Jak działa wodorowe ogniwo paliwowe. Ogniwa paliwowe: rok nadziei

Stany Zjednoczone podjęły szereg inicjatyw mających na celu opracowanie wodorowych ogniw paliwowych, infrastruktury i technologii, aby pojazdy z ogniwami paliwowymi były praktyczne i ekonomiczne do 2020 r. Na te cele przeznaczono ponad miliard dolarów.

Ogniwa paliwowe wytwarzają energię elektryczną cicho i wydajnie, bez zanieczyszczeń. W przeciwieństwie do źródeł energii wykorzystujących paliwa kopalne, produktami ubocznymi z eksploatacji ogniw paliwowych są ciepło i woda. Jak to działa

W tym artykule krótko analizujemy każdą z istniejących obecnie technologii paliwowych, a także rozmawiamy o projektowaniu i działaniu ogniw paliwowych i porównujemy je z innymi formami produkcji energii. Omówimy również niektóre bariery, które napotykają badacze, czyniąc ogniwa paliwowe praktycznymi i dostępnymi dla konsumentów.

Ogniwa paliwowe są urządzenia do konwersji energii elektrochemicznej. Ogniwo paliwowe przekształca chemikalia, wodór i tlen w wodę, która wytwarza prąd.

Kolejnym znanym nam urządzeniem elektrochemicznym jest bateria. Bateria zawiera w sobie wszystkie niezbędne pierwiastki chemiczne i zamienia te substancje w elektryczność. Oznacza to, że bateria „umiera” i albo ją wyrzucasz, albo ładujesz ponownie.

W ogniwie paliwowym chemikalia stale do niego wpływają, tak że nigdy nie „umiera”. Energia elektryczna będzie wytwarzana tak długo, jak długo chemikalia dostaną się do komórki. Większość używanych obecnie ogniw paliwowych wykorzystuje wodór i tlen.

Wodór jest najczęstszym pierwiastkiem w naszej galaktyce. Jednak wodór praktycznie nie istnieje na Ziemi w postaci elementarnej. Inżynierowie i naukowcy muszą wydobywać czysty wodór ze związków wodoru, w tym paliw kopalnych lub wody. Aby wytwarzać wodór z tych związków, musisz wydawać energię w postaci ciepła lub elektryczności.

Wynalazek ogniw paliwowych

Sir William Grove wynalazł pierwsze ogniwo paliwowe w 1839 r. Grove wiedział, że wodę można podzielić na wodór i tlen, przepuszczając przez nią prąd elektryczny (tak zwany proces elektroliza) Zasugerował, że prąd i wodę można uzyskać w odwrotnej kolejności. Stworzył prymitywne ogniwo paliwowe i nazwał je gazowa bateria galwaniczna. Eksperymentując ze swoim nowym wynalazkiem, Grove udowodnił swoją hipotezę. Pięćdziesiąt lat później naukowcy Ludwig Mond i Charles Langer wymyślili ten termin ogniwa paliwowe  próbując zbudować praktyczny model produkcji energii elektrycznej.

Ogniwo paliwowe będzie konkurować z wieloma innymi urządzeniami do konwersji energii, w tym turbinami gazowymi w elektrowniach miejskich, silnikami spalinowymi w samochodach, a także wszelkiego rodzaju akumulatorami. Silniki spalinowe, takie jak turbiny gazowe, spalają różne rodzaje paliwa i wykorzystują ciśnienie wytworzone przez rozprężanie gazów do wykonywania prac mechanicznych. W razie potrzeby akumulatory przekształcają energię chemiczną w energię elektryczną. Ogniwa paliwowe muszą wykonywać te zadania bardziej wydajnie.

Ogniwo paliwowe dostarcza napięcia stałego (prądu stałego), które może być wykorzystywane do zasilania silników elektrycznych, oświetlenia i innych urządzeń elektrycznych.

Istnieje kilka różnych rodzajów ogniw paliwowych, z których każde wykorzystuje inny proces chemiczny. Ogniwa paliwowe są zazwyczaj klasyfikowane według ich temperatura pracy  i typelektrolitktórych używają. Niektóre rodzaje ogniw paliwowych dobrze nadają się do stosowania w elektrowniach stacjonarnych. Inne mogą być przydatne w przypadku małych urządzeń przenośnych lub do zasilania samochodów. Główne rodzaje ogniw paliwowych obejmują:

Ogniwo paliwowe z membraną z wymiany polimerowej (PEMFC)

PEMFC jest uważany za najbardziej prawdopodobnego kandydata do aplikacji transportowych. PEMFC ma zarówno wysoką moc, jak i stosunkowo niską temperaturę roboczą (w zakresie od 60 do 80 stopni Celsjusza). Niskie temperatury pracy oznaczają, że ogniwa paliwowe mogą szybko się rozgrzać i rozpocząć wytwarzanie energii elektrycznej.

Ogniwa paliwowe z tlenkiem stałym (SOFC)

Te ogniwa paliwowe najlepiej nadają się do dużych stacjonarnych agregatów prądotwórczych, które mogłyby dostarczać prąd do fabryki lub miasta. Ten rodzaj ogniwa paliwowego działa w bardzo wysokich temperaturach (od 700 do 1000 stopni Celsjusza). Wysoka temperatura stanowi problem z niezawodnością, ponieważ część ogniw paliwowych może ulec awarii po kilku cyklach włączania i wyłączania. Ogniwa paliwowe z tlenku stałego są jednak bardzo stabilne podczas ciągłej pracy. W rzeczywistości SOFC wykazały najdłuższą żywotność dowolnego ogniwa paliwowego w określonych warunkach. Zaletą jest również wysoka temperatura: para wytwarzana przez ogniwa paliwowe może być wysyłana do turbin i generować więcej energii elektrycznej. Ten proces nazywa się kogeneracja ciepła i elektryczności  i poprawia ogólną wydajność systemu.

Alkaliczne ogniwo paliwowe (AFC) alkaliczne ogniwo paliwowe

Jest to jeden z najstarszych przykładów ogniw paliwowych stosowanych od lat 60. XX wieku. AFC są bardzo podatne na zanieczyszczenia, ponieważ wymagają czystego wodoru i tlenu. Ponadto są one bardzo drogie, więc jest mało prawdopodobne, aby ten typ ogniw paliwowych został wprowadzony do masowej produkcji.

Ogniwo paliwowe ze stopionego węglanu (MCFC)

Podobnie jak SOFC, te ogniwa paliwowe najlepiej nadają się również do dużych stacjonarnych elektrowni i generatorów. Działają w temperaturze 600 stopni Celsjusza, dzięki czemu mogą wytwarzać parę, która z kolei może zostać wykorzystana do wytworzenia jeszcze większej ilości energii. Mają niższą temperaturę pracy niż ogniwa paliwowe na tlenek stały, co oznacza, że \u200b\u200bnie potrzebują takich materiałów żaroodpornych. To sprawia, że \u200b\u200bsą trochę tańsze.

Ogniwo paliwowe z kwasem fosforowym (PAFC)

Ogniwo paliwowe z kwasem fosforowymma potencjał do zastosowania w małych stacjonarnych systemach zasilania. Działa w wyższej temperaturze niż ogniwo paliwowe z membraną wymiany polimeru, więc rozgrzewanie trwa dłużej, przez co nie nadaje się do zastosowania w samochodach.

Ogniwa metanolowe z bezpośrednim ogniwem metanolowym (DMFC)

Ogniwa paliwowe z metanolu są porównywalne z PEMFC pod względem temperatury roboczej, ale nie tak wydajne. Ponadto DMFC wymagają dość dużej ilości platyny działającej jako katalizator, co czyni te ogniwa paliwowe drogimi.

Ogniwo paliwowe z membraną wymiany polimeru

Ogniwo paliwowe z membraną polimerową (PEMFC) jest jedną z najbardziej obiecujących technologii ogniw paliwowych. PEMFC wykorzystuje jedną z najprostszych reakcji spośród wszystkich ogniw paliwowych. Zastanów się, z czego się składa.

1. A węzeł   - ujemny zacisk ogniwa paliwowego. Przewodzi elektrony uwalniane z cząsteczek wodoru, po czym można je wykorzystać w obwodzie zewnętrznym. Wygrawerowano kanały, przez które gazowy wodór jest równomiernie rozprowadzany na powierzchni katalizatora.

2.  To atode   - dodatni zacisk ogniwa paliwowego ma również kanały dystrybucji tlenu na powierzchni katalizatora. Odprowadza również elektrony z zewnętrznego obwodu katalizatora, gdzie mogą łączyć się z jonami wodoru i tlenu, tworząc wodę.

3.  Membrana wymiany elektrolitu protonowego. Jest to specjalnie przetworzony materiał, który przewodzi tylko dodatnio naładowane jony i blokuje elektrony. W PEMFC membrana musi być zwilżona, aby działała normalnie i pozostawała stabilna.

4. Katalizator  - Jest to specjalny materiał, który promuje reakcję tlenu i wodoru. Zwykle jest wykonany z nanocząstek platyny, bardzo drobno nałożonych na bibułę lub tkaninę. Katalizator ma taką strukturę powierzchni, że maksymalne pole powierzchni platyny może być wystawione na działanie wodoru lub tlenu.

Rysunek pokazuje gazowy wodór (H2) wchodzący do ogniwa paliwowego od strony anody pod ciśnieniem. Gdy cząsteczka H2 ma kontakt z platyną na katalizatorze, zostaje ona podzielona na dwa jony H + i dwa elektrony. Elektrony przechodzą przez anodę, gdzie są wykorzystywane w obwodzie zewnętrznym (wykonując użyteczną pracę, na przykład obracając silnik) i wracają na stronę katodową ogniwa paliwowego.

Tymczasem po stronie katody ogniwa paliwowego tlen (O2) z powietrza przepływa przez katalizator, gdzie tworzy dwa atomy tlenu. Każdy z tych atomów ma silny ładunek ujemny. Ten ładunek ujemny przyciąga dwa jony H + przez membranę, gdzie łączą się z atomem tlenu i dwoma elektronami, które pochodzą z obwodu zewnętrznego, tworząc cząsteczkę wody (H2O).

Ta reakcja w pojedynczym ogniwie paliwowym wytwarza jedynie około 0,7 wolta. Aby zwiększyć napięcie do rozsądnego poziomu, wiele pojedynczych ogniw paliwowych należy połączyć, aby utworzyć stos ogniw paliwowych. Płytki bipolarne służą do łączenia jednego ogniwa paliwowego z drugim i ulegają utlenianiu o zmniejszonym potencjale. Dużym problemem związanym z płytkami dwubiegunowymi jest ich stabilność. Dwubiegunowe płyty metalowe mogą być skorodowane przez korozję, a produkty uboczne (jony żelaza i chromu) zmniejszają wydajność membran i elektrod ogniw paliwowych. Dlatego niskotemperaturowe ogniwa paliwowe wykorzystują metale lekkie, grafit i związki kompozytowe z węgla i materiału termoutwardzalnego (materiał termoutwardzalny jest rodzajem tworzywa sztucznego, które pozostaje stałe nawet po wystawieniu na działanie wysokich temperatur) w postaci dwubiegunowego materiału arkuszowego.

Sprawność ogniw paliwowych

Zmniejszenie zanieczyszczenia jest jednym z głównych celów ogniwa paliwowego. Porównując samochód napędzany ogniwem paliwowym z samochodem napędzanym silnikiem benzynowym i samochodem napędzanym przez akumulator, zobaczysz, jak ogniwa paliwowe mogą zwiększyć wydajność samochodów.

Ponieważ wszystkie trzy typy samochodów mają wiele takich samych komponentów, zignorujemy tę część samochodu i porównamy korzyści do punktu, w którym wytwarzana jest energia mechaniczna. Zacznijmy od samochodu z ogniwem paliwowym.

Jeśli ogniwo paliwowe jest zasilane czystym wodorem, jego wydajność może wynosić nawet 80 procent. W ten sposób przekształca 80 procent zawartości energii wodoru w energię elektryczną. Nadal jednak musimy przekształcić energię elektryczną w pracę mechaniczną. Osiąga się to poprzez silnik elektryczny i falownik. Sprawność silnika + falownika wynosi również około 80 procent. Daje to całkowitą wydajność około 80 * 80/100 \u003d 64 procent. Pojazd koncepcyjny Honda FCX ma podobno 60% wydajności energetycznej.

Jeśli źródło paliwa nie jest w postaci czystego wodoru, pojazd będzie również potrzebował reformera. Reformatory przekształcają paliwa węglowodorowe lub alkoholowe w wodór. Generują ciepło i wytwarzają CO i CO2 oprócz wodoru. Różne urządzenia są używane do oczyszczania wytwarzanego wodoru, ale to oczyszczanie jest niewystarczające i zmniejsza wydajność ogniwa paliwowego. Dlatego naukowcy postanowili skoncentrować się na ogniwach paliwowych do pojazdów napędzanych czystym wodorem, pomimo problemów związanych z produkcją i magazynowaniem wodoru.

Sprawność silnika benzynowego i pojazdu elektrycznego

Wydajność samochodu napędzanego benzyną jest zaskakująco niska. Całe ciepło, które wydostaje się jako spaliny lub jest pochłaniane przez grzejnik, jest marnowaną energią. Silnik zużywa również dużo energii, obracając różne pompy, wentylatory i generatory, które wspierają jego działanie. Tak więc ogólna wydajność samochodowego silnika benzynowego wynosi około 20 procent. Tak więc tylko około 20 procent energii cieplnej benzyny zamienia się w pracę mechaniczną.

Pojazd elektryczny zasilany bateryjnie ma dość wysoką sprawność. Wydajność akumulatora wynosi około 90 procent (większość akumulatorów wytwarza ciepło lub wymaga ogrzewania), a silnik elektryczny + falownik o wydajności około 80 procent. Daje to całkowitą wydajność około 72 procent.

Ale to nie wszystko. Aby samochód elektryczny mógł się poruszać, najpierw trzeba gdzieś wyprodukować prąd. Jeśli była to elektrownia, która wykorzystywała proces spalania paliw kopalnych (zamiast jądrowych, hydroelektrycznych, słonecznych lub wiatrowych), wówczas tylko około 40 procent paliwa zużywanego przez elektrownię zamieniano na energię elektryczną. Ponadto proces ładowania samochodu wymaga zamiany prądu przemiennego (AC) na prąd stały (DC). Wydajność tego procesu wynosi około 90 procent.

Teraz, jeśli spojrzymy na cały cykl, wydajność samochodu elektrycznego wynosi 72 procent dla samego samochodu, 40 procent dla elektrowni i 90 procent dla ładowania samochodu. Daje to pełną wydajność 26 procent. Pełna wydajność różni się znacznie w zależności od elektrowni używanej do ładowania akumulatora. Jeżeli energia elektryczna dla samochodu jest wytwarzana na przykład przez elektrownię wodną, \u200b\u200bwówczas wydajność samochodu elektrycznego wyniesie około 65 procent.

Naukowcy badają i ulepszają projekty w celu dalszego zwiększania wydajności ogniw paliwowych. Jednym z nowych podejść jest połączenie pojazdów napędzanych ogniwami paliwowymi i akumulatorami. Opracowywany jest pojazd koncepcyjny napędzany hybrydową skrzynią biegów napędzaną ogniwem paliwowym. Wykorzystuje akumulator litowy do zasilania samochodu, a ogniwo paliwowe ładuje akumulator.

Pojazdy z ogniwami paliwowymi są potencjalnie tak samo wydajne jak samochód na baterie, który jest ładowany z elektrowni, która nie wykorzystuje paliw kopalnych. Jednak osiągnięcie tego potencjału w praktyczny i niedrogi sposób może być trudne.

Dlaczego warto korzystać z ogniw paliwowych?

Głównym powodem jest wszystko związane z ropą naftową. Ameryka powinna importować prawie 60 procent swojej ropy. Oczekuje się, że do 2025 r. Import wzrośnie do 68%. Dwie trzecie ropy naftowej Amerykanie zużywają codziennie do transportu. Nawet gdyby każdy samochód na ulicy był samochodem hybrydowym, do 2025 r. Stany Zjednoczone nadal musiałyby zużywać taką samą ilość oleju, jaką Amerykanie zużyli w 2000 r. W rzeczywistości Ameryka zużywa jedną czwartą światowej ropy naftowej, chociaż mieszka tu tylko 4,6% światowej populacji.

Eksperci spodziewają się, że ceny ropy będą nadal rosły w ciągu kilku następnych dziesięcioleci ze względu na wyczerpywanie się tańszych źródeł. Firmy naftowe muszą rozwijać pola naftowe w coraz trudniejszych warunkach, co spowoduje wzrost cen ropy.

Obawy wykraczają daleko poza bezpieczeństwo ekonomiczne. Wiele dochodów ze sprzedaży ropy wydaje się na wspieranie międzynarodowego terroryzmu, radykalnych partii politycznych i niestabilnej sytuacji w regionach wydobywających ropę.

Wykorzystywanie ropy naftowej i innych paliw kopalnych do wytwarzania energii powoduje zanieczyszczenie. Dla wszystkich najlepiej jest znaleźć alternatywę - spalanie paliw kopalnych na energię.

Ogniwa paliwowe są atrakcyjną alternatywą dla uzależnienia od oleju. Ogniwa paliwowe zamiast zanieczyszczeń wytwarzają czystą wodę jako produkt uboczny. Podczas gdy inżynierowie tymczasowo skupili się na produkcji wodoru z różnych źródeł kopalnych, takich jak benzyna lub gaz ziemny, badane są odnawialne, przyjazne dla środowiska sposoby produkcji wodoru w przyszłości. Najbardziej obiecujący będzie oczywiście proces produkcji wodoru z wody

Zależność od ropy naftowej i globalne ocieplenie to problem międzynarodowy. Kilka krajów jest wspólnie zaangażowanych w rozwój badań i rozwoju technologii ogniw paliwowych.

Oczywiście naukowcy i producenci muszą ciężko pracować, zanim ogniwa paliwowe staną się alternatywą dla nowoczesnych metod produkcji energii. A jednak, przy wsparciu światowej i globalnej współpracy, opłacalny system energetyczny oparty na ogniwach paliwowych może stać się rzeczywistością w ciągu kilku dekad.

KOMÓRKA PALIWA
  generator elektrochemiczny, urządzenie zapewniające bezpośrednią konwersję energii chemicznej na energię elektryczną. Chociaż to samo dzieje się w akumulatorach elektrycznych, ogniwa paliwowe mają dwie ważne różnice: 1) działają tak długo, jak długo paliwo i utleniacz pochodzą ze źródła zewnętrznego; 2) skład chemiczny elektrolitu nie zmienia się podczas pracy, tj. ogniwo paliwowe nie wymaga ładowania.
Zobacz także  ZASILANIE AKUMULATORA.
Zasada działania  Ogniwo paliwowe (ryc. 1) składa się z dwóch elektrod oddzielonych elektrolitem i układów do dostarczania paliwa do jednej elektrody i środka utleniającego do drugiej, a także układu do usuwania produktów reakcji. W większości przypadków stosuje się katalizatory w celu przyspieszenia reakcji chemicznej. Zewnętrzny obwód elektryczny ogniwa paliwowego jest podłączony do obciążenia, które zużywa energię elektryczną.

  Na zdjęciu na ryc. W ogniwie paliwowym z kwaśnym elektrolitem wodór jest dostarczany przez pustą anodę i wchodzi do elektrolitu przez bardzo małe pory w materiale elektrody. W tym przypadku cząsteczki wodoru rozkładają się na atomy, które w wyniku chemisorpcji, z których każda daje jeden elektron, 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 i również reaguje na powierzchni elektrody z udziałem katalizatora. Po połączeniu z jonami wodoru i elektronami pochodzącymi z obwodu zewnętrznego powstaje woda:

W alkalicznych ogniwach paliwowych elektrolitowych (zwykle stężonych wodorotlenkach sodu lub potasu) zachodzą podobne reakcje chemiczne. Wodór przechodzi przez anodę i reaguje w obecności katalizatora z jonami hydroksylowymi (OH-) w elektrolicie, tworząc wodę i elektron:

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

Przepływ elektronów i jonów utrzymuje równowagę ładunku i materii w elektrolicie. Woda powstająca w wyniku reakcji częściowo rozcieńcza elektrolit. W dowolnym ogniwie paliwowym część energii reakcji chemicznej zamienia się w ciepło. Przepływ elektronów w obwodzie zewnętrznym jest prądem stałym, który służy do wykonywania pracy. Większość reakcji w ogniwach paliwowych zapewnia emf około 1 V. Otwarcie obwodu lub zatrzymanie ruchu jonów powoduje zatrzymanie ogniwa paliwowego. Proces zachodzący w ogniwie paliwowym wodorowo-tlenowym jest z natury przeciwny do znanego procesu elektrolizy, w którym dysocjacja wody zachodzi, gdy prąd elektryczny przepływa przez elektrolit. Rzeczywiście, w niektórych typach ogniw paliwowych proces ten można odwrócić - przykładając napięcie do elektrod, możliwe jest rozkładanie wody na wodór i tlen, które mogą być gromadzone na elektrodach. Jeśli przestaniesz ładować ogniwo i podłączysz do niego ładunek, takie regeneracyjne ogniwo paliwowe natychmiast zacznie działać w normalnym trybie. Teoretycznie wymiary ogniwa paliwowego mogą być dowolnie duże. Jednak w praktyce kilka elementów łączy się w małe moduły lub baterie, które są połączone szeregowo lub równolegle.
Rodzaje ogniw paliwowych.  Istnieją różne rodzaje ogniw paliwowych. Można je na przykład sklasyfikować według stosowanego paliwa, ciśnienia roboczego i temperatury, zgodnie z charakterem zastosowania.
Pierwiastki na paliwie wodorowym. W typowym ogniwie opisanym powyżej wodór i tlen są przenoszone do elektrolitu za pomocą mikroporowatych elektrod węglowych lub metalowych. Wysoką gęstość prądu osiąga się w elementach pracujących w podwyższonej temperaturze (około 250 ° C) i pod wysokim ciśnieniem. Pierwiastki wykorzystujące paliwo wodorowe uzyskiwane w wyniku przetwarzania paliw węglowodorowych, takie jak gaz ziemny lub produkty naftowe, prawdopodobnie znajdą najpowszechniejsze zastosowanie komercyjne. Łącząc dużą liczbę elementów, możesz tworzyć potężne elektrownie. W tych instalacjach prąd stały generowany przez elementy zamieniany jest na prąd przemienny o standardowych parametrach. Nowym rodzajem pierwiastków zdolnych do działania na wodór i tlen w normalnej temperaturze i ciśnieniu są pierwiastki z membranami jonowymiennymi (ryc. 2). W tych ogniwach zamiast ciekłego elektrolitu między elektrodami znajduje się membrana polimerowa, przez którą jony swobodnie przechodzą. W takich elementach można stosować powietrze wraz z tlenem. Woda powstająca podczas pracy ogniwa nie rozpuszcza stałego elektrolitu i można go łatwo usunąć.

Encyklopedia Collier. - Otwarte społeczeństwo. 2000 .

Zobacz, co to jest „ELEMENT PALIWA” w innych słownikach:

ELEMENT PALIWOWY, ELEMENT ELEKTROCHEMICZNY do bezpośredniego przetwarzania energii utleniania paliwa w energię elektryczną. W związku z tym zaprojektowane elektrody są zanurzone w ELECTROLYT, a paliwo (na przykład wodór) jest dostarczane do jednego ... Naukowy i techniczny słownik encyklopedyczny

Ogniwo galwaniczne, w którym reakcja redoks jest podtrzymywana przez ciągłe dostarczanie odczynników (paliwa, np. Wodoru i utleniacza, np. Tlenu) ze specjalnych zbiorników. Najważniejszy element ... ... Big Encyclopedic Dictionary

ogniwo paliwowe  - Pierwotny element, w którym energia elektryczna jest wytwarzana w wyniku reakcji elektrochemicznych między substancjami czynnymi, które w sposób ciągły wchodzą do elektrod z zewnątrz. [GOST 15596 82] EN ogniwo paliwowe, które może zmienić energię chemiczną z ... ... Dokumentacja techniczna tłumacza

Ogniwo paliwowe z bezpośrednim metanolem Ogniwo paliwowe jest urządzeniem elektrochemicznym podobnym do ogniwa galwanicznego, ale różni się od niego ... Wikipedia

Elektronika mobilna co roku, jeśli nie miesiąc, staje się coraz bardziej dostępna i rozpowszechniona. Tutaj masz laptopy i urządzenia PDA, aparaty cyfrowe i telefony komórkowe oraz mnóstwo różnego rodzaju przydatnych, a nie takich urządzeń. Wszystkie te urządzenia stale zdobywają nowe funkcje, mocniejsze procesory, duże kolorowe ekrany, komunikację bezprzewodową, a jednocześnie zmniejszają się. Ale w przeciwieństwie do technologii półprzewodnikowych, technologie energetyczne całej tej mobilnej menażerii nie przeskakują.

Konwencjonalne akumulatory i akumulatory zdecydowanie nie wystarczą, aby zasilić najnowsze osiągnięcia w branży elektronicznej przez dłuższy czas. Bez niezawodnych i pojemnych akumulatorów utracone zostaje całe znaczenie mobilności i bezprzewodowości. Dlatego branża komputerowa pracuje coraz aktywniej nad tym problemem alternatywne źródła zasilania. I najbardziej obiecujący jest dzisiaj kierunek ogniwa paliwowe.

Podstawową zasadę działania ogniw paliwowych odkrył brytyjski naukowiec Sir William Grove w 1839 r. Jest znany jako ojciec ogniwa paliwowego. William Grove wytwarzał energię elektryczną poprzez zamianę na ekstrakcję wodoru i tlenu. Po odłączeniu akumulatora od ogniwa elektrolitycznego Grove z zaskoczeniem stwierdził, że elektrody zaczęły absorbować uwolniony gaz i generować prąd. Otwarcie procesu elektrochemiczne zimne spalanie wodoru  wydarzenie w sektorze energetycznym zyskało na znaczeniu, aw przyszłości tak znani elektrochemicy jak Ostwald i Nernst odegrali dużą rolę w rozwoju podstaw teoretycznych i praktycznej realizacji ogniw paliwowych i przewidzieli dla nich wspaniałą przyszłość.

Sam termin „ogniwo paliwowe” (ogniwo paliwowe)  pojawił się później - zaproponował go w 1889 r. Ludwig Mond i Charles Langer, którzy próbowali stworzyć urządzenie do generowania energii elektrycznej z powietrza i gazu węglowego.

Podczas normalnego spalania tlen utlenia paliwa kopalne, a energia chemiczna paliwa jest nieefektywnie przekształcana w ciepło. Okazało się jednak, że można przeprowadzić reakcję utleniania, na przykład wodór z tlenem, w ośrodku elektrolitycznym i w obecności elektrod w celu uzyskania prądu elektrycznego. Na przykład, dostarczając wodór do elektrody znajdującej się w środowisku alkalicznym, otrzymujemy elektrony:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

które przechodząc przez obwód zewnętrzny, idą do przeciwnej elektrody, do której wchodzi tlen i gdzie zachodzi reakcja: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

Można zauważyć, że wynikowa reakcja 2H2 + O2 → H2O jest taka sama jak podczas normalnego spalania, ale w ogniwie paliwowym lub w inny sposób w generator elektrochemiczny, okazuje się, że prąd elektryczny ma wysoką sprawność i częściowo ciepło. Należy pamiętać, że węgiel, tlenek węgla, alkohole, hydrazyna i inne substancje organiczne mogą być również stosowane jako paliwo w ogniwach paliwowych, a powietrze, nadtlenek wodoru, chlor, brom, kwas azotowy itp. Mogą być stosowane jako środki utleniające.

Rozwój ogniw paliwowych trwał energicznie zarówno za granicą, jak i w Rosji, a następnie w ZSRR. Wśród naukowców, którzy wnieśli duży wkład w badania nad ogniwami paliwowymi, wymieniamy V. Zhako, P. Yablochkov, F. Bacon, E. Bauer, E. Justi, K. Cordes. W połowie ubiegłego wieku rozpoczął się nowy atak na problemy z ogniwami paliwowymi. Wynika to częściowo z pojawienia się nowych pomysłów, materiałów i technologii w wyniku badań w dziedzinie obronności.

Jednym z naukowców, który zrobił duży krok w rozwoju ogniw paliwowych, był P. M. Spiridonov. Elementy wodórowo-tlenowe Spiridonowa  dał gęstość prądu 30 mA / cm2, co przez ten czas było uważane za wielkie osiągnięcie. W latach czterdziestych O. Davtyan stworzył instalację do elektrochemicznego spalania gazu generatorowego uzyskanego przez zgazowanie węgla. Z każdym metrem sześciennym objętości elementu Davtyan otrzymał 5 kW mocy.

Tak było pierwsze ogniwo paliwowe z elektrolitem stałym. Miał wysoką wydajność, ale z czasem elektrolit stał się bezużyteczny i trzeba go było wymienić. Następnie, pod koniec lat pięćdziesiątych, Davtyan stworzył potężną instalację napędzającą ciągnik. W tych samych latach angielski inżynier T. Bacon zaprojektował i zbudował akumulator ogniw paliwowych o łącznej pojemności 6 kW i wydajności 80%, działający na czystym wodorze i tlenie, ale stosunek mocy do ciężaru akumulatora był zbyt mały - takie elementy były nieodpowiednie do praktycznego zastosowania i zbyt drodzy.

W kolejnych latach minął czas samotników. Twórcy statku kosmicznego zainteresowali się ogniwami paliwowymi. Od połowy lat 60. w badania nad ogniwami paliwowymi zainwestowano miliony dolarów. Praca tysięcy naukowców i inżynierów pozwoliła osiągnąć nowy poziom, aw 1965 roku. ogniwa paliwowe zostały przetestowane w Stanach Zjednoczonych na statku kosmicznym Gemini 5, a następnie na statkach Apollo pod kątem lotów na Księżyc i w ramach programu Shuttle.

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

Kolejny etap szybkiego rozwoju ogniw paliwowych rozpoczął się w latach 90. w zeszłym wieku i trwa teraz. Jest to spowodowane potrzebą nowych wydajnych źródeł energii, z jednej strony z powodu globalnego problemu środowiskowego związanego z rosnącą emisją gazów cieplarnianych ze spalania paliw kopalnych, az drugiej strony zubożeniem takich paliw. Ponieważ woda jest końcowym produktem spalania wodoru w ogniwie paliwowym, są one uważane za najczystsze z punktu widzenia wpływu na środowisko. Głównym problemem jest jedynie znalezienie skutecznego i niedrogiego sposobu wytwarzania wodoru.

Miliardy inwestycji finansowych w rozwój ogniw paliwowych i generatorów wodoru powinny doprowadzić do przełomu technologicznego i sprawić, by ich wykorzystanie w życiu codziennym stało się rzeczywistością: w telefonach komórkowych, samochodach, elektrowniach. Już teraz giganci motoryzacyjni, tacy jak Ballard, Honda, Daimler Chrysler, General Motors, demonstrują samochody i autobusy zasilane ogniwami paliwowymi o mocy 50 kW. Rozwinęło się wiele firm elektrownie ogniw paliwowych na paliwo stałe instalacje demonstracyjne do 500 kW. Jednak pomimo znaczącego przełomu w poprawie wydajności ogniw paliwowych wciąż pozostaje wiele problemów związanych z ich kosztami, niezawodnością i bezpieczeństwem.

W ogniwie paliwowym, w przeciwieństwie do akumulatorów 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 zawsze. Piękno tej technologii polega na tym, że w rzeczywistości element pali paliwo i bezpośrednio przekształca uwolnioną energię w elektryczność. Przy bezpośrednim spalaniu paliwo jest utleniane przez tlen, a ciepło wytwarzane w tym procesie jest wykorzystywane do wykonania użytecznej pracy.

W ogniwie paliwowym, podobnie jak w akumulatorach, reakcje utleniania paliwa i redukcji tlenu są rozdzielone przestrzennie, a proces „spalania” przebiega tylko wtedy, gdy ogniwo oddaje prąd do obciążenia. To jest jak generator oleju napędowego, tylko bez oleju napędowego i generatora. A także bez dymu, hałasu, przegrzania i ze znacznie większą wydajnością. To ostatnie tłumaczy się tym, że po pierwsze nie ma pośrednich urządzeń mechanicznych, a po drugie ogniwo paliwowe nie jest silnikiem cieplnym, a zatem nie jest zgodne z prawem Carnota (to znaczy o jego wydajności nie decyduje różnica temperatur).

Tlen jest stosowany jako czynnik utleniający w ogniwach paliwowych. Co więcej, ponieważ tlen wystarcza w powietrzu, nie trzeba martwić się o dostawy środka utleniającego. Jeśli chodzi o paliwo, jest to wodór. Tak więc reakcja zachodzi w ogniwie paliwowym:

2H2 + O2 → 2H2O + prąd + ciepło.

Rezultatem jest użyteczna energia i para wodna. Najprostszy w swojej konstrukcji jest ogniwo paliwowe z membraną wymiany protonów (patrz rysunek 1). Działa w następujący sposób: wodór wchodzący do elementu rozkłada się pod działaniem katalizatora na elektrony i dodatnio naładowane jony wodoru H +. W grę wchodzi specjalna membrana, działająca tutaj jako elektrolit w konwencjonalnej baterii. Ze względu na swój skład chemiczny przepuszcza przez siebie protony, ale zatrzymuje elektrony. Tak więc elektrony zgromadzone na anodzie wytwarzają nadmiar ładunku ujemnego, a jony wodoru wytwarzają ładunek dodatni na katodzie (napięcie na elemencie wynosi około 1V).

Aby wytworzyć dużą moc, ogniwo paliwowe składa się z wielu ogniw. Jeśli włączysz element do ładunku, elektrony przepłyną przez niego do katody, wytwarzając prąd i kończąc proces utleniania wodoru za pomocą tlenu. Jako katalizator w takich ogniwach paliwowych zwykle stosuje się platynowe mikrocząstki osadzone na włóknie węglowym. Ze względu na swoją budowę taki katalizator dobrze przepuszcza gaz i energię elektryczną. Membrana jest zazwyczaj wykonana z polimeru Nafion zawierającego siarkę. Grubość membrany jest równa dziesiątym części milimetra. Oczywiście podczas reakcji uwalniane jest również ciepło, ale nie jest to tak duże, że temperatura robocza jest utrzymywana w zakresie 40-80 ° C.

Ryc.1. Zasada działania ogniwa paliwowego

Istnieją inne rodzaje ogniw paliwowych, różniących się głównie rodzajem zastosowanego elektrolitu. Prawie wszystkie z nich wymagają wodoru jako paliwa, więc powstaje logiczne pytanie: gdzie go zdobyć. Oczywiście byłoby możliwe użycie sprężonego wodoru z butli, ale natychmiast pojawiają się problemy związane z transportem i magazynowaniem tego wysoce łatwopalnego gazu pod wysokim ciśnieniem. Oczywiście można stosować wodór w postaci związanej, jak w akumulatorach metalowo-wodorkowych. Nadal jednak pozostaje zadanie jego wydobycia i transportu, ponieważ infrastruktura stacji paliw wodorowych nie istnieje.

Istnieje jednak również rozwiązanie - ciekłe paliwo węglowodorowe może być stosowane jako źródło wodoru. Na przykład alkohol etylowy lub metylowy. To prawda, że \u200b\u200bwymagane jest już specjalne dodatkowe urządzenie - konwerter paliwa, który przekształca alkohole w mieszaninę gazowego H2 i CO2 w wysokiej temperaturze (dla metanolu będzie to około 240 ° C). Ale w tym przypadku już trudniej jest myśleć o przenośności - takie urządzenia są dobrze używane jako stacjonarne lub, ale w przypadku kompaktowego sprzętu mobilnego potrzebujesz czegoś mniej uciążliwego.

I tutaj dochodzimy do tego urządzenia, którego rozwój prawie wszyscy najwięksi producenci elektroniki angażują się ze straszliwą siłą - ogniwo paliwowe z metanolu  (rysunek 2).

Ryc. 2. Zasada działania ogniwa paliwowego na metanolu

Podstawową różnicą między wodorem a metanolem w elementach wypełniających jest zastosowany katalizator. Katalizator w ogniwie paliwowym metanolu umożliwia usuwanie protonów bezpośrednio z cząsteczki alkoholu. W ten sposób rozwiązano problem paliwa - alkohol metylowy jest produkowany masowo dla przemysłu chemicznego, łatwo go przechowywać i transportować, a do ładowania ogniwa paliwowego metanolowego wystarczy po prostu wymienić wkład na paliwo. To prawda, że \u200b\u200bjest jeden znaczący minus - metanol jest toksyczny. Ponadto wydajność ogniwa paliwowego z metanolu jest znacznie niższa niż ogniwa wodorowego.

Ryc. 3. Ogniwo paliwowe metanolowe

Najbardziej kuszącą opcją jest stosowanie alkoholu etylowego jako paliwa, ponieważ produkcja i dystrybucja napojów alkoholowych o dowolnym składzie i mocy jest dobrze znana na całym świecie. Jednak wydajność ogniw paliwowych z etanolem jest niestety nawet niższa niż w przypadku metanolu.

Jak już zauważono przez wiele lat rozwoju w dziedzinie ogniw paliwowych, zbudowano różne rodzaje ogniw paliwowych. Ogniwa paliwowe są klasyfikowane według elektrolitu i rodzaju paliwa.

1. Stały polimerowy elektrolit wodór-tlen.

2. Stałe ogniwa paliwowe z metanolu i metanolu.

3. Pierwiastki na elektrolicie alkalicznym.

4. Ogniwa paliwowe z kwasem fosforowym.

5. Ogniwa paliwowe na stopionych węglanach.

6. Ogniwa paliwowe z tlenkiem stałym.

Idealnie sprawność ogniw paliwowych jest bardzo wysoka, ale w rzeczywistych warunkach występują straty związane z procesami nierównowagowymi, takie jak straty omowe z powodu przewodnictwa elektrolitu i elektrod, polaryzacja aktywacji i koncentracji, straty dyfuzyjne. W rezultacie część energii wytwarzanej w ogniwach paliwowych zamienia się w ciepło. Wysiłki specjalistów mają na celu zmniejszenie tych strat.

Głównym źródłem strat omowych, a także przyczyną wysokiej ceny ogniw paliwowych, są perfluorowane membrany sulfokonowymienno-jonowe. Teraz szukamy alternatywnych, tańszych polimerów przewodzących protony. Ponieważ przewodnictwo tych membran (elektrolitów stałych) osiąga dopuszczalną wartość (10 Ohm / cm) tylko w obecności wody, gazy dostarczane do ogniwa paliwowego muszą być dodatkowo zwilżone w specjalnym urządzeniu, co również powoduje, że system jest droższy. W katalitycznych elektrodach dyfuzyjnych stosuje się głównie platynę i niektóre inne metale szlachetne, a jak dotąd nie znaleziono ich zamiennika. Chociaż zawartość platyny w ogniwach paliwowych wynosi kilka mg / cm2, w przypadku dużych akumulatorów jej ilość sięga dziesiątek gramów.

Podczas projektowania ogniw paliwowych wiele uwagi poświęca się systemowi odprowadzania ciepła, ponieważ przy wysokich gęstościach prądu (do 1 A / cm2) układ sam się nagrzewa. Do chłodzenia stosuje się wodę krążącą w ogniwie paliwowym przez specjalne kanały, a przy niskich wydajnościach stosuje się nadmuch powietrza.

Oprócz samego akumulatora ogniwa paliwowego nowoczesny system generatora elektrochemicznego „rośnie” wraz z wieloma urządzeniami pomocniczymi, takimi jak: pompy, sprężarka do zasilania powietrzem, wlot wodoru, nawilżacz gazu, jednostka chłodząca, system kontroli wycieków gazu, przetwornica prądu stałego na prąd przemienny, procesor sterujący itd. Wszystko to prowadzi do tego, że koszt systemu ogniw paliwowych w latach 2004-2005 wynosił 2-3 tysiące USD / kW. Według ekspertów ogniwa paliwowe będą dostępne do użytku w transporcie i elektrowniach stacjonarnych w cenie 50-100 $ / kW.

Aby wprowadzić ogniwa paliwowe w codziennym życiu, wraz z tańszymi komponentami, należy oczekiwać nowych oryginalnych pomysłów i podejść. W szczególności duże nadzieje wiążą się ze stosowaniem nanomateriałów i nanotechnologii. Na przykład ostatnio kilka firm ogłosiło utworzenie super wydajnych katalizatorów, w szczególności elektrody tlenowej opartej na skupiskach nanocząstek różnych metali. Ponadto pojawiły się doniesienia o konstrukcji pozbawionych membrany ogniw paliwowych, w których płynne paliwo (takie jak metanol) jest dostarczane do ogniwa paliwowego wraz ze środkiem utleniającym. Ciekawą koncepcją jest także rozwinięta koncepcja elementów biopaliw działających w zanieczyszczonych wodach i zużywających rozpuszczony tlen jako czynnik utleniający oraz zanieczyszczenia organiczne jako paliwo.

Według ekspertów ogniwa paliwowe wejdą na rynek masowy w nadchodzących latach. Rzeczywiście, programiści pokonują problemy techniczne jeden po drugim, informują o sukcesach i prezentują prototypy ogniw paliwowych. Na przykład Toshiba zademonstrowała gotowy prototyp ogniwa paliwowego z metanolu. Ma wymiary 22 x 56 x 4,5 mm i daje moc rzędu 100 mW. Jedno tankowanie w 2 kostkach stężonego (99,5%) metanolu wystarcza na 20 godzin pracy odtwarzacza MP3. Toshiba wydała komercyjne ogniwo paliwowe do zasilania telefonów komórkowych. Ponownie ten sam Toshiba zademonstrował element do zasilania laptopów o wymiarach 275 x 75 x 40 mm, umożliwiając komputerowi pracę przez 5 godzin od jednego tankowania.

Inna japońska firma Fujitsu nie jest daleko w tyle za Toshibą. W 2004 r. Wprowadziła również pierwiastek działający na 30% wodny roztwór metanolu. Ogniwo paliwowe pracowało przy jednym tankowaniu w 300 ml przez 10 godzin i jednocześnie dawało moc 15 watów.

Casio opracowuje ogniwo paliwowe, w którym metanol jest najpierw przetwarzany na mieszaninę gazowego H2 i CO2 w miniaturowym konwertorze paliwa, a następnie wprowadzany do ogniwa paliwowego. Podczas demonstracji prototyp Casio zasilał laptopa przez 20 godzin.

Samsung odnotowano również w dziedzinie ogniw paliwowych - w 2004 r. Zademonstrował prototyp 12 W przeznaczony do zasilania laptopa. Ogólnie rzecz biorąc, Samsung spodziewa się używać ogniw paliwowych, przede wszystkim w smartfonach czwartej generacji.

Muszę powiedzieć, że japońskie firmy zasadniczo bardzo dokładnie podeszły do \u200b\u200brozwoju ogniw paliwowych. W 2003 r. Firmy takie jak Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony i Toshiba połączyły siły, aby opracować wspólny standard ogniw paliwowych dla laptopów, telefonów komórkowych, urządzeń PDA i innych urządzeń elektronicznych. Amerykańskie firmy, które są również liczne na tym rynku, pracują głównie na podstawie umów z wojskiem i opracowują ogniwa paliwowe dla elektryfikujących amerykańskich żołnierzy.

Niemcy nie są daleko w tyle - Smart Fuel Cell sprzedaje ogniwa paliwowe do zasilania biura mobilnego. Urządzenie nosi nazwę Smart Fuel Cell C25, ma wymiary 150 x 112 x 65 mm i może wytwarzać do 140 watów godzin na jednej stacji benzynowej. To wystarczy, aby zasilić laptopa przez około 7 godzin. Następnie kasetę można wymienić i można kontynuować pracę. Rozmiar kartridża z metanolem wynosi 99 x 63 x 27 mm i waży 150 g. Sam system waży 1,1 kg, więc w ogóle nie można go nazwać przenośnym, ale wciąż jest to kompletne i wygodne urządzenie. Firma opracowuje również moduł paliwowy do zasilania profesjonalnych kamer wideo.

Ogólnie rzecz biorąc, ogniwa paliwowe prawie weszły na rynek elektroniki mobilnej. Producenci muszą rozwiązać najnowsze problemy techniczne 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 oddać - dlatego stale opracowywane są nowe katalizatory i elektrody, które przy małych rozmiarach pozwalają zmaksymalizować powierzchnię roboczą. W tym momencie przydają się najnowsze osiągnięcia w dziedzinie nanotechnologii i nanomateriałów (na przykład nanorurki). Ponownie, aby zminiaturyzować wiązanie elementów (pompy paliwowe i wodne, systemy chłodzenia i konwersje paliwowe), coraz częściej stosuje się postępy mikroelektromechaniczne.

Drugim ważnym problemem, który należy rozwiązać, jest cena. Rzeczywiście, jako katalizator w większości ogniw paliwowych stosuje się bardzo drogą platynę. Ponownie niektórzy producenci starają się w pełni wykorzystać już dobrze opracowaną technologię krzemową.

Jeśli chodzi o inne obszary zastosowania ogniw paliwowych, ogniwa paliwowe są już tam dobrze ugruntowane, chociaż nie stały się jeszcze głównym nurtem w sektorze energetycznym ani w transporcie. Już wielu producentów samochodów zaprezentowało swoje samochody koncepcyjne zasilane ogniwami paliwowymi. W kilku miastach na całym świecie kursują autobusy z ogniwami paliwowymi. Canadian Ballard Power Systems produkuje szereg generatorów stacjonarnych o mocy od 1 do 250 kW. Jednocześnie generatory kilowatowe są zaprojektowane do natychmiastowego zaopatrzenia jednego mieszkania w energię elektryczną, ciepło i ciepłą wodę.

Ostatnio temat ogniw paliwowych na ustach wszystkich. I nie jest to zaskakujące, ponieważ wraz z pojawieniem się tej technologii w świecie elektroniki zyskała nowe życie. Światowi liderzy w dziedzinie mikroelektroniki wyścigowej przedstawiają prototypy swoich przyszłych produktów, w których zintegrowane będą ich własne mini-elektrownie. Powinno to z jednej strony osłabić połączenie urządzeń mobilnych z „gniazdem”, az drugiej strony wydłużyć żywotność baterii.

Ponadto niektóre z nich działają na bazie etanolu, więc rozwój tych technologii przynosi bezpośrednie korzyści producentom napojów alkoholowych - po kilkunastu latach linie od specjalistów IT, którzy stoją za kolejną „dawką” swojego laptopa, staną w kolejce do przemysłu winiarskiego.

Nie możemy trzymać się z dala od „gorączki” ogniw paliwowych, która ogarnęła przemysł Hi-Tech, i staramy się dowiedzieć, jakiego rodzaju bestią jest ta technologia, co zje, kiedy spodziewa się jej przybycia do „publicznej gastronomii”. W tym materiale rozważymy ścieżkę przebytą przez ogniwa paliwowe od momentu odkrycia tej technologii do dnia dzisiejszego. A także spróbuj ocenić perspektywy ich wdrożenia i rozwoju w przyszłości.

Jak było

Po raz pierwszy zasadę działania ogniwa paliwowego opisał w 1838 roku Christian Friedrich Schonbein, a rok później czasopismo Philosophical Journal opublikowało swój artykuł na ten temat. Były to jednak tylko badania teoretyczne. Pierwsze aktywne ogniwo paliwowe zostało wydane w 1843 r. W laboratorium naukowca pochodzenia Vali, Sir Williama Grove'a. Kiedy został stworzony, wynalazca zastosował materiały podobne do stosowanych w nowoczesnych bateriach kwasu fosforowego. Następnie ogniwo paliwowe Sir Grove zostało ulepszone przez W. Thomasa Gruba. W 1955 r. Ten chemik, który pracował dla legendarnej firmy General Electric, zastosował membranę jonowymienną z sulfonowanego polistyrenu jako elektrolit w ogniwie paliwowym. Zaledwie trzy lata później jego współpracownik Leonard Niedrach zaproponował technologię układania platyny na membranie, która działała jako katalizator w procesie utleniania wodoru i absorpcji tlenu.

„Ojciec” ogniw paliwowych Christian Schönbein

Zasady te stanowiły podstawę nowej generacji ogniw paliwowych, zwanych elementami Grubb-Nidrah na cześć ich twórców. General Electric kontynuował rozwój w tym kierunku, w którym przy pomocy NASA i giganta lotniczego McDonnell Aircraft powstało pierwsze komercyjne ogniwo paliwowe. Nowa technologia została zauważona za granicą. Już w 1959 r. Brytyjczyk Francis Thomas Bacon wprowadził stacjonarne ogniwo paliwowe o mocy 5 kW. Jego opatentowane projekty zostały następnie licencjonowane przez Amerykanów i wykorzystane w statku kosmicznym NASA do zaopatrzenia w energię i wodę pitną. W tym samym roku amerykański Amerykanin Harry Ihrig zbudował pierwszy ciągnik z ogniwami paliwowymi (łączna moc 15 kW). Wodorotlenek potasu zastosowano jako elektrolit w akumulatorach, a sprężony wodór i tlen zastosowano jako odczynniki.

Po raz pierwszy firma UTC Power, która oferowała systemy zasilania awaryjnego dla szpitali, uniwersytetów i centrów biznesowych, umieściła produkcję stacjonarnych ogniw paliwowych do celów komercyjnych w „strumieniu”. Ta firma, która jest światowym liderem w tej dziedzinie, wciąż wytwarza takie rozwiązania o mocy do 200 kW. Jest także głównym dostawcą ogniw paliwowych dla NASA. Jej produkty były szeroko stosowane podczas programu kosmicznego Apollo i nadal są poszukiwane w ramach programu Space Shuttle. UTC Power oferuje również „konsumenckie” ogniwa paliwowe, które są szeroko stosowane w pojazdach. Jako pierwsza stworzyła ogniwo paliwowe, które umożliwia generowanie prądu w niskich temperaturach dzięki zastosowaniu membrany do wymiany protonów.

Jak to działa

Naukowcy eksperymentowali z różnymi substancjami jako odczynnikami. Jednak podstawowe zasady działania ogniw paliwowych, pomimo znacznie różnych charakterystyk operacyjnych, pozostają niezmienione. Każde ogniwo paliwowe jest urządzeniem do elektrochemicznej konwersji energii. Wytwarza energię elektryczną z pewnej ilości paliwa (od strony anody) i utleniacza (od strony katody). Reakcja przebiega w obecności elektrolitu (substancji zawierającej wolne jony i zachowującej się jak ośrodek przewodzący prąd elektryczny). Zasadniczo w każdym takim urządzeniu wchodzą pewne odczynniki i produkty ich reakcji, które są usuwane po reakcji elektrochemicznej. Elektrolit w tym przypadku służy jedynie jako medium do interakcji odczynników i nie zmienia się w ogniwie paliwowym. W oparciu o taki schemat idealne ogniwo paliwowe powinno działać, dopóki istnieje zapas substancji niezbędnych do reakcji.

Ogniw paliwowych nie należy mylić z konwencjonalnymi akumulatorami. W pierwszym przypadku do produkcji energii elektrycznej zużywa się pewne „paliwo”, które następnie trzeba zatankować. W przypadku ogniw galwanicznych energia elektryczna jest magazynowana w zamkniętym układzie chemicznym. W przypadku akumulatorów zasilanie prądem umożliwia przeprowadzenie odwrotnej reakcji elektrochemicznej i przywrócenie odczynników do pierwotnego stanu (tj. Naładowanie). Możliwe są różne kombinacje paliwa i utleniacza. Na przykład w wodorowym ogniwie paliwowym jako reagenty stosuje się wodór i tlen (środek utleniający). Węglowodany i alkohole są często stosowane jako paliwo, a powietrze, chlor i dwutlenek chloru działają jak utleniacze.

Reakcja katalizy zachodząca w ogniwie paliwowym wyrzuca elektrony i protony z paliwa, a poruszające się elektrony tworzą prąd elektryczny. W roli katalizatora, który przyspiesza reakcję, w ogniwach paliwowych zwykle stosuje się platynę lub jej stopy. Kolejny proces katalityczny zwraca elektrony, łącząc je z protonami i utleniaczem, powodując powstawanie produktów reakcji (emisji). Zazwyczaj są to proste substancje: woda i dwutlenek węgla.

W tradycyjnym ogniwie paliwowym z membraną wymiany protonów (PEMFC) polimerowa membrana przewodząca protony oddziela boki anody i katody. Od strony katody wodór dyfunduje do katalizatora anodowego, gdzie następnie uwalniane są z niego elektrony i protony. Protony następnie przechodzą przez membranę do katody, a elektrony, niezdolne do podążania za protonami (membrana jest izolowana elektrycznie), są wysyłane wzdłuż zewnętrznego obwodu obciążenia (system zasilania). Po stronie katalizatora katodowego tlen reaguje z protonami, które przeszły przez membranę oraz z elektronami, które wchodzą do zewnętrznego obwodu obciążenia. W wyniku tej reakcji otrzymuje się wodę (w postaci pary lub cieczy). Na przykład produktami reakcji w ogniwach paliwowych wykorzystujących paliwa węglowodorowe (metanol, olej napędowy) są woda i dwutlenek węgla.

Ogniwa paliwowe prawie wszystkich typów cierpią na straty elektryczne spowodowane zarówno naturalną rezystancją styków i elementów ogniwa paliwowego, jak i przepięciem elektrycznym (dodatkowa energia niezbędna do początkowej reakcji). W niektórych przypadkach nie można całkowicie uniknąć tych strat, a czasami „skóra owcza nie jest warta świeczki”, jednak najczęściej można je zredukować do akceptowalnego minimum. Opcją rozwiązania tego problemu jest użycie zestawów tych urządzeń, w których ogniwa paliwowe, w zależności od wymagań dla systemu zasilania, mogą być połączone równolegle (wyższy prąd) lub szeregowo (wyższe napięcie).

Rodzaje ogniw paliwowych

Istnieje bardzo wiele rodzajów ogniw paliwowych, jednak postaramy się krótko omówić najczęstsze z nich.

Alkaliczne ogniwa paliwowe (AFC)

Alkaliczne lub alkaliczne ogniwa paliwowe, zwane także ogniwami boczkowymi na cześć brytyjskiego „ojca”, są jedną z najlepiej rozwiniętych technologii ogniw paliwowych. To właśnie te urządzenia pomogły człowiekowi postawić stopę na Księżycu. Ogólnie rzecz biorąc, NASA stosuje ogniwa tego typu od połowy lat 60. ubiegłego wieku. AFC zużywa wodór i czysty tlen, wytwarzając wodę pitną, ciepło i energię elektryczną. W dużej mierze ze względu na fakt, że technologia ta jest dobrze rozwinięta, ma jeden z najwyższych wskaźników wydajności wśród podobnych systemów (potencjalnie około 70%).

Ta technologia ma jednak swoje wady. Ze względu na specyfikę stosowania ciekłej substancji alkalicznej jako elektrolitu, który nie blokuje dwutlenku węgla, wodorotlenek potasu (jeden z wariantów zużytego elektrolitu) może reagować z tym składnikiem zwykłego powietrza. Rezultatem może być toksyczny związek węglanu potasu. Aby tego uniknąć, konieczne jest użycie czystego tlenu lub oczyszczenie powietrza z dwutlenku węgla. Oczywiście wpływa to na koszt takich urządzeń. Mimo to AFC są obecnie najtańszym ogniwem paliwowym w produkcji.

Bezpośrednie ogniwa paliwowe z borowodorku (DBFC)

Ten podtyp alkalicznych ogniw paliwowych wykorzystuje borowodorek sodu jako paliwo. Jednak w przeciwieństwie do konwencjonalnych AFC na bazie wodoru technologia ta ma jedną istotną zaletę - brak ryzyka wytwarzania toksycznych związków po kontakcie z dwutlenkiem węgla. Jednak produktem jego reakcji jest substancja boraksowa, która jest szeroko stosowana w detergentach i mydłach. Boraks jest stosunkowo nietoksyczny.

DBFC mogą być nawet tańsze niż tradycyjne ogniwa paliwowe, ponieważ nie wymagają drogich katalizatorów platynowych. Ponadto mają wyższą gęstość energii. Szacuje się, że produkcja kilograma borowodorku sodu kosztuje 50 USD, ale jeśli zorganizujesz jego masową produkcję i zorganizujesz przetwarzanie boraksu, ten pasek można zmniejszyć 50 razy.

Ogniwa paliwowe wodorkowe (MHFC)

Ta podklasa alkalicznych ogniw paliwowych jest aktywnie badana. Cechą tych urządzeń jest zdolność chemicznego magazynowania wodoru w ogniwie paliwowym. Bezpośrednie ogniwo paliwowe z borowodorku ma tę samą zdolność, ale w przeciwieństwie do niego, MHFC jest wypełniony czystym wodorem.

Wśród wyróżniających cech tych ogniw paliwowych są:

• zdolność do ładowania z energii elektrycznej;
• praca w niskich temperaturach - do -20 ° C;
• długi okres trwałości;
• szybki zimny start;
• możliwość pracy przez pewien czas bez zewnętrznego źródła wodoru (na czas wymiany paliwa)

Pomimo faktu, że wiele firm pracuje nad stworzeniem masowych MHFC, jak dotąd skuteczność prototypów nie jest wystarczająco wysoka w porównaniu z konkurencyjnymi technologiami. Jednym z najlepszych wskaźników gęstości prądu dla tych ogniw paliwowych jest 250 miliamperów na centymetr kwadratowy, podczas gdy konwencjonalne standardowe ogniwa paliwowe PEMFC zapewniają gęstość prądu 1 amper na centymetr kwadratowy.

Elektrolityczne ogniwa paliwowe (EGFC)

Reakcja chemiczna w EGFC zachodzi z udziałem wodorotlenku potasu i tlenu. Powoduje to wytworzenie prądu elektrycznego między anodą ołowiową a pozłacaną katodą. Napięcie wytwarzane przez elektrogalwaniczne ogniwo paliwowe jest wprost proporcjonalne do ilości tlenu. Ta funkcja pozwoliła na szerokie zastosowanie EGFC jako urządzenia do sprawdzania stężenia tlenu w narzędziach nurkowych i sprzęcie medycznym. Ale właśnie z powodu tej zależności ogniwa paliwowe na wodorotlenku potasu mają bardzo ograniczony okres skutecznego działania (podczas gdy stężenie tlenu jest wysokie).

Pierwsze certyfikowane monitory stężenia tlenu na EGFC stały się szeroko dostępne w 2005 roku, ale potem nie zyskały dużej popularności. Wydany dwa lata później znacząco zmodyfikowany model odniósł większy sukces, a nawet otrzymał nagrodę za „innowację” na specjalistycznej wystawie nurków na Florydzie. Obecnie korzystają z nich organizacje takie jak NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) i DDRC (Diving Diseases Research Center).

Ogniwa paliwowe z bezpośrednim kwasem mrówkowym (DFAFC)

Te ogniwa paliwowe są podtypem urządzeń kwasu mrówkowego z bezpośrednim zasilaniem PEMFC. Ze względu na swoje szczególne cechy ogniwa paliwowe mają w przyszłości duże szanse stać się głównym źródłem energii dla takich przenośnych urządzeń elektronicznych, jak laptopy, telefony komórkowe itp.

Podobnie jak metanol, kwas mrówkowy jest bezpośrednio wprowadzany do ogniwa paliwowego bez specjalnego etapu oczyszczania. Przechowywanie tej substancji jest również znacznie bezpieczniejsze niż, na przykład, wodór i nie jest konieczne zapewnienie żadnych szczególnych warunków przechowywania: kwas mrówkowy jest cieczą w normalnej temperaturze. Ponadto technologia ta ma dwie niezaprzeczalne zalety w stosunku do bezpośrednich ogniw paliwowych z metanolu. Po pierwsze, inaczej niż metanol, kwas mrówkowy nie przecieka przez membranę. Dlatego skuteczność DFAFC z definicji powinna być wyższa. Po drugie, w przypadku obniżenia ciśnienia kwas mrówkowy nie jest tak niebezpieczny (metanol może powodować ślepotę i śmierć przy dużych dawkach).

Co ciekawe, do niedawna wielu naukowców nie uważało tej technologii za praktyczną przyszłość. Powodem, który skłonił naukowców do „krzyżowania” kwasu mrówkowego przez wiele lat było wysokie przepięcie elektrochemiczne, które doprowadziło do znacznych strat elektrycznych. Jednak ostatnie eksperymenty wykazały, że przyczyną tej nieefektywności było zastosowanie platyny jako katalizatora, który tradycyjnie był szeroko stosowany do tych celów w ogniwach paliwowych. Po tym, jak naukowcy z University of Illinois przeprowadzili serię eksperymentów z innymi materiałami, okazało się, że jeśli jako katalizator zastosowano pallad, wydajność DFAFC była wyższa niż w przypadku równoważnych bezpośrednich ogniw paliwowych z metanolu. Obecnie prawa do tej technologii należą do amerykańskiej firmy Tekion, oferującej linię produktów Formira Power Pack do urządzeń mikroelektronicznych. Ten system to „dupleks” składający się z akumulatora i faktycznego ogniwa paliwowego. Po wyczerpaniu się odczynnika w ładowaniu wkładu akumulator po prostu zmienia go na nowy. W ten sposób staje się całkowicie niezależny od „ujścia”. Zgodnie z obietnicami producenta czas między ładowaniami podwoi się, ponieważ technologia będzie kosztować tylko 10-15% więcej niż zwykłe akumulatory. Jedyną poważną przeszkodą dla tej technologii może być to, że jest wspierana przez średnie przedsiębiorstwo i może być po prostu przytłoczona przez większych konkurentów reprezentujących ich technologie, które mogą być nawet gorsze od DFAFC na wiele sposobów.

Bezpośrednie ogniwa paliwowe z metanolu (DMFC)

Te ogniwa paliwowe są podgatunkiem urządzeń z membraną do wymiany protonów. Używają tankowania metanolu w ogniwie paliwowym bez dalszego oczyszczania. Jednocześnie alkohol metylowy jest znacznie łatwiejszy do przechowywania i nie jest wybuchowy (chociaż jest łatwopalny i może powodować ślepotę). W tym przypadku metanol ma znacznie wyższą pojemność energetyczną niż sprężony wodór.

Jednak ze względu na fakt, że metanol może przenikać przez membranę, wydajność DMFC w przypadku dużych ilości paliwa jest niewielka. I chociaż z tego powodu nie nadają się do transportu i dużych instalacji, urządzenia te doskonale nadają się do roli wymiany baterii w urządzeniach mobilnych.

Przetworzone ogniwa paliwowe z metanolu (RMFC)

Przetworzone ogniwa paliwowe z metanolu różnią się od DMFC tylko tym, że przekształcają metanol w wodór i dwutlenek węgla podczas poprzedniej generacji energii elektrycznej. Dzieje się tak w specjalnym urządzeniu zwanym procesorem paliwa. Po tym wstępnym etapie (reakcja jest przeprowadzana w temperaturze powyżej 250 ° C) wodór wchodzi do reakcji utleniania, w wyniku czego powstaje woda i wytwarzana jest energia elektryczna.

Zastosowanie metanolu w RMFC wynika z faktu, że jest on naturalnym nośnikiem wodoru, aw wystarczająco niskiej temperaturze (w porównaniu z innymi substancjami) można go rozkładać na wodór i dwutlenek węgla. Dlatego ta technologia jest bardziej zaawansowana niż DMFC. Przetworzone ogniwa paliwowe z metanolu pozwalają na większą wydajność, zwartość i wydajność w temperaturach poniżej zera.

Bezpośrednie ogniwa paliwowe z etanolem (DEFC)

Kolejny przedstawiciel klasy ogniw paliwowych z siecią wymiany protonów. Jak sama nazwa wskazuje, etanol dostaje się do ogniwa paliwowego, omijając etapy dalszego oczyszczania lub rozkładu na prostsze substancje. Pierwszym plusem tych urządzeń jest użycie alkoholu etylowego zamiast toksycznego metanolu. Oznacza to, że nie musisz inwestować dużo pieniędzy w tworzenie tego paliwa.

Gęstość energetyczna alkoholu jest o około 30% wyższa niż w przypadku metanolu. Ponadto można go uzyskać w dużych ilościach z biomasy. W celu obniżenia kosztów ogniw paliwowych z etanolem aktywnie poszukuje się alternatywnego materiału katalizatora. Platyna, tradycyjnie stosowana w tych ogniwach paliwowych, jest zbyt droga i stanowi znaczącą przeszkodę w masowym wprowadzaniu tych technologii. Katalizatory wykonane z mieszanki żelaza, miedzi i niklu mogą być rozwiązaniem tego problemu i wykazują imponujące wyniki w układach eksperymentalnych.

Ogniwa paliwowe cynkowo-powietrzne (ZAFC)

ZAFC wykorzystują cynk do utleniania tlenu z powietrza w celu wytworzenia energii elektrycznej. Te ogniwa paliwowe są tanie w produkcji i zapewniają dość wysoką gęstość energii. Są one obecnie stosowane w aparatach słuchowych i eksperymentalnych samochodach elektrycznych.

Po stronie anody znajduje się mieszanina cząstek cynku z elektrolitem, a po stronie katody woda i tlen z powietrza, które reagują ze sobą i tworzą hydroksyl (jego cząsteczka jest atomem tlenu i atomem wodoru, między którymi występuje wiązanie kowalencyjne). W wyniku reakcji hydroksylu z mieszaniną cynku uwalniane są elektrony uwalniane do katody. Maksymalne napięcie emitowane przez takie ogniwa paliwowe wynosi 1,65 V, ale z reguły jest sztucznie zmniejszane do 1,4–1,35 V, co ogranicza dostęp powietrza do układu. Końcowymi produktami tej reakcji elektrochemicznej są tlenek cynku i woda.

Możliwe jest stosowanie tej technologii zarówno w akumulatorach (bez ładowania), jak iw ogniwach paliwowych. W tym drugim przypadku komora po stronie anody jest czyszczona i napełniana pastą cynkową. Ogólnie rzecz biorąc, technologia ZAFC stała się prostą i niezawodną baterią. Ich niezaprzeczalną zaletą jest możliwość kontrolowania reakcji tylko poprzez regulację przepływu powietrza do ogniwa paliwowego. Wielu badaczy postrzega ogniwa paliwowe cynkowo-powietrzne jako przyszłe główne źródło zasilania pojazdów elektrycznych.

Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe (MFC)

Pomysł wykorzystania bakterii na korzyść ludzkości nie jest nowy, chociaż ostatnio zrealizował te idee. Obecnie aktywnie badane jest pytanie o komercyjne wykorzystanie biotechnologii do produkcji różnych produktów (na przykład produkcji wodoru z biomasy), neutralizacji szkodliwych substancji i produkcji energii elektrycznej. Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe, zwane także biologicznymi, są biologicznym systemem elektrochemicznym, który wytwarza prąd elektryczny za pomocą bakterii. Technologia ta opiera się na katabolizmie (rozkład cząsteczki złożonej na prostszą z uwolnieniem energii) takich substancji jak glukoza, octan (sól kwasu octowego), maślan (sól kwasu masłowego) lub ścieki. Z powodu ich utlenienia uwalniane są elektrony, które są przenoszone na anodę, po czym generowany prąd elektryczny przepływa przez przewodnik do katody.

W takich ogniwach paliwowych z reguły stosuje się mediatory, które poprawiają drożność elektronów. Problem polega na tym, że substancje odgrywające rolę mediatorów są drogie i toksyczne. Jednak w przypadku stosowania bakterii aktywnych elektrochemicznie zapotrzebowanie na mediatory znika. Takie „wolne od mediatorów” mikrobiologiczne ogniwa paliwowe zaczęły powstawać całkiem niedawno i dlatego daleko od ich wszystkich właściwości zostały dobrze zbadane.

Pomimo przeszkód, które MFC musi jeszcze pokonać, technologia ta ma ogromny potencjał. Po pierwsze, nie jest trudno znaleźć „paliwo”. Co więcej, dzisiaj problem oczyszczania ścieków i unieszkodliwiania wielu odpadów jest bardzo dotkliwy. Korzystanie z tej technologii może rozwiązać oba te problemy. Po drugie teoretycznie jego skuteczność może być bardzo wysoka. Głównym problemem inżynierów mikrobiologicznych ogniw paliwowych są, a właściwie najważniejszy element tego urządzenia, drobnoustroje. I podczas gdy mikrobiolodzy, którzy otrzymują liczne granty na badania, cieszą się, pisarze science fiction również pocierają ręce, oczekując sukcesu książek o konsekwencjach „pojawienia się” niewłaściwych mikroorganizmów. Oczywiście istnieje ryzyko wydobycia czegoś, co „strawiłoby” nie tylko niepotrzebne odpady, ale także coś cennego. Dlatego w zasadzie, podobnie jak w przypadku każdej nowej biotechnologii, ludzie odnoszą się do pomysłu noszenia pudełka pełnego bakterii w kieszeni.

Zastosowanie

Stacjonarne elektrownie domowe i przemysłowe

Ogniwa paliwowe są szeroko stosowane jako źródła energii w różnych systemach autonomicznych, takich jak statki kosmiczne, zdalne stacje pogodowe, instalacje wojskowe itp. Główną zaletą takiego systemu zasilania jest jego wyjątkowo wysoka niezawodność w porównaniu z innymi technologiami. Ze względu na brak ruchomych części i mechanizmów w ogniwach paliwowych niezawodność systemów zasilania energią może osiągnąć 99,99%. Ponadto w przypadku zastosowania wodoru jako odczynnika możliwe jest osiągnięcie bardzo niskiej masy, co w przypadku wyposażenia kosmicznego jest jednym z najważniejszych kryteriów.

Ostatnio elektrociepłownie, szeroko stosowane w budynkach mieszkalnych i biurach, stają się coraz bardziej rozpowszechnione. Osobliwością tych systemów jest to, że stale wytwarzają one energię elektryczną, która - jeśli nie zostanie natychmiast zużyta - służy do podgrzewania wody i powietrza. Pomimo faktu, że sprawność elektryczna takich instalacji wynosi tylko 15-20%, tę wadę rekompensuje fakt, że niewykorzystana energia elektryczna jest wykorzystywana do produkcji ciepła. Ogólnie wydajność energetyczna takich połączonych systemów wynosi około 80%. Jednym z najlepszych odczynników do takich ogniw paliwowych jest kwas fosforowy. Jednostki te zapewniają efektywność energetyczną na poziomie 90% (35-50% energii elektrycznej, a reszta to energia cieplna).

Transport

Systemy energetyczne oparte na ogniwach paliwowych są szeroko stosowane w transporcie. Nawiasem mówiąc, Niemcy byli jednym z pierwszych, którzy zainstalowali ogniwa paliwowe w pojazdach. Pierwsza na świecie łódź komercyjna wyposażona w taką instalację zadebiutowała osiem lat temu. Ten mały statek, ochrzczony jako „Hydra” i przeznaczony do przewozu do 22 pasażerów, został wystrzelony w pobliżu dawnej stolicy Niemiec w czerwcu 2000 roku. Wodór (alkaliczne ogniwo paliwowe) działa jako odczynnik przenoszący energię. Dzięki zastosowaniu alkalicznych (alkalicznych) ogniw paliwowych instalacja może wytwarzać prądy w temperaturach do –10 ° C i nie „boi się” słonej wody. Łódź „Hydra”, napędzana silnikiem elektrycznym o mocy 5 kW, może osiągać prędkość do 6 węzłów (około 12 km / h).

Łódź „Hydra”

Ogniwa paliwowe (w szczególności wodór) w transporcie lądowym są znacznie bardziej rozpowszechnione. Zasadniczo wodór od dawna stosowany jest jako paliwo do silników samochodowych, a w zasadzie konwencjonalny silnik spalinowy wewnętrznego spalania można łatwo przerobić na stosowanie tego alternatywnego rodzaju paliwa. Tradycyjne spalanie wodoru jest jednak mniej wydajne niż wytwarzanie elektryczności poprzez przeprowadzenie reakcji chemicznej między wodorem i tlenem. I idealnie, wodór, jeśli zostanie zastosowany w ogniwach paliwowych, będzie absolutnie nieszkodliwy dla przyrody lub, jak mówią, „przyjazny dla środowiska”, ponieważ żaden dwutlenek węgla ani inne substancje nie emitują „efektu cieplarnianego” podczas reakcji chemicznej.

Prawda jest taka, jak można się spodziewać, istnieje kilka dużych „ale”. Faktem jest, że wiele technologii wytwarzania wodoru z zasobów nieodnawialnych (gaz ziemny, węgiel, produkty ropopochodne) nie są tak przyjazne dla środowiska, ponieważ w ich procesie uwalnia się duża ilość dwutlenku węgla. Teoretycznie, jeśli do jego uzyskania zostaną wykorzystane zasoby odnawialne, nie będzie żadnych szkodliwych emisji. Jednak w tym przypadku koszt znacznie wzrasta. Według wielu ekspertów z tych powodów potencjał wodoru jako substytutu benzyny lub gazu ziemnego jest bardzo ograniczony. Już teraz istnieją tańsze alternatywy i najprawdopodobniej ogniwa paliwowe w pierwszym elemencie układu okresowego nadal nie stają się zjawiskiem masowym w pojazdach.

Producenci samochodów aktywnie eksperymentują z wodorem jako źródłem energii. A głównym tego powodem jest raczej trudna pozycja UE w odniesieniu do szkodliwych emisji do atmosfery. Kierując się coraz bardziej surowymi ograniczeniami nałożonymi w Europie, Daimler AG, Fiat i Ford Motor Company przedstawili swoją wizję przyszłości ogniw paliwowych w budownictwie samochodowym, wyposażając swoje modele podstawowe w podobne elektrownie. Volkswagen, kolejny europejski gigant samochodowy, przygotowuje obecnie swój pojazd na ogniwa paliwowe. Japońskie i południowokoreańskie firmy nie są daleko w tyle. Jednak daleko od wszystkich stawia na tę technologię. Wiele osób woli modyfikować silniki spalinowe lub łączyć je z silnikami elektrycznymi zasilanymi z akumulatorów. Toyota, Mazda i BMW poszły tą drogą. Co do amerykańskich firm, oprócz Forda z modelem Focus, General Motors wprowadził kilka pojazdów na ogniwa paliwowe. Wszystkie te państwa są aktywnie wspierane przez wiele państw. Na przykład w Stanach Zjednoczonych istnieje prawo, zgodnie z którym nowy samochód hybrydowy wprowadzany na rynek jest zwolniony z podatków, co może być całkiem przyzwoitą kwotą, ponieważ zwykle takie samochody są droższe niż ich odpowiedniki z tradycyjnymi silnikami spalinowymi. Dzięki temu hybrydy takie jak kupowanie stają się jeszcze bardziej atrakcyjne. To prawda, że \u200b\u200bdo tej pory prawo to dotyczy tylko modeli wchodzących na rynek do momentu osiągnięcia poziomu sprzedaży 60 000 samochodów, po czym przywilej zostaje automatycznie anulowany.

Elektronika

Nie tak dawno temu ogniwa paliwowe zaczęły być coraz szerzej stosowane w laptopach, telefonach komórkowych i innych mobilnych urządzeniach elektronicznych. Powodem tego było gwałtownie rosnące obżarstwo urządzeń zaprojektowanych z myślą o długiej żywotności baterii. W wyniku zastosowania dużych ekranów dotykowych w telefonach, potężnych narzędzi audio oraz wprowadzenia obsługi Wi-Fi, Bluetooth i innych protokołów komunikacji bezprzewodowej wysokiej częstotliwości zmieniły się również wymagania dotyczące pojemności baterii. I chociaż akumulatory od czasów pierwszych telefonów komórkowych znacznie wyprzedziły się pod względem pojemności i zwartości (w przeciwnym razie dzisiaj fani nie mieliby wstępu na stadiony z tą bronią z funkcją łączności), wciąż nie nadążają za miniaturyzacją obwodów elektronicznych lub pożądaniem producenci integrują coraz więcej funkcji w swoich produktach. Inną znaczącą wadą obecnych akumulatorów jest ich długi czas ładowania. Wszystko to prowadzi do tego, że im więcej funkcji telefonu lub kieszonkowego odtwarzacza multimedialnego zaprojektowanych w celu zwiększenia autonomii jego właściciela (bezprzewodowy Internet, systemy nawigacji itp.), Tym bardziej urządzenie to staje się zależne od „gniazdka”.

O laptopach, znacznie mniejszych maksymalnych rozmiarach i nic do powiedzenia. Dość dawno temu powstała nisza dla laptopów o wysokiej wydajności, które w ogóle nie były przeznaczone do pracy autonomicznej, z wyjątkiem przeniesienia z jednego biura do drugiego. Nawet najbardziej ekonomiczni przedstawiciele świata notebooków nie są w stanie zapewnić pełnego czasu pracy baterii. Dlatego kwestia znalezienia alternatywy dla tradycyjnych akumulatorów, które nie byłyby droższe, ale też znacznie bardziej wydajne, jest bardzo dotkliwa. A wiodący przedstawiciele branży rozwiązali ostatnio ten problem. Nie tak dawno temu wprowadzono komercyjne ogniwa paliwowe z metanolu, których masowe dostawy można było rozpocząć już w przyszłym roku.

Z jakiegoś powodu naukowcy wybrali raczej metanol niż wodór. O wiele łatwiej jest przechowywać metanol, ponieważ nie trzeba wytwarzać wysokiego ciśnienia ani zapewniać specjalnego reżimu temperaturowego. Alkohol metylowy jest cieczą w temperaturach od -97,0 ° C do 64,7 ° C. W tym przypadku energia właściwa zawarta w N-tej objętości metanolu jest o rząd wielkości większa niż w tej samej objętości wodoru pod wysokim ciśnieniem. Technologia ogniw paliwowych z bezpośrednim metanolem, szeroko stosowana w mobilnych urządzeniach elektronicznych, polega na użyciu alkoholu metylowego po prostu wypełnieniu pojemności ogniwa paliwowego z pominięciem procedury konwersji katalitycznej (stąd nazwa „bezpośredni metanol”). Jest to również główna zaleta tej technologii.

Jednak, jak można się spodziewać, wszystkie te plusy miały swoje wady, co znacznie ograniczyło zakres jego zastosowania. Z uwagi na fakt, że technologia ta wciąż nie jest w pełni rozwinięta, problem niskiej wydajności takich ogniw paliwowych spowodowany „wyciekiem” metanolu przez materiał membrany pozostaje nierozwiązany. Ponadto nie mają imponujących właściwości dynamicznych. Niełatwo jest zdecydować, co zrobić z dwutlenkiem węgla wytwarzanym na anodzie. Nowoczesne urządzenia DMFC nie są w stanie generować dużej energii, ale mają wysoką pojemność energetyczną dla niewielkiej ilości substancji. Oznacza to, że chociaż nie otrzymano jeszcze dużej ilości energii, ogniwa paliwowe z bezpośrednim metanolem mogą ją wytwarzać przez długi czas. Nie pozwala im to znaleźć bezpośredniego zastosowania w pojazdach ze względu na ich niską moc, ale czyni je prawie idealnym rozwiązaniem dla urządzeń mobilnych, dla których żywotność baterii jest krytyczna.

Najnowsze trendy

Chociaż ogniwa paliwowe do pojazdów były produkowane od dawna, jak dotąd rozwiązania te nie stały się powszechne. Jest wiele powodów. Najważniejsze z nich to ekonomiczna nieefektywność i niechęć producentów do wprowadzenia na rynek produkcji niedrogiego paliwa. Próby wymuszenia naturalnego procesu przejścia na odnawialne źródła energii, jak można się spodziewać, nie doprowadziły do \u200b\u200bniczego dobrego. Oczywiście przyczyna gwałtownego wzrostu cen produktów rolnych jest prawdopodobnie ukryta nie dlatego, że zaczęły one przekształcać się w biopaliwa w dużych ilościach, ale dlatego, że wiele krajów w Afryce i Azji nie jest w stanie wyprodukować wystarczającej ilości produktów, aby zaspokoić popyt wewnętrzny.

Oczywiście odrzucenie stosowania biopaliw nie doprowadzi do znaczącej poprawy sytuacji na światowym rynku żywności, ale wręcz przeciwnie, może uderzyć w europejskich i amerykańskich rolników, którzy po raz pierwszy od wielu lat są w stanie zarabiać dobre pieniądze. Ale niemożliwe jest odpisanie etycznego aspektu tego problemu brzydkim wypełnieniem „chleba” w zbiornikach, gdy miliony ludzi głodują. Dlatego w szczególności politycy europejscy będą teraz bardziej wyluzowani w kwestii biotechnologii, co zostało już potwierdzone przez przegląd strategii przejścia na odnawialne źródła energii.

W tej sytuacji mikroelektronika powinna stać się najbardziej obiecującym obszarem zastosowania ogniw paliwowych. To tutaj ogniwa paliwowe mają największą szansę na zdobycie oparcia. Po pierwsze, ludzie, którzy kupują telefony komórkowe, chętniej eksperymentują niż, powiedzmy, kupujący samochody. Po drugie, są gotowi wydawać pieniądze i z reguły nie mają odwagi „ratować świat”. Potwierdza to przytłaczający sukces czerwonej wersji iPoda Nano „Bono”, której część ze sprzedaży trafiła na konta Czerwonego Krzyża.

Wersja Bono Apple iPod Nano

Wśród firm, które zwróciły uwagę na przenośne ogniwa paliwowe, są firmy, które wcześniej specjalizowały się w rozwoju ogniw paliwowych, a teraz po prostu otworzyły nową sferę ich zastosowania, a także wiodący producenci mikroelektroniki. Na przykład niedawno firma MTI Micro, która przeprojektowała swoją działalność w zakresie produkcji ogniw paliwowych z metanolu do mobilnych urządzeń elektronicznych, ogłosiła, że \u200b\u200bw 2009 r. Rozpocznie masową produkcję. Wprowadziła również pierwsze na świecie urządzenie GPS oparte na ogniwach paliwowych z metanolu. Według przedstawicieli tej firmy, w najbliższej przyszłości jej produkty całkowicie zastąpią tradycyjne akumulatory litowo-jonowe. To prawda, że \u200b\u200bna początku nie będą tanie, ale ten problem towarzyszy każdej nowej technologii.

Dla firmy takiej jak Sony, która niedawno zademonstrowała swoją wersję urządzenia DMFC zasilającego system multimedialny, technologie te są nowe, ale poważnie nie zamierzają zgubić się na nowym obiecującym rynku. Z kolei firma Sharp poszła jeszcze dalej i za pomocą swojego prototypowego ogniwa paliwowego ustanowiła ostatnio rekord świata w zakresie pojemności energetycznej jednego centymetra sześciennego alkoholu metylowego o mocy 0,3 wata. Firmy produkcyjne dla tych ogniw paliwowych spotkały się nawet z rządami wielu krajów. Tak więc porty lotnicze w USA, Kanadzie, Wielkiej Brytanii, Japonii i Chinach, pomimo toksyczności i palności metanolu, zniosły dotychczasowe ograniczenia dotyczące jego transportu w kabinie. Oczywiście dotyczy to tylko certyfikowanych ogniw paliwowych o pojemności nie większej niż 200 ml. Niemniej jednak ponownie potwierdza to zainteresowanie tymi wydarzeniami nie tylko entuzjastów, ale także państw.

To prawda, że \u200b\u200bproducenci nadal starają się grać bezpiecznie i oferują ogniwa paliwowe głównie jako zapasowy system zasilania. Jednym z tych rozwiązań jest połączenie ogniwa paliwowego i akumulatora: gdy jest paliwo, stale ładuje akumulator, a po jego wyczerpaniu użytkownik po prostu zastępuje pusty nabój nowym zbiornikiem metanolu. Innym popularnym obszarem jest tworzenie ładowarek do ogniw paliwowych. Można ich używać w ruchu. Mogą jednak bardzo szybko ładować akumulatory. Innymi słowy, w przyszłości możliwe jest, że każdy będzie nosił takie „gniazdo” w swojej kieszeni. Takie podejście może być szczególnie istotne w przypadku telefonów komórkowych. Z kolei laptopy mogą nabyć wbudowane ogniwa paliwowe w dającej się przewidzieć przyszłości, co jeśli nie zastąpią całkowicie ładowania z „gniazdka”, stanie się przynajmniej poważną alternatywą dla niego.

Tak więc, zgodnie z prognozą największej niemieckiej firmy chemicznej BASF, która niedawno ogłosiła rozpoczęcie budowy centrum rozwoju ogniw paliwowych w Japonii, do 2010 r. Rynek tych urządzeń wyniesie 1 miliard dolarów. Jednocześnie jej analitycy przewidują wzrost rynku ogniw paliwowych do 20 mld USD do 2020 r. Nawiasem mówiąc, w tym centrum BASF planuje opracować ogniwa paliwowe do przenośnej elektroniki (w szczególności laptopów) i stacjonarnych systemów zasilania. Miejsce dla tego przedsiębiorstwa nie zostało wybrane przypadkowo ¬ główni nabywcy tych technologii, niemiecka firma widzi dokładnie lokalne firmy.

Zamiast wniosku

Oczywiście nie należy oczekiwać od ogniw paliwowych, że zastąpią one istniejący system zasilania energią. W każdym razie w dającej się przewidzieć przyszłości. Jest to obosieczny miecz: przenośne elektrownie są z pewnością bardziej wydajne z powodu braku strat związanych z dostawą energii elektrycznej do konsumenta, ale warto również wziąć pod uwagę, że mogą one stać się poważnym konkurentem dla scentralizowanego systemu zaopatrzenia w energię tylko wtedy, gdy powstanie scentralizowany system zasilania paliwem dla tych elektrowni. Oznacza to, że „wylot” na końcu powinien zostać zastąpiony pewną rurą, która dostarcza niezbędne odczynniki do każdego domu i każdego zakątka. I to nie do końca ta wolność i niezależność od zewnętrznych źródeł prądu, o których wspominają producenci ogniw paliwowych.

Urządzenia te mają niezaprzeczalną zaletę w postaci szybkości ładowania - po prostu zmieniły kasetę z metanolem (w skrajnych przypadkach odkorkowały schwytanego Jacka Daniela) w aparacie i ponownie skakały po schodach Luwru. Z drugiej strony, jeśli, powiedzmy, ładuje się zwykły telefon przez dwie godziny i będzie wymagał ładowania co 2-3 dni, jest mało prawdopodobne, aby użytkownik korzystał z takiej możliwości wymiany kasety, sprzedawanej tylko w wyspecjalizowanych sklepach, nawet raz na dwa tygodnie, a ukryte w sejfie hermetyczny pojemnik, kilkaset mililitrów paliwa dotrze do konsumenta końcowego, jego cena będzie miała czas znacznie wzrosnąć. Wraz ze wzrostem ceny będzie można walczyć tylko ze skalą produkcji, ¬ i czy ta skala będzie pożądana na rynku? A dopóki nie zostanie wybrany optymalny rodzaj paliwa, problem ten zostanie rozwiązany bardzo problematyczne.

Z drugiej strony połączenie tradycyjnego ładowania z „wylotu”, ogniw paliwowych i innych alternatywnych systemów zasilania energią (na przykład paneli słonecznych) może być rozwiązaniem problemu dywersyfikacji źródeł zasilania i przejścia na środowiskowe. Jednak w pewnej grupie produktów elektronicznych ogniwa paliwowe mogą być szeroko stosowane. Potwierdza to fakt, że Canon niedawno opatentował własne ogniwa paliwowe do aparatów cyfrowych i ogłosił strategię wprowadzenia tych technologii do swoich rozwiązań. Jeśli chodzi o laptopy, jeśli ogniwa paliwowe dotrą do nich w najbliższej przyszłości, najprawdopodobniej jest to tylko zapasowy system zasilania. Teraz mówimy na przykład głównie o zewnętrznych modułach ładujących, dodatkowo podłączonych do laptopa.

Ale technologie te mają duże perspektywy długoterminowego rozwoju. W szczególności w świetle zagrożenia głodem ropy naftowej, które może nadejść w ciągu kilku następnych dziesięcioleci. W tych warunkach ważniejsze jest nawet to, jak tania będzie produkcja ogniw paliwowych, ale jak bardzo produkcja paliw dla nich będzie niezależna od przemysłu petrochemicznego i czy będzie w stanie zaspokoić taką potrzebę.

Nikt nie będzie zaskoczony ani panelami słonecznymi, ani wiatrakami, które wytwarzają energię elektryczną we wszystkich regionach świata. Ale generowanie z tych urządzeń nie jest stałe i musisz zainstalować zapasowe źródła zasilania lub podłączyć się do sieci, aby otrzymać energię elektryczną w czasie, gdy obiekty energii odnawialnej nie wytwarzają energii elektrycznej. Istnieją jednak instalacje opracowane w XIX wieku, które wykorzystują „alternatywne” paliwo do wytwarzania energii elektrycznej, to znaczy nie spalają gazu ani produktów naftowych. Takie instalacje są ogniwami paliwowymi.

HISTORIA TWORZENIA

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

Odniesienie: Elektroliza wody - proces rozkładu wody pod działaniem prądu elektrycznego na cząsteczki wodoru i tlenu

Po odłączeniu akumulatora od ogniwa elektrolitycznego zdziwił się, gdy zauważył, że elektrody zaczęły absorbować uwolniony gaz i generować prąd. Odkrycie procesu elektrochemicznego „zimnego” spalania wodoru stało się znaczącym wydarzeniem w sektorze energetycznym. Później stworzył baterię Grove. W tym urządzeniu znajdowała się elektroda platynowa zanurzona w kwasie azotowym i elektroda cynkowa w siarczanie cynku. Wygenerował prąd 12 amperów i napięcie 8 woltów. Gro sam nazwał ten projekt Mokra bateria. Następnie stworzył baterię za pomocą dwóch elektrod platynowych. Jeden koniec każdej elektrody był w kwasie siarkowym, a pozostałe końce były szczelnie zamknięte w pojemnikach z wodorem i tlenem. Między elektrodami był stabilny prąd, a ilość wody w pojemnikach wzrosła. Grow był w stanie rozłożyć i poprawić wodę w tym urządzeniu.

Bateria Bateria

(źródło: Królewska Wspólnota Narodowego Muzeum Historii Naturalnej)

Pojęcie „ogniwo paliwowe” (ang. „Fuel Cell”) pojawiło się dopiero w 1889 r. Przez L. Monda i
   C. Langer, próbujący stworzyć urządzenie do generowania energii elektrycznej z powietrza i gazu węglowego.

JAK TO DZIAŁA?

Ogniwo paliwowe jest stosunkowo prostym urządzeniem. Ma dwie elektrody: anodę (elektrodę ujemną) i katodę (elektrodę dodatnią). Reakcja chemiczna zachodzi na elektrodach. Aby przyspieszyć, powierzchnia elektrod jest pokryta katalizatorem. TE są wyposażone w inny element - membrana.Konwersja energii chemicznej paliwa bezpośrednio na energię elektryczną wynika z pracy membrany. Oddziela dwie komory ogniwa, do których doprowadzane jest paliwo i utleniacz. Dzięki membranie tylko protony, które powstają w wyniku rozszczepienia paliwa na elektrodzie pokrytej katalizatorem, przechodzą z jednej komory do drugiej (elektrony w tym przypadku przechodzą przez obwód zewnętrzny). W drugiej komorze protony ponownie łączą się z elektronami (i atomami tlenu), tworząc wodę.

Zasada działania wodorowego ogniwa paliwowego

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

Podczas konwencjonalnego spalania tlen utlenia paliwa kopalne, a energia chemiczna paliwa przechodzi w ciepło. Zobaczmy, co dzieje się podczas utleniania wodoru tlenem w ośrodku elektrolitycznym i w obecności elektrod.

Po podaniu wodoru do elektrody znajdującej się w środowisku alkalicznym zachodzi reakcja chemiczna:

2H 2 + 4OH - → 4H 2 O + 4e -

Jak widać, otrzymujemy elektrony, które przechodząc przez obwód zewnętrzny idą do przeciwnej elektrody, do której wchodzi tlen i gdzie zachodzi reakcja:

4e- + O 2 + 2H 2 O → 4OH -

Można zauważyć, że wynikowa reakcja 2H 2 + O 2 → H 2 O jest taka sama jak podczas normalnego spalania, ale w ogniwie paliwowym wytwarzany jest prąd elektryczny i częściowo ciepło.

RODZAJE ELEMENTÓW PALIWOWYCH

Zazwyczaj klasyfikuje się ogniwa paliwowe według rodzaju elektrolitu stosowanego w przebiegu reakcji:

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

WYDAJNOŚĆ ELEMENTU PALIWA

Cechą ogniw paliwowych jest brak ścisłego ograniczenia wydajnościjak silniki cieplne.

Pomoc: wydajnośćcykl Carnota   Wydajność jest najwyższa z możliwych wśród wszystkich silników cieplnych o takich samych temperaturach minimalnych i maksymalnych.

Dlatego teoretycznie wydajność ogniwa paliwowego może być wyższa niż 100%. Wielu uśmiechnęło się i pomyślało: „Wynaleziona maszyna perpetuum mobile oznacza”. Nie, tutaj warto wrócić na szkolny kurs chemii. Ogniwo paliwowe opiera się na zamianie energii chemicznej na energię elektryczną. To tam powstają cuda. Niektóre reakcje chemiczne w trakcie procesu mogą absorbować ciepło z otoczenia.

Odniesienie: Reakcje endotermiczne - reakcje chemiczne połączone z absorpcją ciepła. W przypadku reakcji endotermicznych zmiana entalpii i energii wewnętrznej ma wartości dodatnie (ΔH. >0, Δ U \u003e 0), dlatego produkty reakcji zawierają więcej energii niż oryginalne składniki.

Przykładem takiej reakcji jest utlenianie wodoru, które stosuje się w większości ogniw paliwowych. Dlatego teoretycznie wydajność może wynosić ponad 100%. Ale dziś ogniwa paliwowe nagrzewają się podczas pracy i nie mogą absorbować ciepła z otoczenia.

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

Ponadto istnieją straty związane z procesami nierównowagi. Takich jak: straty omowe z powodu przewodności elektrolitu i elektrod, polaryzacja aktywacji i stężenia, straty dyfuzyjne. W rezultacie część energii wytwarzanej w ogniwach paliwowych zamienia się w ciepło. Dlatego ogniwa paliwowe nie są maszynami o ciągłym ruchu, a ich wydajność jest mniejsza niż 100%. Ale ich wydajność jest większa niż innych maszyn. Dzisiaj sprawność ogniw paliwowych sięga 80%.

Pomoc:  W latach czterdziestych angielski inżynier T. Bacon zaprojektował i zbudował akumulator ogniw paliwowych o łącznej pojemności 6 kW i wydajności 80%, działający na czystym wodorze i tlenie, ale stosunek mocy do ciężaru akumulatora był zbyt mały - takie ogniwa były nieodpowiednie do praktycznego zastosowania i zbyt drogie (źródło: http://www.powerinfo.ru/).

PROBLEMY Z ELEMENTAMI PALIWA

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

Wygląda na to, że otworzyli ogniwo paliwowe w wyniku elektrolizy, dzięki czemu można wykorzystać wodór uwolniony w wyniku elektrolizy. Ale przeanalizujmy ten proces bardziej szczegółowo.

Zgodnie z prawem Faradaya: ilość materii utlenionej na anodzie lub zredukowanej na katodzie jest proporcjonalna do ilości energii elektrycznej przechodzącej przez elektrolit. Tak więc, aby uzyskać więcej wodoru, musisz wydać więcej energii elektrycznej. Istniejące metody elektrolizy wody przebiegają z wydajnością mniejszą niż jedność. Następnie wykorzystujemy uzyskany wodór w ogniwie paliwowym, gdzie wydajność jest również mniejsza niż jedność. Dlatego wydamy więcej energii niż jesteśmy w stanie wygenerować.

Oczywiście można zastosować wodór uzyskany z gazu ziemnego. Ta metoda produkcji wodoru pozostaje najtańsza i najpopularniejsza. Obecnie około 50% wodoru produkowanego na całym świecie pochodzi z gazu ziemnego. Ale jest problem z magazynowaniem i transportem wodoru. Wodór ma niską gęstość ( jeden litr wodoru waży 0,0846 g), dlatego w celu transportu na duże odległości konieczne jest ściśnięcie. A to dodatkowe koszty energii i pieniędzy. Nie zapomnij także o bezpieczeństwie.

Istnieje jednak również rozwiązanie - ciekłe paliwo węglowodorowe może być stosowane jako źródło wodoru. Na przykład alkohol etylowy lub metylowy. Jednak już tutaj wymagane jest specjalne dodatkowe urządzenie - konwerter paliwa, w wysokiej temperaturze (dla metanolu będzie to około 240 ° C), przekształcający alkohole w mieszaninę gazowego H2 i CO2. Ale w tym przypadku już trudniej jest myśleć o przenośności - takie urządzenia są dobrze wykorzystywane jako generatory stacjonarne lub samochodowe, ale w przypadku kompaktowego sprzętu mobilnego potrzebujesz czegoś mniej uciążliwego.

Katalizator

Aby zwiększyć reakcję w TE, powierzchnia anody jest zwykle katalizatorem. Do niedawna platyna była stosowana jako katalizator. Dlatego koszt ogniwa paliwowego był wysoki. Po drugie, platyna jest stosunkowo rzadkim metalem. Zdaniem ekspertów w przemysłowej produkcji ogniw paliwowych potwierdzone zasoby platyny zakończą się za 15-20 lat. Ale naukowcy z całego świata próbują zastąpić platynę innymi materiałami. Nawiasem mówiąc, niektóre z nich osiągnęły dobre wyniki. Tak więc chińscy naukowcy zastąpili platynę tlenkiem wapnia (źródło: www.cheburek.net).

WYKORZYSTANIE ELEMENTÓW PALIWOWYCH

Po raz pierwszy ogniwo paliwowe zostało przetestowane w pojazdach samochodowych w 1959 r. Do pracy ciągnika Alice-Chambers wykorzystano 1008 akumulatorów. Paliwo było mieszaniną gazów, głównie propanu i tlenu.

Źródło: http://www.planetseed.com/

Od połowy lat 60., u szczytu „wyścigu kosmicznego”, twórcy statku kosmicznego zainteresowali się ogniwami paliwowymi. Praca tysięcy naukowców i inżynierów pozwoliła osiągnąć nowy poziom, aw 1965 roku. ogniwa paliwowe zostały przetestowane w Stanach Zjednoczonych na statku kosmicznym Gemini 5, a później na statkach Apollo pod kątem lotów na Księżyc i w ramach programu Shuttle. W ZSRR opracowano ogniwa paliwowe w NPO Kvant, również do wykorzystania w przestrzeni kosmicznej (źródło: http://www.powerinfo.ru/).

Ponieważ woda jest końcowym produktem spalania wodoru w ogniwie paliwowym, są one uważane za najczystsze z punktu widzenia wpływu na środowisko. Dlatego ogniwa paliwowe zaczęły zdobywać popularność na tle ogólnego zainteresowania ekologią.

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

Mercedes-Benz - Wodór Ener-G-Force

Podczas korzystania z samochodów wodorowych problem magazynowania wodoru został rozwiązany. Budowa stacji paliw z wodorem zapewni możliwość tankowania w dowolnym miejscu. Ponadto tankowanie samochodu wodorem jest szybsze niż ładowanie samochodu elektrycznego na stacji benzynowej. Ale podczas wdrażania takich projektów napotkali problem podobny do pojazdów elektrycznych. Ludzie są gotowi „przenieść” się do samochodu napędzanego wodorem, jeśli jest dla nich infrastruktura. Budowa stacji benzynowych rozpocznie się, jeśli będzie wystarczającej liczby konsumentów. Dlatego jaja i kurczak ponownie doszły do \u200b\u200bdylematu.

Ogniwa paliwowe są szeroko stosowane w telefonach komórkowych i laptopach. Minął już czas, kiedy telefon był ładowany raz w tygodniu. Teraz telefon ładuje się prawie codziennie, a laptop bez sieci działa przez 3-4 godziny. Dlatego producenci urządzeń mobilnych postanowili zsyntetyzować ogniwo paliwowe z telefonami i laptopami do ładowania i pracy. Na przykład firma Toshiba w 2003 roku. zademonstrował gotowy prototyp ogniwa paliwowego z metanolu. Daje moc rzędu 100 mW. Jedno tankowanie w 2 kostkach stężonego (99,5%) metanolu wystarcza na 20 godzin pracy odtwarzacza MP3. Znów ten sam „Toshiba” zademonstrował element do zasilania laptopów o wymiarach 275 x 75 x 40 mm, umożliwiając komputerowi pracę przez 5 godzin od jednego tankowania.

Ale niektórzy producenci poszli dalej. PowerTrekk wydał ładowarkę o tej samej nazwie. PowerTrekk jest pierwszą ładowarką do wody na świecie. Korzystanie z niego jest bardzo łatwe. PowerTrekk musi dodać wodę, aby zapewnić natychmiastową energię elektryczną za pośrednictwem kabla USB. To ogniwo paliwowe zawiera proszek krzemu i krzemek sodu (NaSi) po zmieszaniu z wodą, ta kombinacja wytwarza 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 € (