu już potrzebne specjalne dodatkowe urządzenie - konwerter paliwa, który zamienia alkohole w mieszaninę gazowego H2 i CO2 w wysokiej temperaturze (dla metanolu będzie to około 240°C). Ale w tym przypadku już trudniej myśleć o przenośności – takie urządzenia dobrze sprawdzają się jako stacjonarne lub, ale do kompaktowego sprzętu mobilnego potrzeba czegoś mniej uciążliwego.

I tu dochodzimy do dokładnie urządzenia, którego rozwój ze straszliwą siłą robią prawie wszyscy najwięksi producenci elektroniki – ogniwo paliwowe z metanolem(Rysunek 2).

Rys. 2. Jak działa ogniwo paliwowe z metanolem

Podstawowa różnica między ogniwami paliwowymi wodorowymi i metanolowymi polega na zastosowanym katalizatorze. Katalizator w ogniwie paliwowym z metanolem umożliwia usuwanie protonów bezpośrednio z cząsteczki alkoholu. Tym samym rozwiązana jest kwestia paliwa – alkohol metylowy jest produkowany masowo dla przemysłu chemicznego, jest łatwy w przechowywaniu i transporcie, a żeby naładować ogniwo paliwowe metanolowe, wystarczy po prostu wymienić wkład paliwowy. Jest jednak jedna istotna wada – metanol jest toksyczny. Ponadto sprawność metanolowego ogniwa paliwowego jest znacznie niższa niż wodorowego ogniwa paliwowego.

Ryż. 3. Ogniwo paliwowe z metanolem

Najbardziej kuszącą opcją jest użycie alkoholu etylowego jako paliwa, ponieważ produkcja i dystrybucja napojów alkoholowych o dowolnym składzie i mocy jest dobrze ugruntowana na całym świecie. Jednak sprawność ogniw paliwowych na etanol jest niestety nawet niższa niż metanolu.

Jak zauważono w ciągu wielu lat rozwoju w dziedzinie ogniw paliwowych, zbudowano różne typy ogniw paliwowych. Ogniwa paliwowe są klasyfikowane według rodzaju elektrolitu i paliwa.

1. Stały polimerowy elektrolit wodorowo-tlenowy.

2. Ogniwa paliwowe z polimeru stałego i metanolu.

3. Ogniwa na elektrolicie alkalicznym.

4. Ogniwa paliwowe z kwasem fosforowym.

5. Ogniwa paliwowe na bazie stopionych węglanów.

6. Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem.

Idealnie sprawność ogniw paliwowych jest bardzo wysoka, ale w warunkach rzeczywistych występują straty związane z procesami nierównowagowymi, takie jak: straty omowe ze względu na przewodność właściwą elektrolitu i elektrod, polaryzację aktywacyjną i stężeniową, straty dyfuzyjne. W rezultacie część energii wytwarzanej w ogniwach paliwowych zamieniana jest na ciepło. Wysiłki specjalistów mają na celu zmniejszenie tych strat.

Głównym źródłem strat omowych, a także przyczyną wysokich kosztów ogniw paliwowych, są perfluorowane sulfonowe membrany kationowymienne. Obecnie trwają poszukiwania alternatywnych, tańszych polimerów przewodzących protony. Ponieważ przewodnictwo tych membran (stałych elektrolitów) osiąga akceptowalną wartość (10 Ohm/cm) tylko w obecności wody, gazy dostarczane do ogniwa paliwowego muszą być dodatkowo nawilżane w specjalnym urządzeniu, co również zwiększa koszt system. W katalitycznych elektrodach dyfuzji gazowej stosuje się głównie platynę i niektóre inne metale szlachetne, i jak dotąd nie znaleziono dla nich zamiennika. Choć zawartość platyny w ogniwach paliwowych wynosi kilka mg/cm2, to dla dużych akumulatorów jej ilość sięga kilkudziesięciu gramów.

Przy projektowaniu ogniw paliwowych dużą wagę przywiązuje się do układu odprowadzania ciepła, ponieważ przy dużych gęstościach prądu (do 1A/cm2) następuje samonagrzewanie się układu. Do chłodzenia wykorzystywana jest woda krążąca w ogniwie paliwowym przez specjalne kanały, a przy małej mocy wdmuchiwane jest powietrze.

Tak więc nowoczesny układ generatora elektrochemicznego, oprócz samego ogniwa paliwowego, jest „zarośnięty” wieloma urządzeniami pomocniczymi, takimi jak: pompy, sprężarka do zasilania powietrzem, doprowadzenie wodoru, nawilżacz gazu, agregat chłodniczy, wyciek gazu układ sterowania, przetwornica DC-AC, procesor sterujący itp. Wszystko to prowadzi do tego, że koszt układu ogniw paliwowych w latach 2004-2005 wynosił 2-3 tys. USD/kW. Zdaniem ekspertów ogniwa paliwowe będą dostępne do użytku w elektrowniach transportowych i stacjonarnych w cenie 50-100 USD/kW.

Aby wprowadzić ogniwa paliwowe do codziennego życia, wraz z obniżeniem kosztów komponentów, należy spodziewać się nowych oryginalnych pomysłów i podejść. W szczególności wielkie nadzieje wiąże się z wykorzystaniem nanomateriałów i nanotechnologii. Na przykład kilka firm ogłosiło niedawno stworzenie ultrawydajnych katalizatorów, w szczególności dla elektrody tlenowej opartej na klastrach nanocząstek różnych metali. Ponadto pojawiły się doniesienia o konstrukcjach bezmembranowych ogniw paliwowych, w których płynne paliwo (takie jak metanol) jest podawane do ogniwa paliwowego wraz z utleniaczem. Interesująca jest również opracowana koncepcja ogniw biopaliwowych pracujących w zanieczyszczonych wodach i zużywających rozpuszczony tlen atmosferyczny jako utleniacz oraz zanieczyszczenia organiczne jako paliwo.

Zdaniem ekspertów ogniwa paliwowe w najbliższych latach wejdą na rynek masowy. Rzeczywiście, deweloperzy jeden po drugim pokonują problemy techniczne, zgłaszają sukcesy i prezentują prototypy ogniw paliwowych. Na przykład firma Toshiba zademonstrowała gotowy prototyp ogniwa paliwowego na metanol. Ma wymiary 22x56x4,5mm i daje moc około 100mW. Jedno napełnienie 2 kostkami skoncentrowanego (99,5%) metanolu wystarcza na 20 godzin pracy odtwarzacza MP3. Toshiba wprowadziła na rynek komercyjne ogniwo paliwowe do zasilania telefonów komórkowych. Ponownie ta sama Toshiba zademonstrowała baterię do notebooków o wymiarach 275x75x40mm, która pozwala na pracę komputera przez 5 godzin po jednym zatankowaniu.

Kolejna japońska firma Fujitsu nie pozostaje w tyle za Toshibą. W 2004 roku wprowadziła również pierwiastek działający na 30% wodny roztwór metanolu. To ogniwo paliwowe pracowało na jednym 300ml napełnieniu przez 10 godzin i jednocześnie dostarczało 15 watów mocy.

Casio opracowuje ogniwo paliwowe, w którym metanol jest najpierw przekształcany w mieszankę gazów H2 i CO2 w miniaturowym konwerterze paliwowym, a następnie podawany do ogniwa paliwowego. Podczas demonstracji prototyp Casio zasilał laptopa przez 20 godzin.

Samsung wyrobił sobie także markę w dziedzinie ogniw paliwowych – w 2004 roku zademonstrował swój 12-watowy prototyp przeznaczony do zasilania laptopa. Generalnie Samsung zamierza stosować ogniwa paliwowe przede wszystkim w smartfonach czwartej generacji.

Muszę powiedzieć, że generalnie japońskie firmy bardzo dokładnie podeszły do ​​rozwoju ogniw paliwowych. W 2003 roku firmy takie jak Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony i Toshiba połączyły siły, aby opracować jeden standard ogniw paliwowych dla laptopów, telefonów komórkowych, PDA i innych urządzeń elektronicznych. Amerykańskie firmy, które również są liczne na tym rynku, pracują głównie na kontraktach z wojskiem i opracowują ogniwa paliwowe do elektryfikacji amerykańskich żołnierzy.

Niemcy nie są daleko w tyle – Smart Fuel Cell sprzedaje ogniwa paliwowe do zasilania mobilnego biura. Urządzenie nazywa się Smart Fuel Cell C25, ma wymiary 150x112x65mm i może dostarczyć do 140 watogodzin na jednym tankowaniu. To wystarczy na zasilanie laptopa przez około 7 godzin. Następnie wkład można wymienić i można kontynuować pracę. Rozmiar wkładu z metanolem to 99x63x27 mm i waży 150g. Sam system waży 1,1 kg, więc nie można go nazwać całkowicie przenośnym, ale i tak jest to w pełni wykończone i wygodne urządzenie. Firma opracowuje również moduł paliwowy do zasilania profesjonalnych kamer wideo.

Generalnie ogniwa paliwowe weszły już na rynek elektroniki mobilnej. Producentom pozostaje rozwiązanie ostatnich problemów technicznych przed rozpoczęciem masowej produkcji.

Po pierwsze konieczne jest rozwiązanie problemu miniaturyzacji ogniw paliwowych. W końcu im mniejsze ogniwo paliwowe, tym mniej mocy będzie w stanie dostarczyć – dlatego stale opracowywane są nowe katalizatory i elektrody, aby zmaksymalizować powierzchnię roboczą przy niewielkich wymiarach. Tutaj bardzo przydatne są najnowsze osiągnięcia w dziedzinie nanotechnologii i nanomateriałów (np. nanorurki). Ponownie osiągnięcia mikroelektromechaniki są coraz częściej wykorzystywane do miniaturyzacji orurowania elementów (pomp paliwowych i wodnych, układów chłodzenia i konwersji paliwa).

Drugą ważną kwestią, którą należy się zająć, są koszty. Rzeczywiście, bardzo droga platyna jest stosowana jako katalizator w większości ogniw paliwowych. Ponownie, niektórzy producenci starają się jak najlepiej wykorzystać już ugruntowane technologie krzemowe.

Jeśli chodzi o inne obszary zastosowania ogniw paliwowych, ogniwa paliwowe już tam mocno zadomowiły się, chociaż nie weszły jeszcze do głównego nurtu ani w energetyce, ani w transporcie. Już wielu producentów samochodów zaprezentowało swoje samochody koncepcyjne zasilane ogniwami paliwowymi. Autobusy na ogniwa paliwowe jeżdżą w kilku miastach na całym świecie. Canadian Ballard Power Systems produkuje szereg stacjonarnych generatorów w zakresie od 1 do 250 kW. Jednocześnie generatory kilowatowe są zaprojektowane tak, aby natychmiast zaopatrywać jedno mieszkanie w energię elektryczną, ciepło i ciepłą wodę.