Technologia ogniw paliwowych i jej zastosowanie w samochodach. Ogniwa paliwowe

Sir William Grove dużo wiedział o elektrolizie, więc postawił hipotezę, że w procesie (który dzieli wodę na jej składowy wodór i tlen poprzez przepuszczanie przez nią elektryczności) może wytwarzać, jeśli zostanie wykonany w odwrotnej kolejności. Po przeliczeniu na papierze przeszedł do etapu eksperymentalnego i był w stanie udowodnić swoje pomysły. Sprawdzona hipoteza została opracowana przez naukowców Ludwiga Monda i jego asystenta Charlesa Langre, ulepszyła technologię i już w 1889 roku nadali jej nazwę, która zawierała dwa słowa - "ogniwo paliwowe".

Teraz to zdanie mocno wkroczyło w codzienne życie kierowców. Z pewnością nie raz słyszałeś ten termin „ogniwo paliwowe”. W wiadomościach w Internecie, w telewizji coraz częściej pojawiają się nowomodne słowa. Zwykle odnoszą się do historii o najnowszych pojazdach hybrydowych lub programów rozwojowych dla tych pojazdów hybrydowych.

Na przykład 11 lat temu w USA uruchomiono program „The Hydrogen Fuel Initiative”. Celem programu było opracowanie wodorowych ogniw paliwowych i technologii infrastrukturalnych niezbędnych do uczynienia pojazdów z ogniwami paliwowymi praktycznymi i opłacalnymi do 2020 roku. Nawiasem mówiąc, w tym czasie na program przeznaczono ponad 1 miliard dolarów, co wskazuje na poważną stawkę, jaką postawiły władze USA.

Po drugiej stronie oceanu producenci samochodów również byli w pogotowiu, rozpoczynając lub kontynuując badania nad samochodami na ogniwa paliwowe. , a nawet kontynuował prace nad niezawodną technologią ogniw paliwowych.

Największy sukces w tej dziedzinie wśród wszystkich światowych producentów samochodów osiągnęło dwóch japońskich producentów aut. Ich modele z ogniwami paliwowymi weszły już do produkcji seryjnej, podczas gdy konkurenci są tuż za nimi.

Dlatego ogniwa paliwowe w przemyśle motoryzacyjnym są trwałe. Rozważmy zasady technologii i jej zastosowanie w nowoczesnych samochodach.

Jak działa ogniwo paliwowe

W rzeczywistości, . Z technicznego punktu widzenia ogniwo paliwowe można zdefiniować jako urządzenie elektrochemiczne do przetwarzania energii. Zamienia cząsteczki wodoru i tlenu w wodę, wytwarzając jednocześnie energię elektryczną, prąd stały.

Istnieje wiele rodzajów ogniw paliwowych, niektóre są już stosowane w samochodach, inne przechodzą testy badawcze. Większość z nich wykorzystuje wodór i tlen jako główne pierwiastki chemiczne wymagane do transformacji.

Podobna procedura ma miejsce w konwencjonalnym akumulatorze, z tą różnicą, że ma już wszystkie niezbędne chemikalia potrzebne do konwersji „na pokładzie”, natomiast ogniwo paliwowe można „ładować” z zewnętrznego źródła, dzięki czemu proces „wytwarzanie” energii elektrycznej może być kontynuowane. Kolejnym produktem ubocznym procedury, oprócz pary wodnej i elektryczności, jest ciepło.

Ogniwo paliwowe wodorowo-tlenowe z membraną do wymiany protonów zawiera polimerową membranę przewodzącą protony, która oddziela dwie elektrody – anodę i katodę. Każda elektroda jest zwykle płytą węglową (matrycą) z osadzonym katalizatorem - platyną lub stopem platynoidów i innych kompozycji.

Na katalizatorze anodowym wodór cząsteczkowy dysocjuje i traci elektrony. Kationy wodoru są przenoszone przez membranę do katody, ale elektrony są przekazywane do obwodu zewnętrznego, ponieważ membrana nie przepuszcza elektronów.

Na katalizatorze katodowym cząsteczka tlenu łączy się z elektronem (dostarczanym z komunikacji zewnętrznej) i przychodzącym protonem i tworzy wodę, która jest jedynym produktem reakcji (w postaci pary i/lub cieczy).

wikipedia.org

Zastosowanie w samochodach

Ze wszystkich typów ogniw paliwowych wydaje się, że najlepszym kandydatem do zastosowań w pojazdach są ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów lub, jak nazywa się je na zachodzie, ogniwa paliwowe z membraną do wymiany polimerów (PEMFC). Głównym tego powodem jest duża gęstość mocy i stosunkowo niska temperatura pracy, co z kolei oznacza, że ​​uruchomienie ogniw paliwowych nie trwa długo. Szybko się rozgrzeją i zaczną wytwarzać wymaganą ilość energii elektrycznej. Wykorzystuje również jedną z najprostszych reakcji wszystkich typów ogniw paliwowych.

Pierwszy pojazd z tą technologią powstał w 1994 roku, kiedy Mercedes-Benz wprowadził MB100 na podstawie NECAR1 (New Electric Car 1). Oprócz niskiej mocy wyjściowej (tylko 50 kilowatów), największą wadą tej koncepcji było to, że ogniwo paliwowe zajmowało całą objętość przedziału ładunkowego furgonetki.

Ponadto, z punktu widzenia bezpieczeństwa biernego, był to fatalny pomysł na masową produkcję, biorąc pod uwagę potrzebę posiadania na pokładzie ogromnego zbiornika wypełnionego palnym wodorem pod ciśnieniem.

W ciągu następnej dekady technologia ewoluowała i jedna z najnowszych koncepcji ogniw paliwowych Mercedesa osiągnęła moc 115 KM. (85 kW) i zasięg około 400 kilometrów przed zatankowaniem. Oczywiście Niemcy nie byli jedynymi pionierami w rozwoju ogniw paliwowych przyszłości. Nie zapomnij o dwóch Japończykach, Toyocie i. Jednym z największych graczy motoryzacyjnych była firma Honda, która wprowadziła samochód produkcyjny z elektrownią na wodorowe ogniwa paliwowe. Sprzedaż leasingowa FCX Clarity w Stanach Zjednoczonych rozpoczęła się latem 2008 roku, nieco później auto trafiło do Japonii.

Toyota poszła jeszcze dalej z Mirai, którego zaawansowany system wodorowych ogniw paliwowych jest najwyraźniej w stanie zapewnić futurystycznemu samochodowi zasięg 520 km na jednym baku, który można zatankować w mniej niż pięć minut, tak jak normalny samochód. Dane dotyczące zużycia paliwa zadziwią każdego sceptyka, są niesamowite, nawet jak na samochód z klasyczną elektrownią, spala on 3,5 litra niezależnie od warunków, w jakich samochód jest eksploatowany, w mieście, na autostradzie czy w cyklu mieszanym.

Minęło osiem lat. Honda dobrze wykorzystała ten czas. Druga generacja Hondy FCX Clarity jest już w sprzedaży. Jego stosy ogniw paliwowych są o 33% bardziej kompaktowe niż w pierwszym modelu, a gęstość mocy wzrosła o 60%. Honda twierdzi, że ogniwo paliwowe i zintegrowany układ napędowy w Clarity Fuel Cell są porównywalne pod względem wielkości do silnika V6, pozostawiając miejsce dla pięciu pasażerów i ich bagażu.

Szacowany zasięg to 500 km, a cena wywoławcza nowych elementów powinna zostać ustalona na 60 000 USD. Drogi? Wręcz przeciwnie, jest bardzo tani. Na początku 2000 r. samochody o podobnej technologii kosztowały 100 000 USD.

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, żeby generować prąd w okresie, kiedy instalacje OZE nie wytwarzają prądu. 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

Po odłączeniu akumulatora od ogniwa elektrolitycznego ze zdziwieniem stwierdził, że elektrody zaczęły absorbować 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 przy użyciu dwóch platynowych elektrod. Jeden koniec każdej elektrody był w kwasie siarkowym, a drugi był zamknięty w pojemnikach z wodorem i tlenem. Między elektrodami panował stały 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 (elektrony w tym przypadku 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 normalnego 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 maksymalna możliwa wydajność 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 znaczy wynaleziona”. Nie, tutaj warto wrócić do szkolnego kursu 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), a 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.

Ponadto 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 okazały się za małe – takie ogniwa nie nadawały się do praktycznego użytku 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 uwalniany 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 poniżej jedności. 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 zastosować 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.

Jednak i tutaj jest 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 wysokiej temperaturze (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 do kompaktowego sprzętu mobilnego potrzeba czegoś mniej uciążliwego.

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. Dlatego 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, także 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

Podczas 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 ładuje się 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. zademonstrował 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 € (

Korzyści z ogniw/ogniw paliwowych

Ogniwo paliwowe/ogniwo to urządzenie, które skutecznie generuje prąd stały i ciepło z paliwa bogatego w wodór poprzez reakcję elektrochemiczną.

Ogniwo paliwowe jest podobne do akumulatora, ponieważ generuje prąd stały w wyniku reakcji chemicznej. Ogniwo paliwowe zawiera anodę, katodę i elektrolit. Jednak w przeciwieństwie do akumulatorów, ogniwa paliwowe/ogniwa nie mogą magazynować energii elektrycznej, nie rozładowują się i nie wymagają ładowania energii elektrycznej. Ogniwa paliwowe/ogniwa mogą w sposób ciągły wytwarzać energię elektryczną, o ile mają dopływ paliwa i powietrza.

W przeciwieństwie do innych generatorów energii elektrycznej, takich jak silniki spalinowe lub turbiny napędzane gazem, węglem, olejem opałowym itp., ogniwa paliwowe nie spalają paliwa. Oznacza to brak głośnych wirników wysokiego ciśnienia, głośnego hałasu wydechu, żadnych wibracji. Ogniwa paliwowe/ogniwa wytwarzają energię elektryczną poprzez cichą reakcję elektrochemiczną. Inną cechą ogniw/ogniw paliwowych jest to, że przetwarzają one energię chemiczną paliwa bezpośrednio na energię elektryczną, ciepło i wodę.

Ogniwa paliwowe są bardzo wydajne i nie wytwarzają dużych ilości gazów cieplarnianych, takich jak dwutlenek węgla, metan i tlenek azotu. Jedynymi produktami emisji podczas eksploatacji są woda w postaci pary wodnej i niewielka ilość dwutlenku węgla, który nie jest w ogóle emitowany, jeśli jako paliwo stosuje się czysty wodór. Ogniwa paliwowe / ogniwa są składane w zespoły, a następnie w oddzielne moduły funkcjonalne.

Historia rozwoju ogniw paliwowych/ogniw

W latach 50. i 60. jedno z najtrudniejszych zadań stawianych ogniwom paliwowym zrodziło się z zapotrzebowania Narodowej Agencji Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej (NASA) na źródła energii do długotrwałych misji kosmicznych. Alkaliczne ogniwo paliwowe NASA wykorzystuje wodór i tlen jako paliwo, łącząc je w reakcji elektrochemicznej. Wynikiem są trzy użyteczne produkty uboczne reakcji podczas lotów kosmicznych - elektryczność do zasilania statku kosmicznego, woda do picia i chłodzenia oraz ciepło do ogrzania astronautów.

Odkrycie ogniw paliwowych datuje się na początek XIX wieku. Pierwsze dowody na działanie ogniw paliwowych uzyskano w 1838 roku.

Pod koniec lat 30. rozpoczęto prace nad ogniwami paliwowymi z elektrolitem alkalicznym, a do 1939 r. ogniwo zbudowano przy użyciu wysokociśnieniowych elektrod niklowanych. W czasie II wojny światowej opracowano ogniwa paliwowe/ogniwa dla okrętów podwodnych brytyjskiej marynarki wojennej, a w 1958 roku wprowadzono zespół paliwowy składający się z alkalicznych ogniw/ogniw paliwowych o średnicy nieco ponad 25 cm.

Zainteresowanie wzrosło w latach 50. i 60., a także w latach 80., kiedy w świecie przemysłowym brakowało oleju opałowego. W tym samym okresie kraje świata również zainteresowały się problemem zanieczyszczenia powietrza i zastanowiły się nad metodami przyjaznej dla środowiska produkcji energii elektrycznej. Obecnie technologia produkcji ogniw/ogniw paliwowych przeżywa etap szybkiego rozwoju.

Jak działają ogniwa paliwowe/ogniwa

Ogniwa paliwowe/ogniwa wytwarzają energię elektryczną i ciepło w wyniku reakcji elektrochemicznej zachodzącej za pomocą elektrolitu, katody i anody.

Anoda i katoda są oddzielone elektrolitem przewodzącym protony. Po dostaniu się wodoru do anody i tlenu do katody rozpoczyna się reakcja chemiczna, w wyniku której powstaje prąd elektryczny, ciepło i woda.

Na katalizatorze anodowym wodór cząsteczkowy dysocjuje i traci elektrony. Jony wodorowe (protony) są przewodzone przez elektrolit do katody, podczas gdy elektrony przechodzą przez elektrolit i przechodzą przez zewnętrzny obwód elektryczny, tworząc prąd stały, który można wykorzystać do zasilania urządzeń. Na katalizatorze katodowym cząsteczka tlenu łączy się z elektronem (dostarczanym z komunikacji zewnętrznej) i przychodzącym protonem, tworząc wodę, która jest jedynym produktem reakcji (w postaci pary i/lub cieczy).

Poniżej znajduje się odpowiednia reakcja:

Reakcja na anodzie: 2H 2 => 4H + + 4e -
Reakcja na katodzie: O 2 + 4H + + 4e - => 2H 2 O
Ogólna reakcja pierwiastka: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Rodzaje i różnorodność ogniw paliwowych/ogniw

Podobnie jak w przypadku różnych typów silników spalinowych, istnieją różne rodzaje ogniw paliwowych – wybór odpowiedniego typu ogniwa paliwowego zależy od zastosowania.

Ogniwa paliwowe dzielą się na wysokotemperaturowe i niskotemperaturowe. Ogniwa paliwowe niskotemperaturowe wymagają jako paliwa stosunkowo czystego wodoru. Często oznacza to, że przetwarzanie paliwa jest wymagane do przekształcenia paliwa pierwotnego (takiego jak gaz ziemny) w czysty wodór. Proces ten zużywa dodatkową energię i wymaga specjalnego sprzętu. Ogniwa paliwowe wysokotemperaturowe nie wymagają tej dodatkowej procedury, ponieważ mogą „wewnętrznie przekształcać” paliwo w podwyższonych temperaturach, co oznacza, że ​​nie ma potrzeby inwestowania w infrastrukturę wodorową.

Ogniwa paliwowe / ogniwa na stopionym węglanie (RKTE)

Ogniwa paliwowe z elektrolitem stopionym węglanem to ogniwa paliwowe wysokotemperaturowe. Wysoka temperatura robocza umożliwia bezpośrednie wykorzystanie gazu ziemnego bez paliwa procesorowego oraz gazu opałowego o niskiej wartości opałowej do procesów przemysłowych i innych źródeł.

Działanie RKTE różni się od innych ogniw paliwowych. Ogniwa te wykorzystują elektrolit z mieszaniny stopionych soli węglanowych. Obecnie w użyciu są dwa rodzaje mieszanin: węglan litu i węglan potasu lub węglan litu i węglan sodu. Aby stopić sole węglanowe i osiągnąć wysoki stopień ruchliwości jonów w elektrolicie, ogniwa paliwowe ze stopionym elektrolitem węglanowym pracują w wysokich temperaturach (650°C). Wydajność waha się między 60-80%.

Po podgrzaniu do 650 ° C sole stają się przewodnikiem dla jonów węglanowych (CO 3 2-). Jony te przechodzą z katody do anody, gdzie łączą się z wodorem, tworząc wodę, dwutlenek węgla i wolne elektrony. Elektrony te są kierowane z powrotem do katody przez zewnętrzny obwód elektryczny, wytwarzając jako produkt uboczny prąd elektryczny i ciepło.

Reakcja na anodzie: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Reakcja na katodzie: CO 2 + 1 / 2O 2 + 2e - => CO 3 2-
Ogólna reakcja pierwiastka: H 2 (g) + 1/2O 2 (g) + CO 2 (katoda) => H 2 O (g) + CO 2 (anoda)

Wysokie temperatury pracy ogniw paliwowych z roztopionym węglanem elektrolitu mają pewne zalety. W wysokich temperaturach gaz ziemny jest wewnętrznie reformowany, co eliminuje konieczność stosowania procesora paliwa. Ponadto korzyści obejmują możliwość zastosowania na elektrodach standardowych materiałów konstrukcyjnych, takich jak blacha ze stali nierdzewnej i katalizator niklowy. Ciepło odpadowe może być wykorzystywane do wytwarzania pary pod wysokim ciśnieniem do różnych celów przemysłowych i handlowych.

Zaletą są również wysokie temperatury reakcji w elektrolicie. Stosowanie wysokich temperatur zajmuje dużo czasu, aby osiągnąć optymalne warunki pracy, a system wolniej reaguje na zmiany zużycia energii. Cechy te pozwalają na stosowanie instalacji ogniw paliwowych ze stopionym elektrolitem węglanowym w warunkach stałej mocy. Wysokie temperatury zapobiegają uszkodzeniu ogniwa paliwowego przez tlenek węgla.

Ogniwa paliwowe na stopiony elektrolit węglanowy nadają się do stosowania w dużych instalacjach stacjonarnych. Elektrociepłownie o mocy wyjściowej 3,0 MW są produkowane przemysłowo. Rozwijane są instalacje o mocy do 110 MW.

Ogniwa paliwowe / ogniwa z kwasem fosforowym (FCTE)

Ogniwa paliwowe z kwasem fosforowym (ortofosforowym) były pierwszymi ogniwami paliwowymi do użytku komercyjnego.

Ogniwa paliwowe na bazie kwasu fosforowego (ortofosforowego) wykorzystują elektrolit na bazie kwasu fosforowego (H 3 PO 4) o stężeniu do 100%. Przewodność jonowa kwasu fosforowego jest niska w niskich temperaturach, dlatego te ogniwa paliwowe są używane w temperaturach do 150-220 ° C.

Nośnikiem ładunku w tego typu ogniwie paliwowym jest wodór (H+, proton). Podobny proces zachodzi w ogniwach paliwowych z membraną do wymiany protonów, w której wodór dostarczany do anody jest rozbijany na protony i elektrony. Protony przechodzą przez elektrolit i łączą się z tlenem z powietrza na katodzie, tworząc wodę. Elektrony są kierowane przez zewnętrzny obwód elektryczny, aby generować prąd elektryczny. Poniżej znajdują się reakcje, które generują prąd elektryczny i ciepło.

Reakcja na anodzie: 2H 2 => 4H + + 4e -
Reakcja na katodzie: O 2 (g) + 4H + + 4e - => 2 H 2 O
Ogólna reakcja pierwiastka: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Sprawność ogniw paliwowych opartych na kwasie fosforowym (ortofosforowym) przy wytwarzaniu energii elektrycznej przekracza 40%. Przy skojarzonym wytwarzaniu ciepła i energii ogólna sprawność wynosi około 85%. Ponadto, biorąc pod uwagę temperatury robocze, ciepło odpadowe można wykorzystać do podgrzewania wody i wytwarzania pary pod ciśnieniem atmosferycznym.

Wysoka wydajność elektrociepłowni na ogniwach paliwowych opartych na kwasie fosforowym (ortofosforowym) w skojarzonej produkcji ciepła i energii elektrycznej jest jedną z zalet tego typu ogniw paliwowych. Zakłady stosują tlenek węgla o stężeniu około 1,5%, co znacznie poszerza wybór paliwa. Ponadto CO 2 nie wpływa na elektrolit i pracę ogniwa paliwowego, które działa z reformowanym paliwem naturalnym. Prosta konstrukcja, niska lotność elektrolitu i zwiększona stabilność to także zalety tego typu ogniwa paliwowego.

Elektrociepłownie o mocy wyjściowej do 500 kW są produkowane przemysłowo. Bloki 11 MW zostały odpowiednio przetestowane. Rozwijane są instalacje o mocy do 100 MW.

Ogniwa/ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC)

Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem to ogniwa paliwowe o najwyższej temperaturze pracy. Temperaturę pracy można zmieniać od 600 ° C do 1000 ° C, co pozwala na stosowanie różnych rodzajów paliwa bez specjalnej obróbki wstępnej. Aby poradzić sobie z tak wysokimi temperaturami, używanym elektrolitem jest cienki tlenek metalu na bazie ceramiki, często ze stopu itru i cyrkonu, który jest przewodnikiem jonów tlenu (O 2 ).

Elektrolit stały zapewnia hermetycznie zamknięte przejście gazu z jednej elektrody na drugą, podczas gdy elektrolity płynne znajdują się w porowatym podłożu. Nośnikiem ładunku w tego typu ogniwie paliwowym jest jon tlenu (O 2-). Na katodzie cząsteczki tlenu z powietrza są rozdzielane na jon tlenu i cztery elektrony. Jony tlenu przechodzą przez elektrolit i łączą się z wodorem, tworząc cztery wolne elektrony. Elektrony są kierowane przez zewnętrzny obwód elektryczny, generując prąd elektryczny i ciepło odpadowe.

Reakcja na anodzie: 2H 2 + 2O 2- => 2H 2 O + 4e -
Reakcja na katodzie: O 2 + 4e - => 2O 2-
Ogólna reakcja pierwiastka: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Sprawność wytwarzanej energii elektrycznej jest najwyższa ze wszystkich ogniw paliwowych - około 60-70%. Wysokie temperatury robocze umożliwiają skojarzone wytwarzanie ciepła i energii elektrycznej na wytwarzanie pary pod wysokim ciśnieniem. Połączenie wysokotemperaturowego ogniwa paliwowego z turbiną umożliwia stworzenie hybrydowego ogniwa paliwowego zwiększającego sprawność wytwarzania energii elektrycznej nawet o 75%.

Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem działają w bardzo wysokich temperaturach (600 °C – 1000 °C), przez co osiągnięcie optymalnych warunków pracy zajmuje dużo czasu, a układ wolniej reaguje na zmiany zużycia energii. W tak wysokich temperaturach roboczych konwerter nie jest wymagany do odzyskiwania wodoru z paliwa, co pozwala elektrociepłowni na pracę ze stosunkowo nieczystymi paliwami pochodzącymi ze zgazowania węgla lub gazów odlotowych i tym podobnych. Ponadto ogniwo to doskonale nadaje się do pracy przy dużych mocach, w tym w elektrowniach przemysłowych i dużych elektrowniach centralnych. Komercyjnie produkowane są moduły o wyjściowej mocy elektrycznej 100 kW.

Ogniwa paliwowe / ogniwa z bezpośrednim utlenianiem metanolu (POMTE)

Technologia wykorzystania ogniw paliwowych z bezpośrednim utlenianiem metanolu przechodzi okres aktywnego rozwoju. Z powodzeniem sprawdziła się w dziedzinie zasilania telefonów komórkowych, laptopów, a także tworzenia przenośnych źródeł zasilania. do czego zmierza przyszłe wykorzystanie tych elementów.

Konstrukcja ogniw paliwowych z bezpośrednim utlenianiem metanolu jest podobna do ogniw paliwowych z membraną do wymiany protonów (MOPTE), tj. polimer jest używany jako elektrolit, a jon wodorowy (proton) jest używany jako nośnik ładunku. Jednak ciekły metanol (CH 3 OH) utlenia się w obecności wody na anodzie z uwolnieniem CO 2, jonów wodorowych i elektronów, które są kierowane przez zewnętrzny obwód elektryczny, wytwarzając w ten sposób prąd elektryczny. Jony wodoru przechodzą przez elektrolit i reagują z tlenem z powietrza i elektronami z obwodu zewnętrznego, tworząc wodę na anodzie.

Reakcja na anodzie: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Reakcja na katodzie: 3 / 2O 2 + 6 H + + 6e - => 3H 2 O
Ogólna reakcja pierwiastka: CH 3 OH + 3 / 2O 2 => CO 2 + 2H 2 O

Zaletą tego typu ogniwa paliwowego są jego niewielkie rozmiary, ze względu na zastosowanie paliwa płynnego oraz brak konieczności stosowania konwertera.

Alkaliczne ogniwa paliwowe / ogniwa (SHFC)

Alkaliczne ogniwa paliwowe są jednym z najbardziej wydajnych elementów wykorzystywanych do wytwarzania energii elektrycznej, ze sprawnością wytwarzania energii sięgającą nawet 70%.

Alkaliczne ogniwa paliwowe wykorzystują elektrolit, czyli wodny roztwór wodorotlenku potasu zawarty w porowatej stabilizowanej matrycy. Stężenie wodorotlenku potasu może się zmieniać w zależności od temperatury pracy ogniwa paliwowego, która waha się od 65°C do 220°C. Nośnikiem ładunku w SHFC jest jon hydroksylowy (OH -), który przemieszcza się z katody do anody, gdzie reaguje z wodorem, wytwarzając wodę i elektrony. Woda wytwarzana na anodzie wraca do katody, ponownie wytwarzając tam jony hydroksylowe. Ta seria reakcji w ogniwie paliwowym wytwarza energię elektryczną i, jako produkt uboczny, ciepło:

Reakcja na anodzie: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reakcja na katodzie: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4 OH -
Ogólna reakcja układu: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Zaletą SHFC jest to, że te ogniwa paliwowe są najtańsze w produkcji, ponieważ katalizatorem potrzebnym na elektrodach może być dowolna z substancji, które są tańsze niż te stosowane jako katalizatory w innych ogniwach paliwowych. SCFC działają w stosunkowo niskiej temperaturze i są jednymi z najbardziej wydajnych ogniw paliwowych - takie właściwości mogą odpowiednio przyczynić się do przyspieszenia wytwarzania energii i wysokiej efektywności paliwowej.

Jedną z charakterystycznych cech SHFC jest wysoka wrażliwość na CO 2 , który może być zawarty w paliwie lub powietrzu. CO 2 reaguje z elektrolitem, szybko go zatruwa i znacznie obniża sprawność ogniwa paliwowego. Dlatego stosowanie SHTE ogranicza się do przestrzeni zamkniętych, takich jak pojazdy kosmiczne i podwodne, muszą one działać na czystym wodorze i tlenie. Co więcej, cząsteczki takie jak CO, H 2 O i CH4, które są bezpieczne dla innych ogniw paliwowych, a nawet paliwo dla niektórych z nich, są szkodliwe dla SHFC.

Ogniwa / ogniwa paliwowe z elektrolitem polimerowym (PETE)

W przypadku ogniw paliwowych z elektrolitem polimerowym, membrana polimerowa składa się z włókien polimerowych z obszarami wodnymi, w których występuje przewodnictwo jonów wody (H 2 O + (proton, czerwień) jest przyłączone do cząsteczki wody). Cząsteczki wody stanowią problem ze względu na ich powolną wymianę jonową. Dlatego wymagane jest wysokie stężenie wody zarówno w paliwie, jak i na elektrodach wylotowych, co ogranicza temperaturę pracy do 100°C.

Ogniwa / ogniwa paliwowe na kwas stały (TFCF)

W stałych kwasowych ogniwach paliwowych elektrolit (CsHSO 4) nie zawiera wody. Temperatura pracy wynosi zatem 100-300°C. Rotacja anionów tlenowych SO 4 2- umożliwia ruch protonów (czerwony), jak pokazano na rysunku. Zazwyczaj ogniwo paliwowe ze stałym kwasem to kanapka, w której bardzo cienka warstwa stałego związku kwasowego jest umieszczona pomiędzy dwiema mocno ściśniętymi elektrodami, aby zapewnić dobry kontakt. Po podgrzaniu składnik organiczny odparowuje, pozostawiając pory w elektrodach, zachowując zdolność do wielokrotnych kontaktów między paliwem (lub tlenem na drugim końcu ogniw), elektrolitem i elektrodami.

Różne moduły ogniw paliwowych. Bateria ogniwa paliwowego

1. Bateria ogniwa paliwowego
2. Inne urządzenia pracujące w wysokich temperaturach (zintegrowana wytwornica pary, komora spalania, zmieniacz bilansu cieplnego)
3. Izolacja odporna na ciepło

Moduł ogniw paliwowych

Analiza porównawcza typów i odmian ogniw paliwowych

Innowacyjne energooszczędne elektrociepłownie miejskie są zwykle budowane na ogniwach paliwowych ze stałym tlenkiem (SOFC), ogniwach paliwowych z elektrolitem polimerowym (PETF), ogniwach paliwowych na kwas fosforowy (PFC), ogniwach paliwowych z membraną do wymiany protonów (MOPFC) i alkalicznych ogniwach paliwowych ( PSFC) ... Zwykle mają następujące cechy:

Za najbardziej odpowiednie należy uznać ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC), które:

• pracują w wyższej temperaturze, co zmniejsza zapotrzebowanie na drogie metale szlachetne (takie jak platyna)
• może pracować na różnych rodzajach paliw węglowodorowych, głównie na gazie ziemnym
• mają dłuższy czas rozruchu i dlatego lepiej nadają się do długotrwałego działania
• wykazują wysoką sprawność wytwarzania energii (do 70%)
• ze względu na wysokie temperatury pracy urządzenia można łączyć z systemami odzysku ciepła, podnosząc ogólną sprawność systemu do 85%
• mają praktycznie zerową emisję, działają cicho i mają niskie wymagania operacyjne w porównaniu z istniejącymi technologiami wytwarzania energii

Ponieważ małe elektrociepłownie można podłączyć do konwencjonalnej sieci gazowej, ogniwa paliwowe nie wymagają oddzielnego systemu zasilania wodorem. W przypadku zastosowania małych jednostek kogeneracyjnych z ogniwami paliwowymi ze stałym tlenkiem, wytworzone ciepło można zintegrować z wymiennikami ciepła w celu ogrzewania wody i powietrza wentylacyjnego, zwiększając ogólną wydajność systemu. Ta innowacyjna technologia najlepiej nadaje się do wydajnego wytwarzania energii elektrycznej bez potrzeby kosztownej infrastruktury i skomplikowanej integracji urządzeń.

Zastosowania ogniw paliwowych / ogniw

Zastosowania ogniw paliwowych / ogniw w systemach telekomunikacyjnych

Wraz z rozprzestrzenianiem się systemów komunikacji bezprzewodowej na całym świecie oraz rosnącymi korzyściami społeczno-ekonomicznymi technologii telefonii komórkowej, potrzeba niezawodnego i ekonomicznego zasilania rezerwowego stała się krytyczna. Straty w sieci w ciągu roku spowodowane złą pogodą, klęskami żywiołowymi lub ograniczoną przepustowością sieci stanowią ciągłe wyzwanie dla operatorów sieci.

Tradycyjne rozwiązania rezerwowe dla telekomunikacji obejmują akumulatory (akumulatory kwasowo-ołowiowe z regulacją zaworową) do krótkoterminowego podtrzymania oraz generatory na olej napędowy i propan dla podtrzymania dłuższego. Baterie to stosunkowo niedrogie zapasowe źródło zasilania na 1 do 2 godzin. Jednak baterie nie nadają się do dłuższego zasilania awaryjnego, ponieważ są drogie w utrzymaniu, stają się zawodne po długim okresie użytkowania, są wrażliwe na temperaturę i po utylizacji są niebezpieczne dla środowiska. Generatory na olej napędowy i propan mogą zapewniać ciągłe zasilanie awaryjne. Jednak generatory mogą być zawodne, wymagać czasochłonnej konserwacji i emitować do atmosfery wysoki poziom zanieczyszczeń i gazów cieplarnianych.

Aby rozwiązać ograniczenia tradycyjnych rozwiązań zasilania w trybie czuwania, opracowano innowacyjną technologię zielonych ogniw paliwowych. Ogniwa paliwowe są niezawodne, ciche, zawierają mniej ruchomych części niż generator, mają szerszy zakres temperatur pracy niż akumulator, od -40°C do +50°C, dzięki czemu zapewniają wyjątkowo wysoki poziom oszczędności energii. Ponadto koszt cyklu życia takiej instalacji jest niższy niż koszt generatora. Niższe koszty ogniw paliwowych są wynikiem zaledwie jednej wizyty konserwacyjnej rocznie i znacznie wyższej wydajności zakładu. W końcu ogniwo paliwowe to ekologiczne rozwiązanie technologiczne o minimalnym wpływie na środowisko.

Jednostki ogniw paliwowych zapewniają zasilanie awaryjne dla infrastruktury sieci komunikacyjnych o znaczeniu krytycznym dla telekomunikacji bezprzewodowej, stałej i szerokopasmowej, w zakresie od 250 W do 15 kW, oferując wiele niezrównanych innowacyjnych funkcji:

• NIEZAWODNOŚĆ- kilka ruchomych części i brak rozładowania w trybie czuwania
• OSZCZĘDZANIE ENERGII
• CISZA- niski poziom hałasu
• ZRÓWNOWAŻONY ROZWÓJ- zakres pracy od -40°C do +50°C
• ZDOLNOŚĆ ADAPTACJI- instalacja zewnętrzna i wewnętrzna (kontener/pojemnik ochronny)
• WYSOKA MOC- do 15 kW
• NISKA KONSERWACJA- minimalna roczna konserwacja
• EFEKTYWNOŚĆ- atrakcyjny całkowity koszt posiadania
• ENERGIA PRZYJAZNA ŚRODOWISKU- niska emisja przy minimalnym wpływie na środowisko

System cały czas wykrywa napięcie szyny DC i płynnie akceptuje obciążenia krytyczne, jeśli napięcie szyny DC spadnie poniżej zdefiniowanej przez użytkownika wartości. System jest zasilany wodorem, który dostaje się do stosu ogniw paliwowych na jeden z dwóch sposobów – albo z przemysłowego źródła wodoru, albo z ciekłego paliwa z metanolu i wody przy użyciu zintegrowanego systemu reformingu.

Energia elektryczna jest wytwarzana przez stos ogniw paliwowych w postaci prądu stałego. Moc DC jest przesyłana do konwertera, który przekształca nieregulowaną moc DC ze stosu ogniw paliwowych w wysokiej jakości regulowaną moc DC dla wymaganych obciążeń. Instalacja ogniw paliwowych może stanowić zapasowe źródło zasilania przez wiele dni, ponieważ czas działania jest ograniczony jedynie ilością wodoru lub metanolu / paliwa wodnego w magazynie.

Ogniwa paliwowe oferują wysoki poziom oszczędności energii, zwiększoną niezawodność systemu, bardziej przewidywalną wydajność w szerokim zakresie warunków klimatycznych i niezawodną żywotność w porównaniu ze standardowymi w branży zestawami akumulatorów kwasowo-ołowiowych z zaworami. Koszty cyklu życia są również niższe ze względu na znacznie mniejsze wymagania dotyczące konserwacji i wymiany. Ogniwa paliwowe oferują korzyści środowiskowe dla użytkownika końcowego, ponieważ koszty utylizacji i ryzyko związane z ogniwami kwasowo-ołowiowymi są coraz większym problemem.

Na wydajność akumulatorów elektrycznych może mieć negatywny wpływ szereg czynników, takich jak poziom naładowania, temperatura, cykle, żywotność i inne zmienne. Dostarczona energia będzie się różnić w zależności od tych czynników i nie jest łatwa do przewidzenia. Na wydajność ogniwa paliwowego z membraną do wymiany protonów (POMFC) nie mają wpływu te czynniki i mogą one dostarczać krytyczną energię elektryczną, o ile dostępne jest paliwo. Większa przewidywalność jest ważną korzyścią przy migracji do ogniw paliwowych w krytycznych zastosowaniach zasilania awaryjnego.

Ogniwa paliwowe wytwarzają energię tylko wtedy, gdy dostarczane jest paliwo, podobnie jak generator turbiny gazowej, ale nie mają ruchomych części w strefie wytwarzania. Dzięki temu w przeciwieństwie do generatora nie ulegają szybkiemu zużyciu i nie wymagają stałej konserwacji i smarowania.

Paliwem używanym do napędzania konwertera paliwa o wydłużonym czasie pracy jest mieszanka paliwowa metanolu i wody. Metanol jest powszechnie dostępnym na rynku paliwem, które ma obecnie wiele zastosowań, w tym spryskiwacze szyb, plastikowe butelki, dodatki do silników i farby emulsyjne. Metanol jest łatwy w transporcie, miesza się z wodą, ma dobrą biodegradowalność i nie zawiera siarki. Posiada niską temperaturę zamarzania (-71°C) i nie ulega degradacji przy długim przechowywaniu.

Zastosowanie ogniw paliwowych / ogniw w sieciach komunikacyjnych

Bezpieczne sieci komunikacyjne wymagają niezawodnych rozwiązań zasilania awaryjnego, które mogą działać przez wiele godzin lub dni w sytuacjach awaryjnych, jeśli sieć energetyczna nie jest już dostępna.

Dzięki niewielkiej liczbie ruchomych części i brakowi obniżenia wartości znamionowych w trybie czuwania, innowacyjna technologia ogniw paliwowych oferuje atrakcyjne rozwiązanie w porównaniu z obecnymi systemami zasilania w trybie czuwania.

Najbardziej przekonującym powodem stosowania technologii ogniw paliwowych w sieciach komunikacyjnych jest zwiększona ogólna niezawodność i bezpieczeństwo. Podczas incydentów, takich jak przerwy w dostawie prądu, trzęsienia ziemi, burze i huragany, ważne jest, aby systemy działały nadal i miały niezawodne źródło zasilania awaryjnego przez dłuższy czas, niezależnie od temperatury lub żywotności systemu zasilania awaryjnego.

Asortyment zasilaczy z ogniwami paliwowymi jest idealny do obsługi bezpiecznych sieci komunikacyjnych. Dzięki swoim zasadom oszczędzania energii zapewniają przyjazne dla środowiska, niezawodne zasilanie awaryjne o wydłużonym czasie pracy (do kilku dni) w zakresie mocy od 250 W do 15 kW.

Zastosowanie ogniw paliwowych / ogniw w sieciach danych

Niezawodne zasilanie sieci danych, takich jak szybkie sieci danych i szkielety światłowodowe, ma kluczowe znaczenie na całym świecie. Informacje przesyłane przez takie sieci zawierają dane krytyczne dla instytucji takich jak banki, linie lotnicze czy centra medyczne. Przerwa w dostawie prądu w takich sieciach nie tylko stanowi zagrożenie dla przesyłanych informacji, ale z reguły prowadzi do znacznych strat finansowych. Niezawodne i innowacyjne instalacje ogniw paliwowych z zasilaniem rezerwowym zapewniają niezawodność niezbędną do zapewnienia nieprzerwanego zasilania.

Instalacje ogniw paliwowych pracujące na mieszaninie paliw płynnych metanolu i wody zapewniają niezawodne zasilanie rezerwowe o wydłużonym czasie pracy, nawet do kilku dni. Ponadto jednostki te mają znacznie mniejsze wymagania konserwacyjne w porównaniu z generatorami i akumulatorami, wymagając tylko jednej wizyty konserwacyjnej rocznie.

Typowe cechy lokalizacji dla zastosowania instalacji ogniw paliwowych w sieciach transmisji danych:

• Aplikacje o poborze mocy od 100 W do 15 kW
• Aplikacje wymagające żywotności baterii > 4 godziny
• Repeatery w systemach światłowodowych (hierarchia synchronicznych systemów cyfrowych, szybki Internet, Voice over IP...)
• Szybkie węzły sieciowe
• Węzły transmisyjne WiMAX

Instalacje rezerwowe z ogniwami paliwowymi oferują liczne korzyści dla krytycznych infrastruktur sieci danych w porównaniu z tradycyjnymi bateriami autonomicznymi lub generatorami diesla, umożliwiając zwiększone wykorzystanie w terenie:

1. Technologia paliw płynnych rozwiązuje problem magazynowania wodoru i zapewnia praktycznie nieograniczoną pracę zasilacza awaryjnego.
2. Ze względu na cichą pracę, niewielką wagę, odporność na ekstremalne temperatury i praktycznie bezwibracyjną pracę, ogniwa paliwowe mogą być instalowane na zewnątrz budynku, w pomieszczeniach/kontenerach przemysłowych lub na dachach.
3. Przygotowanie do użytkowania systemu na miejscu jest szybkie i ekonomiczne, a koszty eksploatacji niskie.
4. Paliwo ulega biodegradacji i stanowi przyjazne dla środowiska rozwiązanie dla środowisk miejskich.

Zastosowanie ogniw paliwowych/ogniw w systemach bezpieczeństwa

Najbardziej wyrafinowane systemy bezpieczeństwa i komunikacji w budynkach są tak niezawodne, jak zasilanie, które zapewnia ich działanie. Chociaż większość systemów zawiera jakiś rodzaj zasilaczy UPS do krótkotrwałych zaników zasilania, nie stwarzają one warunków do dłuższych przerw w zasilaniu w następstwie klęsk żywiołowych lub ataków terrorystycznych. Może to być krytyczna kwestia dla wielu agencji korporacyjnych i rządowych.

W przypadku braku niezawodne alternatywne stałe źródło zasilania.

Generatory wysokoprężne wytwarzają dużo hałasu, są trudne do ustawienia i są dobrze znane ze swojej niezawodności i problemów z konserwacją. Natomiast instalacja ogniw paliwowych zapewniająca zasilanie awaryjne jest cicha, niezawodna, ma zerową lub bardzo niską emisję i jest łatwa do zainstalowania na dachu lub na zewnątrz budynku. Nie wyczerpuje się ani nie traci mocy w trybie czuwania. Gwarantuje, że krytyczne systemy będą nadal działać nawet po zamknięciu obiektu i opuszczeniu budynku.

Innowacyjne instalacje ogniw paliwowych chronią cenne inwestycje w zastosowaniach o znaczeniu krytycznym. Zapewniają przyjazne dla środowiska, niezawodne, długotrwałe (do wielu dni) zasilanie rezerwowe do użytku w zakresie mocy od 250 W do 15 kW, w połączeniu z licznymi niezrównanymi funkcjami, a zwłaszcza dużą oszczędnością energii.

Elektrownie rezerwowe na ogniwa paliwowe oferują wiele korzyści w zastosowaniach o znaczeniu krytycznym, takich jak systemy bezpieczeństwa i zarządzania budynkami, w porównaniu z tradycyjnymi bateriami autonomicznymi lub generatorami diesla. Technologia paliw płynnych rozwiązuje problem magazynowania wodoru i zapewnia praktycznie nieograniczoną pracę zasilacza awaryjnego.

Zastosowanie ogniw paliwowych / ogniw paliwowych w domowym ogrzewaniu i energetyce

Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (SFC) są wykorzystywane do budowy niezawodnych, energooszczędnych i bezemisyjnych elektrowni cieplnych do wytwarzania energii elektrycznej i ciepła z powszechnie dostępnego gazu ziemnego i odnawialnych źródeł paliw. Te innowacyjne jednostki są wykorzystywane na wielu różnych rynkach, od wytwarzania energii w domu po dostarczanie energii elektrycznej do odległych obszarów, a także pomocnicze źródła zasilania.

Zastosowanie ogniw paliwowych / ogniw w sieciach dystrybucyjnych

Małe elektrociepłownie projektowane są do pracy w rozproszonej sieci wytwórczej składającej się z dużej liczby małych zespołów prądotwórczych zamiast jednej scentralizowanej elektrowni.

Poniższy rysunek przedstawia straty w sprawności wytwarzania energii elektrycznej, gdy jest ona wytwarzana w elektrociepłowniach i przesyłana do domów za pośrednictwem obecnie eksploatowanych tradycyjnych sieci elektroenergetycznych. Straty sprawności ze scentralizowanego wytwarzania obejmują straty z elektrowni, przesyłu niskiego i wysokiego napięcia oraz straty dystrybucyjne.

Na rysunku przedstawiono wyniki integracji małych elektrociepłowni: energia elektryczna wytwarzana jest ze sprawnością wytwarzania do 60% w miejscu użytkowania. Oprócz tego gospodarstwo domowe może wykorzystać ciepło wytwarzane przez ogniwa paliwowe do ogrzewania wody i pomieszczeń, co zwiększa ogólną efektywność energetyczną paliwa i zwiększa poziom oszczędności energii.

Wykorzystanie ogniw paliwowych do ochrony środowiska – utylizacja związanego z nimi gazu ropopochodnego

Jednym z najważniejszych zadań w przemyśle naftowym jest utylizacja towarzyszącego gazu ropopochodnego. Istniejące metody utylizacji gazu towarzyszącego mają wiele wad, z których najważniejszą jest nieopłacalność ekonomiczną. Towarzyszący gaz ropopochodny jest spalany, co powoduje ogromne szkody dla środowiska i zdrowia ludzi.

Innowacyjne elektrownie cieplne z ogniwami paliwowymi wykorzystujące jako paliwo gaz ropopochodny otwierają drogę do radykalnego i opłacalnego rozwiązania problemów związanych z utylizacją gazu ropopochodnego.

1. Jedną z głównych zalet instalacji ogniw paliwowych jest to, że mogą one działać niezawodnie i stabilnie ze zmiennym towarzyszącym gazem ropopochodnym. Ze względu na bezpłomieniową reakcję chemiczną leżącą u podstaw działania ogniwa paliwowego, zmniejszenie udziału procentowego np. metanu powoduje jedynie odpowiedni spadek mocy wyjściowej.
2. Elastyczność w stosunku do obciążenia elektrycznego odbiorników, spadku, skoku obciążenia.
3. Do montażu i podłączenia elektrociepłowni na ogniwach paliwowych ich realizacja nie wymaga nakładów inwestycyjnych, ponieważ jednostki są łatwo montowane na nieprzygotowanych stanowiskach w pobliżu pól, są wygodne w obsłudze, niezawodne i wydajne.
4. Wysoka automatyka i nowoczesne zdalne sterowanie nie wymagają stałej obecności personelu przy instalacji.
5. Prostota i techniczna doskonałość konstrukcji: brak części ruchomych, ciernych, układów smarowania zapewnia znaczne korzyści ekonomiczne z eksploatacji instalacji ogniw paliwowych.
6. Zużycie wody: brak w temperaturze otoczenia do +30 °C i znikome w wyższych temperaturach.
7. Wylot wody: brak.
8. Ponadto elektrownie kogeneracyjne z ogniwami paliwowymi nie hałasują, nie wibrują, nie wydzielaj szkodliwych emisji do atmosfery

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? Jaki jest jego zakres, 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 ogniw paliwowych 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, bo w 1874 roku, Jules Verne w swojej powieści „Tajemnicza wyspa” przewidział obecną sytuację energetyczną, pisząc, że „woda będzie kiedyś używana jako paliwo, wodór i tlen, które ją tworzą”.

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 nadal jest niespotykanym wynalazkiem w naturze. 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 właśnie 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 przechodzi z jednej strony (anoda), a tlen (powietrze) z drugiej (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:

2H 2 → 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 (przeszły przez elektrolit) i elektrony (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 należy go chemicznie przekształcić w ekstrakcję wodoru. 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 (tj. 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 brak 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 w zakresie 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: typy ogniw paliwowych:

Ogniwa 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 stopionego węgla (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 z czasem rozwiązany, 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 generowane 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 oparte na bezpośrednim metanolu (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 wydłużyć się 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 poszukiwanie możliwości zastosowania 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 już pojawiły się telefony komórkowe i PDA z 50% roztworem, a w 2008 roku w warunkach laboratoryjnych MTI MicroFuel Cells, a nieco później specjaliści z Toshiby 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.

Ogniwo paliwowe Jest urządzeniem elektrochemicznym, podobnym do ogniwa galwanicznego, ale różniącym się od niego tym, że substancje do reakcji elektrochemicznej są do niego dostarczane z zewnątrz - w przeciwieństwie do ograniczonej ilości energii magazynowanej w ogniwie galwanicznym lub baterii.

Ryż. 1. Niektóre ogniwa paliwowe

Ogniwa paliwowe przekształcają energię chemiczną paliwa w energię elektryczną, omijając nieefektywne procesy spalania, które wiążą się z dużymi stratami. Przekształcają wodór i tlen w energię elektryczną w wyniku reakcji chemicznej. W wyniku tego procesu powstaje woda i uwalniana jest duża ilość ciepła. Ogniwo paliwowe jest bardzo podobne do akumulatora, który można ładować, a następnie zużywać za pomocą zgromadzonej energii elektrycznej. Uważa się, że wynalazcą ogniwa paliwowego był William R. Grove, który wynalazł je w 1839 roku. W tym ogniwie paliwowym jako elektrolit zastosowano roztwór kwasu siarkowego, a jako paliwo wodór, który łączył się z tlenem w ośrodku utleniającym. Do niedawna ogniwa paliwowe były używane tylko w laboratoriach i na statkach kosmicznych.

Ryż. 2.

W przeciwieństwie do innych generatorów energii elektrycznej, takich jak silniki spalinowe lub turbiny napędzane gazem, węglem, olejem opałowym itp., ogniwa paliwowe nie spalają paliwa. Oznacza to brak głośnych wirników wysokiego ciśnienia, głośnego hałasu wydechu, żadnych wibracji. Ogniwa paliwowe wytwarzają energię elektryczną poprzez cichą reakcję elektrochemiczną. Inną cechą ogniw paliwowych jest to, że przekształcają energię chemiczną paliwa bezpośrednio w energię elektryczną, ciepło i wodę.

Ogniwa paliwowe są bardzo wydajne i nie wytwarzają dużych ilości gazów cieplarnianych, takich jak dwutlenek węgla, metan i tlenek azotu. Jedyne emisje wytwarzane przez ogniwa paliwowe to woda w postaci pary wodnej i niewielka ilość dwutlenku węgla, który w ogóle nie jest emitowany, jeśli jako paliwo stosuje się czysty wodór. Ogniwa paliwowe są składane w zespoły, a następnie w oddzielne moduły funkcjonalne.

Ogniwa paliwowe nie mają ruchomych części (przynajmniej w samym ogniwie) i dlatego nie są zgodne z prawem Carnota. Oznacza to, że będą miały wydajność większą niż 50% i są szczególnie skuteczne przy niskich obciążeniach. W ten sposób pojazdy na ogniwa paliwowe mogą (i już to zostało udowodnione) bardziej ekonomiczne niż pojazdy konwencjonalne w rzeczywistych warunkach jazdy.

Ogniwo paliwowe generuje prąd elektryczny o stałym napięciu, który może być używany do napędzania silnika elektrycznego, opraw oświetleniowych i innych systemów elektrycznych w pojeździe.

Istnieje kilka rodzajów ogniw paliwowych, które różnią się zastosowanymi procesami chemicznymi. Ogniwa paliwowe są zwykle klasyfikowane według rodzaju używanego elektrolitu.

Niektóre typy ogniw paliwowych są obiecujące do wykorzystania jako elektrownie dla elektrowni, inne zaś do urządzeń przenośnych lub do prowadzenia samochodów.

1. Alkaliczne ogniwa paliwowe (SHFC)

Alkaliczne ogniwo paliwowe- to jeden z pierwszych opracowanych elementów. Alkaliczne ogniwa paliwowe (ALFC) to jedna z najlepiej przebadanych technologii wykorzystywanych przez NASA w programach Apollo i Space Shuttle od połowy lat 60. XX wieku. Na pokładzie tych statków kosmicznych ogniwa paliwowe wytwarzają energię elektryczną i wodę pitną.

Ryż. 3.

Alkaliczne ogniwa paliwowe są jednym z najbardziej wydajnych elementów wykorzystywanych do wytwarzania energii elektrycznej, ze sprawnością wytwarzania energii sięgającą nawet 70%.

Alkaliczne ogniwa paliwowe wykorzystują elektrolit, czyli wodny roztwór wodorotlenku potasu zawarty w porowatej stabilizowanej matrycy. Stężenie wodorotlenku potasu może się zmieniać w zależności od temperatury pracy ogniwa paliwowego, która waha się od 65°C do 220°C. Nośnikiem ładunku w SHFC jest jon hydroksylowy (OH-), który przemieszcza się z katody do anody, gdzie reaguje z wodorem, wytwarzając wodę i elektrony. Woda wytwarzana na anodzie wraca do katody, ponownie wytwarzając tam jony hydroksylowe. Ta seria reakcji w ogniwie paliwowym wytwarza energię elektryczną i, jako produkt uboczny, ciepło:

Reakcja na anodzie: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e

Reakcja katodowa: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH

Ogólna odpowiedź systemu: 2H2 + O2 => 2H2O

Zaletą SHFC jest to, że te ogniwa paliwowe są najtańsze w produkcji, ponieważ katalizatorem potrzebnym na elektrodach może być dowolna z substancji, które są tańsze niż te stosowane jako katalizatory w innych ogniwach paliwowych. Ponadto SCHE działają w stosunkowo niskiej temperaturze i należą do najbardziej wydajnych.

Jedną z charakterystycznych cech SHFCs jest ich wysoka wrażliwość na CO2, który może być zawarty w paliwie lub powietrzu. CO2 reaguje z elektrolitem, szybko go zatruwa i znacznie obniża sprawność ogniwa paliwowego. Dlatego zastosowanie SHTE ogranicza się do przestrzeni zamkniętych, takich jak pojazdy kosmiczne i podwodne, działają one na czysty wodór i tlen.

2. Ogniwa paliwowe na bazie stopionego węglanu (RKTE)

Ogniwa paliwowe ze stopionym elektrolitem węglanowym to wysokotemperaturowe ogniwa paliwowe. Wysoka temperatura robocza umożliwia bezpośrednie wykorzystanie gazu ziemnego bez paliwa procesorowego oraz gazu opałowego o niskiej wartości opałowej do procesów przemysłowych i innych źródeł. Proces ten rozwinął się w połowie lat 60. XX wieku. Od tego czasu udoskonalono technologię produkcji, wydajność i niezawodność.

Ryż. 4.

Działanie RKTE różni się od innych ogniw paliwowych. Ogniwa te wykorzystują elektrolit z mieszaniny stopionych soli węglanowych. Obecnie w użyciu są dwa rodzaje mieszanin: węglan litu i węglan potasu lub węglan litu i węglan sodu. Aby stopić sole węglanowe i osiągnąć wysoki stopień ruchliwości jonów w elektrolicie, ogniwa paliwowe ze stopionym elektrolitem węglanowym pracują w wysokich temperaturach (650°C). Wydajność waha się między 60-80%.

Po podgrzaniu do 650 ° C sole stają się przewodnikiem dla jonów węglanowych (CO32-). Jony te wędrują z katody do anody, gdzie łączą się z wodorem, tworząc wodę, dwutlenek węgla i wolne elektrony. Elektrony te są kierowane z powrotem do katody przez zewnętrzny obwód elektryczny, wytwarzając jako produkt uboczny prąd elektryczny i ciepło.

Reakcja anodowa: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e

Reakcja katodowa: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-

Ogólna reakcja elementu: H2 (g) + 1/2O2 (g) + CO2 (katoda) => H2O (g) + CO2 (anoda)

Wysokie temperatury pracy ogniw paliwowych z roztopionym węglanem elektrolitu mają pewne zalety. Zaletą jest możliwość zastosowania standardowych materiałów (na elektrodach blacha ze stali nierdzewnej i katalizator niklowy). Ciepło odpadowe można wykorzystać do wytwarzania pary pod wysokim ciśnieniem. Zaletą są również wysokie temperatury reakcji w elektrolicie. Stosowanie wysokich temperatur zajmuje dużo czasu, aby osiągnąć optymalne warunki pracy, a system wolniej reaguje na zmiany zużycia energii. Cechy te pozwalają na stosowanie instalacji ogniw paliwowych ze stopionym elektrolitem węglanowym w warunkach stałej mocy. Wysokie temperatury zapobiegają uszkodzeniom ogniw paliwowych przez tlenek węgla, zatruciom i nie tylko.

Ogniwa paliwowe na stopiony elektrolit węglanowy nadają się do stosowania w dużych instalacjach stacjonarnych. Elektrociepłownie o mocy wyjściowej 2,8 MW produkowane są przemysłowo. Rozwijane są instalacje o mocy do 100 MW.

3. Ogniwa paliwowe na bazie kwasu fosforowego (FCTE)

Ogniwa paliwowe na bazie kwasu fosforowego (ortofosforowego) stał się pierwszym ogniwem paliwowym do użytku komercyjnego. Proces ten został opracowany w połowie lat 60-tych XX wieku, badania prowadzone są od lat 70-tych XX wieku. W rezultacie zwiększono stabilność i wydajność oraz obniżono koszty.

Ryż. 5.

Ogniwa paliwowe na bazie kwasu fosforowego (ortofosforowego) wykorzystują elektrolit na bazie kwasu fosforowego (H3PO4) o stężeniu do 100%. Przewodność jonowa kwasu fosforowego jest niska w niskich temperaturach, dlatego te ogniwa paliwowe są używane w temperaturach do 150-220 ° C.

Nośnikiem ładunku w tego typu ogniwie paliwowym jest wodór (H+, proton). Podobny proces zachodzi w ogniwach paliwowych z membraną do wymiany protonów (MOPTE), w której wodór dostarczany do anody jest rozdzielany na protony i elektrony. Protony przechodzą przez elektrolit i łączą się z tlenem z powietrza na katodzie, tworząc wodę. Elektrony są kierowane przez zewnętrzny obwód elektryczny, aby generować prąd elektryczny. Poniżej znajdują się reakcje, które generują prąd elektryczny i ciepło.

Reakcja na anodzie: 2H2 => 4H + + 4e

Reakcja katodowa: O2 (g) + 4H + + 4e- => 2H2O

Ogólna reakcja pierwiastka: 2H2 + O2 => 2H2O

Sprawność ogniw paliwowych opartych na kwasie fosforowym (ortofosforowym) przy wytwarzaniu energii elektrycznej przekracza 40%. Przy skojarzonym wytwarzaniu ciepła i energii ogólna sprawność wynosi około 85%. Ponadto, biorąc pod uwagę temperatury robocze, ciepło odpadowe można wykorzystać do podgrzewania wody i wytwarzania pary pod ciśnieniem atmosferycznym.

Wysoka wydajność elektrociepłowni na ogniwach paliwowych opartych na kwasie fosforowym (ortofosforowym) w skojarzonej produkcji ciepła i energii elektrycznej jest jedną z zalet tego typu ogniw paliwowych. Zakłady stosują tlenek węgla o stężeniu około 1,5%, co znacznie poszerza wybór paliwa. Prosta konstrukcja, niska lotność elektrolitu i zwiększona stabilność to także zalety takich ogniw paliwowych.

Elektrociepłownie o mocy wyjściowej do 400 kW są produkowane przemysłowo. Instalacje o mocy 11 MW przeszły odpowiednie testy. Rozwijane są instalacje o mocy do 100 MW.

4. Ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów (MOPTE)

Ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów uważane są za najlepszy rodzaj ogniw paliwowych do wytwarzania energii dla pojazdów, które mogą zastąpić silniki spalinowe benzynowe i wysokoprężne. Te ogniwa paliwowe zostały po raz pierwszy użyte przez NASA w programie Gemini. Opracowano i pokazano instalacje na MOPTE o mocy od 1W do 2 kW.

Ryż. 6.

Elektrolit w tych ogniwach paliwowych to stała membrana polimerowa (cienka folia z tworzywa sztucznego). Po namoczeniu w wodzie polimer ten przepuszcza protony, ale nie przewodzi elektronów.

Paliwem jest wodór, a nośnikiem ładunku jest jon wodorowy (proton). Na anodzie cząsteczka wodoru zostaje podzielona na jon wodorowy (proton) i elektrony. Jony wodoru przechodzą przez elektrolit do katody, podczas gdy elektrony poruszają się po zewnętrznym okręgu i wytwarzają energię elektryczną. Tlen, który jest pobierany z powietrza, jest podawany do katody i łączy się z elektronami i jonami wodoru, tworząc wodę. Na elektrodach zachodzą następujące reakcje: Reakcja na anodzie: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e Reakcja na katodzie: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH Ogólna reakcja ogniwa: 2H2 + O2 => 2H2O W porównaniu z innymi rodzaje ogniw paliwowych, ogniwa paliwowe membrana do wymiany protonów wytwarza więcej energii dla danej objętości lub wagi ogniwa paliwowego. Ta cecha pozwala im być kompaktowymi i lekkimi. Dodatkowo temperatura pracy jest mniejsza niż 100°C, co pozwala na szybkie uruchomienie pracy. Te cechy, jak również zdolność do szybkiej zmiany mocy wyjściowej, to tylko kilka z tego, co sprawia, że ​​te ogniwa paliwowe są głównym kandydatem do użytku w pojazdach.

Kolejną zaletą jest to, że elektrolit jest stały, a nie płynny. Łatwiej jest utrzymać gazy na katodzie i anodzie za pomocą elektrolitu stałego, więc takie ogniwa paliwowe są tańsze w produkcji. Przy stosowaniu elektrolitu stałego nie występują trudności takie jak orientacja i mniej problemów związanych z występowaniem korozji, co wydłuża żywotność ogniwa i jego elementów.

Ryż. 7.

5. Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC)

Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem to ogniwa paliwowe o najwyższej temperaturze pracy. Temperaturę pracy można zmieniać od 600 ° C do 1000 ° C, co pozwala na stosowanie różnych rodzajów paliwa bez specjalnej obróbki wstępnej. Aby poradzić sobie z tak wysokimi temperaturami, używanym elektrolitem jest cienki, stały tlenek metalu na bazie ceramiki, często ze stopu itru i cyrkonu, który jest przewodnikiem jonów tlenu (O2-). Technologia wykorzystania ogniw paliwowych ze stałym tlenkiem rozwija się od końca lat 50. i ma dwie konfiguracje: płaską i rurową.

Elektrolit stały zapewnia hermetycznie zamknięte przejście gazu z jednej elektrody na drugą, podczas gdy elektrolity płynne znajdują się w porowatym podłożu. Nośnikiem ładunku w tego typu ogniwie paliwowym jest jon tlenu (O2-). Na katodzie cząsteczki tlenu z powietrza są rozdzielane na jon tlenu i cztery elektrony. Jony tlenu przechodzą przez elektrolit i łączą się z wodorem, tworząc cztery wolne elektrony. Elektrony są kierowane przez zewnętrzny obwód elektryczny, generując prąd elektryczny i ciepło odpadowe.

Ryż. osiem.

Reakcja na anodzie: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e

Reakcja katodowa: O2 + 4e- => 2O2-

Ogólna reakcja pierwiastka: 2H2 + O2 => 2H2O

Sprawność wytwarzania energii elektrycznej jest najwyższa ze wszystkich ogniw paliwowych – około 60%. Ponadto wysokie temperatury robocze umożliwiają skojarzone wytwarzanie ciepła i energii elektrycznej na wytwarzanie pary pod wysokim ciśnieniem. Połączenie wysokotemperaturowego ogniwa paliwowego z turbiną umożliwia stworzenie hybrydowego ogniwa paliwowego zwiększającego sprawność wytwarzania energii elektrycznej nawet o 70%.

Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem działają w bardzo wysokich temperaturach (600 °C-1000 °C), przez co osiągnięcie optymalnych warunków pracy zajmuje dużo czasu, a układ wolniej reaguje na zmiany zużycia energii. W tak wysokich temperaturach roboczych konwerter nie jest wymagany do odzyskiwania wodoru z paliwa, co pozwala elektrociepłowni na pracę ze stosunkowo nieczystymi paliwami pochodzącymi ze zgazowania węgla lub gazów odlotowych i tym podobnych. Ponadto ogniwo to doskonale nadaje się do pracy przy dużych mocach, w tym w elektrowniach przemysłowych i dużych elektrowniach centralnych. Komercyjnie produkowane są moduły o wyjściowej mocy elektrycznej 100 kW.

6. Ogniwa paliwowe z bezpośrednim utlenianiem metanolu (POMTE)

Ogniwa paliwowe z bezpośrednim utlenianiem metanolu Są z powodzeniem wykorzystywane w dziedzinie zasilania telefonów komórkowych, laptopów, a także do tworzenia przenośnych źródeł zasilania, do czego zmierzają przyszłe zastosowania takich elementów.

Konstrukcja ogniw paliwowych z bezpośrednim utlenianiem metanolu jest podobna do konstrukcji ogniw paliwowych z membraną do wymiany protonów (MOPTE), tj. polimer jest używany jako elektrolit, a jon wodorowy (proton) jest używany jako nośnik ładunku. Ale ciekły metanol (CH3OH) utlenia się w obecności wody na anodzie z uwolnieniem CO2, jonów wodorowych i elektronów, które są przesyłane zewnętrznym obwodem elektrycznym, i wytwarzany jest prąd elektryczny. Jony wodoru przechodzą przez elektrolit i reagują z tlenem z powietrza i elektronami z obwodu zewnętrznego, tworząc wodę na anodzie.

Reakcja na anodzie: CH3OH + H2O => CO2 + 6H + + 6e Reakcja na katodzie: 3 / 2O2 + 6H + + 6e- => 3H2O Ogólna reakcja pierwiastka: CH3OH + 3 / 2O2 => CO2 + 2H2O Rozwój takich ogniw paliwowych prowadzono od początku lat 90-tych XX wieku, a ich gęstość mocy i sprawność zwiększono do 40%.

Elementy te były testowane w zakresie temperatur 50-120°C. Ze względu na niskie temperatury pracy i brak konieczności stosowania konwertera, takie ogniwa paliwowe są najlepszymi kandydatami do zastosowań w telefonach komórkowych i innych towarach konsumpcyjnych, a także w silnikach samochodowych. Ich zaletą jest również niewielki rozmiar.

7. Ogniwa paliwowe z elektrolitem polimerowym (PETE)

W przypadku ogniw paliwowych z elektrolitem polimerowym, membrana polimerowa składa się z włókien polimerowych z obszarami wodnymi, w których przewodnictwo jonów wody H2O+ (proton, czerwień) jest przyłączone do cząsteczki wody. Cząsteczki wody stanowią problem ze względu na powolną wymianę jonów. Dlatego wymagane jest wysokie stężenie wody zarówno w paliwie, jak i na elektrodach wylotowych, co ogranicza temperaturę pracy do 100°C.

8. Ogniwa paliwowe ze stałym kwasem (TKTE)

W stałych kwasowych ogniwach paliwowych elektrolit (CsHSO4) nie zawiera wody. Temperatura pracy wynosi zatem 100-300°C. Rotacja oksyanionów SO42 - pozwala protonom (czerwonym) poruszać się jak pokazano na rysunku. Zazwyczaj ogniwo paliwowe ze stałym kwasem to kanapka, w której bardzo cienka warstwa stałego związku kwasowego jest umieszczona pomiędzy dwiema mocno ściśniętymi elektrodami, aby zapewnić dobry kontakt. Po podgrzaniu składnik organiczny odparowuje, pozostawiając pory w elektrodach, zachowując zdolność do wielokrotnych kontaktów między paliwem (lub tlenem na drugim końcu ogniw), elektrolitem i elektrodami.

Ryż. dziewięć.

9. Porównanie najważniejszych cech ogniw paliwowych

Ryż. dziesięć.

10. Zastosowanie ogniw paliwowych w samochodach

Ryż. jedenaście.

Ryż. 12.