Ogniwa paliwowe. Ogniwa paliwowe: spojrzenie w przyszłość

Stany Zjednoczone podjęły kilka inicjatyw w celu opracowania wodorowych ogniw paliwowych, infrastruktury i technologii, aby pojazdy na ogniwa paliwowe były praktyczne i ekonomiczne do 2020 roku. Na te cele przeznaczono ponad miliard dolarów.

Ogniwa paliwowe wytwarzają energię elektryczną cicho i wydajnie, nie zanieczyszczając środowiska. W przeciwieństwie do źródeł energii wykorzystujących paliwa kopalne, produktami ubocznymi ogniw paliwowych są ciepło i woda. Jak to działa?

W tym artykule dokonamy krótkiego przeglądu każdej z istniejących obecnie technologii paliwowych, a także porozmawiamy o projektowaniu i działaniu ogniw paliwowych oraz porównamy je z innymi formami produkcji energii. Omówimy również niektóre przeszkody, jakie napotykają badacze, aby ogniwa paliwowe były praktyczne i przystępne cenowo dla konsumentów.

Ogniwa paliwowe są urządzenia do elektrochemicznej konwersji energii,... Ogniwo paliwowe przekształca chemikalia, wodór i tlen w wodę w procesie wytwarzania energii elektrycznej.

Innym urządzeniem elektrochemicznym, które wszyscy znamy, jest bateria. Bateria zawiera w sobie wszystkie niezbędne pierwiastki chemiczne i zamienia te substancje w energię elektryczną. Oznacza to, że bateria w końcu „umiera” i albo ją wyrzucasz, albo ładujesz.

W ogniwie paliwowym stale wpływają do niego chemikalia, dzięki czemu nigdy nie „umiera”. Energia elektryczna będzie generowana tak długo, jak długo chemikalia będą przepływać do elementu. Większość używanych obecnie ogniw paliwowych wykorzystuje wodór i tlen.

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

Wynalezienie ogniw paliwowych

Sir William Grove wynalazł pierwsze ogniwo paliwowe w 1839 roku. Grove wiedział, że wodę można rozdzielić na wodór i tlen, przepuszczając przez nią prąd elektryczny (proces zwany elektroliza). Zasugerował, że można uzyskać prąd i wodę 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 ukuli ten termin ogniwa paliwowe próbując zbudować praktyczny model wytwarzania energii elektrycznej.

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

Ogniwo paliwowe zapewnia napięcie prądu stałego (prąd stały), które może być wykorzystywane do zasilania silników elektrycznych, oświetlenia i innych urządzeń elektrycznych.

Istnieje kilka różnych typów ogniw paliwowych, z których każdy wykorzystuje inny proces chemiczny. Ogniwa paliwowe są zwykle klasyfikowane według ich temperatura robocza oraz rodzajelektrolit, których używają. Niektóre typy ogniw paliwowych doskonale nadają się do stosowania w elektrowniach stacjonarnych. Inne mogą być przydatne do małych urządzeń przenośnych lub do zasilania samochodów. Główne typy ogniw paliwowych to:

Ogniwo paliwowe z membraną do wymiany polimerów (PEMFC)

PEMFC jest uważany za najbardziej prawdopodobnego kandydata do zastosowań transportowych. PEMFC charakteryzuje się zarówno dużą mocą, jak i stosunkowo niską temperaturą pracy (w zakresie od 60 do 80 stopni Celsjusza). Niska temperatura robocza oznacza, że ​​ogniwa paliwowe mogą szybko się nagrzać, aby rozpocząć wytwarzanie energii elektrycznej.

Ogniwo paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC)

Te ogniwa paliwowe są najbardziej odpowiednie dla dużych stacjonarnych generatorów prądu, które mogą zasilać fabrykę lub miasto. Ten rodzaj ogniwa paliwowego działa w bardzo wysokich temperaturach (700 do 1000 stopni Celsjusza). Wysoka temperatura jest problemem niezawodności, ponieważ niektóre ogniwa paliwowe mogą ulec awarii po kilku cyklach włączania i wyłączania. Jednak ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem są bardzo stabilne w ciągłej pracy. W rzeczywistości ogniwa SOFC wykazały najdłuższą żywotność spośród wszystkich ogniw paliwowych w określonych warunkach. Zaletą jest również wysoka temperatura: para generowana przez ogniwa paliwowe może być skierowana do turbin i generować więcej energii elektrycznej. Ten proces nazywa się kogeneracja ciepła i energii elektrycznej i poprawia ogólną wydajność systemu.

Alkaliczne ogniwo paliwowe (AFC)

Jest to jedna z najstarszych konstrukcji 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 tego typu ogniwo paliwowe raczej nie zostanie wprowadzone do masowej produkcji.

Ogniwo paliwowe ze stopionym węglanem (MCFC)

Podobnie jak SOFC, te ogniwa paliwowe najlepiej nadają się również do dużych elektrowni stacjonarnych i generatorów. Działają w temperaturze 600 stopni Celsjusza, dzięki czemu mogą generować parę, która z kolei może być wykorzystana do generowania jeszcze większej mocy. Mają niższą temperaturę pracy niż ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem, co oznacza, że ​​nie potrzebują tak odpornych na ciepło materiałów. To sprawia, że ​​są trochę tańsze.

Ogniwo paliwowe z kwasem fosforowym (PAFC)

Ogniwo paliwowe z kwasem fosforowym ma potencjał do zastosowania w małych stacjonarnych systemach elektroenergetycznych. Działa w wyższej temperaturze niż ogniwo paliwowe z membraną do wymiany polimerów, więc nagrzewa się dłużej, przez co nie nadaje się do stosowania w samochodach.

Ogniwo paliwowe z bezpośrednim metanolem (DMFC)

Ogniwa paliwowe na metanol są porównywalne z PEMFC pod względem temperatury pracy, ale nie tak wydajne. Ponadto ogniwa DMFC wymagają dość dużej ilości platyny do działania jako katalizator, co sprawia, że ​​te ogniwa paliwowe są drogie.

Ogniwo paliwowe z membraną wymiany polimeru

Ogniwo paliwowe z wymianą membrany polimerowej (PEMFC) to jedna z najbardziej obiecujących technologii ogniw paliwowych. PEMFC wykorzystuje jedną z najprostszych reakcji dowolnego ogniwa paliwowego. Zastanów się, z czego się składa.

1. A węzeł - ujemny zacisk ogniwa paliwowego. Przewodzi elektrony, które są uwalniane z cząsteczek wodoru, po czym mogą być wykorzystane w obwodzie zewnętrznym. Posiada wygrawerowane kanały, przez które gazowy wodór jest rozprowadzany równomiernie po powierzchni katalizatora.

2.DO atoda - biegun dodatni ogniwa paliwowego posiada również kanały do ​​dystrybucji tlenu na powierzchni katalizatora. Przewodzi również elektrony z powrotem z zewnętrznego łańcucha katalizatora, gdzie mogą łączyć się z jonami wodoru i tlenu, tworząc wodę.

3.Membrana do wymiany elektrolit-proton... Jest to specjalnie przetworzony materiał, który przewodzi tylko dodatnio naładowane jony i blokuje elektrony. W przypadku PEMFC membrana musi być wilgotna, aby działała prawidłowo i pozostała stabilna.

4. Katalizator Jest specjalnym materiałem, który wspomaga reakcję tlenu i wodoru. Zwykle jest wykonany z nanocząstek platyny nałożonych bardzo cienko na kalkę lub tkaninę. Katalizator ma taką strukturę powierzchni, że maksymalna powierzchnia platyny może być wystawiona na działanie wodoru lub tlenu.

Rysunek przedstawia gazowy wodór (H2) wtłaczany do ogniwa paliwowego od strony anody. Kiedy cząsteczka H2 wejdzie w kontakt z platyną na katalizatorze, rozpada się na dwa jony H + i dwa elektrony. Elektrony przechodzą przez anodę, gdzie są wykorzystywane w obwodzie zewnętrznym (wykonując użyteczną pracę, taką jak obracanie silnika) iz powrotem do strony katodowej ogniwa paliwowego.

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

Ta reakcja w pojedynczym ogniwie paliwowym wytwarza tylko około 0,7 wolta. Aby podnieść napięcie do rozsądnego poziomu, wiele pojedynczych ogniw paliwowych musi być połączonych w stos ogniw paliwowych. Płytki dwubiegunowe służą do łączenia jednego ogniwa paliwowego z drugim i podlegają utlenianiu depotencjalnemu. Dużym problemem z płytami bipolarnymi jest ich stabilność. Metalowe płyty dwubiegunowe mogą ulegać korozji, a produkty uboczne (jony żelaza i chromu) zmniejszają wydajność membran i elektrod ogniw paliwowych. Dlatego ogniwa paliwowe niskotemperaturowe wykorzystują metale lekkie, grafit oraz związki kompozytowe węgla i materiału termoutwardzalnego (materiał termoutwardzalny to rodzaj tworzywa, które pozostaje stałe nawet pod wpływem wysokich temperatur) w postaci bipolarnego materiału arkuszowego.

Sprawność ogniw paliwowych

Zmniejszenie zanieczyszczenia jest jednym z głównych celów ogniwa paliwowego. Porównując samochód zasilany ogniwem paliwowym z samochodem napędzanym silnikiem benzynowym i samochodem zasilanym akumulatorem, zobaczysz, jak ogniwa paliwowe mogą poprawić wydajność samochodów.

Ponieważ wszystkie trzy typy samochodów mają wiele takich samych elementów, zignorujemy tę część samochodu i porównamy sprawność do momentu, w którym wytwarzana jest energia mechaniczna. Zacznijmy od pojazdu na ogniwa paliwowe.

Jeśli ogniwo paliwowe jest zasilane czystym wodorem, jego sprawność może sięgać nawet 80 procent. W ten sposób przekształca 80 procent energii zawartej w wodorze w energię elektryczną. Jednak nadal musimy zamienić energię elektryczną na pracę mechaniczną. Osiąga się to za pomocą silnika elektrycznego i falownika. Sprawność silnika + falownika również wynosi około 80 procent. Daje to całkowitą sprawność około 80*80/100=64 procent. Pojazd koncepcyjny Hondy FCX ma podobno 60-procentową wydajność energetyczną.

Jeśli źródłem paliwa nie jest czysty wodór, pojazd będzie również potrzebował reformera. Reformatory przekształcają paliwa węglowodorowe lub alkoholowe w wodór. Wytwarzają ciepło i oprócz wodoru wytwarzają CO i CO2. Wykorzystują różne urządzenia do oczyszczania wytworzonego wodoru, ale to oczyszczanie jest niewystarczające i obniża sprawność ogniwa paliwowego. Dlatego naukowcy postanowili skupić się na ogniwach paliwowych do pojazdów zasilanych czystym wodorem, pomimo problemów związanych z produkcją i magazynowaniem wodoru.

Sprawność silnika benzynowego i samochodu na bateriach elektrycznych

Sprawność samochodu napędzanego benzyną jest zaskakująco niska. Całe ciepło, które wydostaje się z układu wydechowego lub jest pochłaniane przez grzejnik, jest zmarnowaną energią. Silnik zużywa również dużo energii do napędzania różnych pomp, wentylatorów i generatorów, które go podtrzymują. Zatem całkowita sprawność samochodowego silnika benzynowego wynosi około 20 procent. W ten sposób tylko około 20 procent zawartości energii cieplnej w benzynie jest przekształcane w pracę mechaniczną.

Pojazd elektryczny zasilany bateryjnie ma dość wysoką sprawność. Akumulator ma sprawność około 90 procent (większość akumulatorów generuje trochę ciepła lub wymaga podgrzania), a silnik + falownik ma sprawność około 80 procent. Daje to ogólną sprawność około 72 procent.

Ale to nie wszystko. Aby samochód elektryczny mógł się poruszać, najpierw trzeba gdzieś wytworzyć energię elektryczną. Gdyby była to elektrownia wykorzystująca spalanie paliw kopalnych (zamiast energii jądrowej, hydroelektrycznej, słonecznej lub wiatrowej), to tylko około 40 procent paliwa elektrowni zostało przekształcone w energię elektryczną. Dodatkowo proces ładowania samochodu wymaga konwersji prądu przemiennego na prąd stały. Ten proces ma wydajność około 90 procent.

Teraz, jeśli spojrzymy na cały cykl, sprawność pojazdu elektrycznego wynosi 72 procent dla samego samochodu, 40 procent dla elektrowni i 90 procent dla ładowania samochodu. Daje to ogólną sprawność na poziomie 26 procent. Ogólna wydajność różni się znacznie w zależności od tego, która elektrownia jest używana do ładowania akumulatora. Jeśli prąd do samochodu jest wytwarzany na przykład przez elektrownię wodną, ​​to sprawność samochodu elektrycznego wyniesie około 65 procent.

Naukowcy badają i ulepszają projekty, aby nadal poprawiać wydajność ogniwa paliwowego. Jednym z nowych podejść jest integracja pojazdów zasilanych ogniwami paliwowymi i akumulatorami. Opracowywany jest pojazd koncepcyjny napędzany hybrydowym układem napędowym zasilanym ogniwami paliwowymi. Wykorzystuje baterię litową do zasilania pojazdu, podczas gdy ogniwo paliwowe ładuje akumulator.

Pojazdy na ogniwa paliwowe są potencjalnie tak samo wydajne, jak samochód zasilany bateryjnie, ładowany z elektrowni, która nie wykorzystuje paliw kopalnych. Jednak osiągnięcie tego potencjału w praktyczny i przystępny sposób może być trudne.

Dlaczego warto korzystać z ogniw paliwowych?

Głównym powodem jest wszystko, co dotyczy ropy. Ameryka musi importować prawie 60 procent swojej ropy. Oczekuje się, że do 2025 r. import wzrośnie do 68%. Amerykanie zużywają codziennie dwie trzecie swojej ropy do transportu. Nawet gdyby każdy samochód na ulicy był samochodem hybrydowym, do 2025 roku Stany Zjednoczone nadal musiałyby zużywać taką samą ilość oleju, jaką Amerykanie zużywali w 2000 roku. Rzeczywiście, Ameryka zużywa jedną czwartą światowej ropy, choć mieszka tu tylko 4,6% światowej populacji.

Eksperci spodziewają się, że ceny ropy będą nadal rosły w ciągu najbliższych kilku dekad, ponieważ tańsze źródła będą się wyczerpywać. Firmy naftowe muszą rozwijać pola naftowe w coraz trudniejszym środowisku, co spowoduje wzrost cen ropy.

Obawy wykraczają daleko poza bezpieczeństwo ekonomiczne. Wiele środków uzyskanych ze sprzedaży ropy jest przeznaczanych na utrzymanie międzynarodowego terroryzmu, radykalnych partii politycznych i niestabilnej sytuacji w regionach wydobywających ropę.

Wykorzystywanie ropy naftowej i innych paliw kopalnych do wytwarzania energii powoduje zanieczyszczenie. Najlepiej, aby każdy znalazł alternatywę — spalanie paliw kopalnych w celu uzyskania energii.

Ogniwa paliwowe są atrakcyjną alternatywą dla uzależnienia od ropy naftowej. Zamiast zanieczyszczeń ogniwa paliwowe produkują czystą wodę jako produkt uboczny. Podczas gdy inżynierowie tymczasowo skoncentrowali się na produkcji wodoru z różnych źródeł kopalnych, takich jak benzyna lub gaz ziemny, w przyszłości badane są odnawialne, przyjazne dla środowiska sposoby wytwarzania wodoru. 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. Jednak dzięki światowemu wsparciu i globalnej współpracy opłacalny system energetyczny oparty na ogniwach paliwowych może stać się rzeczywistością w ciągu zaledwie kilku dekad.

Podobnie jak w przypadku istnienia 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 stosunkowo czystego wodoru jako paliwa. 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 potrzebują tej dodatkowej procedury, ponieważ mogą przeprowadzić „wewnętrzną konwersję” paliwa w podwyższonych temperaturach, co oznacza brak konieczności inwestowania w infrastrukturę wodorową.

Ogniwa paliwowe na bazie stopionego węglanu (RKTE)

Ogniwa paliwowe z elektrolitem stopionym węglanem to ogniwa paliwowe wysokotemperaturowe. Wysoka temperatura pracy pozwala na bezpośrednie wykorzystanie gazu ziemnego bez procesora oraz gazu opałowego o niskiej kaloryczności w paliwach procesowych produkcji oraz z innych źródeł. Proces ten został opracowany w połowie lat sześćdziesiątych. Od tego czasu udoskonalono technologię produkcji, wydajność i niezawodność.

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

Wysokie temperatury pracy ogniw paliwowych na stopiony elektrolit węglanowy 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.

Swoje zalety mają 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, „zatruciu” itp.

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.

Ogniwa paliwowe z kwasem fosforowym (FCTE)

Ogniwa paliwowe z kwasem fosforowym (ortofosforowym) były pierwszymi ogniwami paliwowymi do użytku komercyjnego. Proces ten został opracowany w połowie lat 60. i był testowany od lat 70. XX wieku. Od tego czasu zwiększono stabilność, zmniejszono wydajność i obniżono koszty.

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 (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, generując prąd elektryczny. Poniżej znajdują się reakcje, które generują energię elektryczną i ciepło.

Reakcja na anodzie: 2H 2 => 4H + + 4e -
Reakcja na katodzie: O 2 (g) + 4H + + 4e - => 2H 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%. W 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 działanie ogniwa paliwowego, które współpracuje z reformowanym paliwem naturalnym. Prosta konstrukcja, niska lotność elektrolitu i zwiększona stabilność to także zalety tego typu ogniwa paliwowego.

Elektrociepłownie o mocy wyjściowej do 400 kW są produkowane przemysłowo. Bloki 11 MW zostały odpowiednio przetestowane. Rozwijane są instalacje o mocy do 100 MW.

Ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów (MOPTE)

Ogniwa paliwowe membranowe są uważane za najlepszy rodzaj ogniw paliwowych do generowania mocy pojazdu, który może zastąpić silniki spalinowe benzynowe i wysokoprężne. Te ogniwa paliwowe zostały po raz pierwszy użyte przez NASA w programie Gemini. Obecnie opracowywane i demonstrowane są jednostki MOPTE o mocy od 1 W do 2 kW.

Te ogniwa paliwowe wykorzystują jako elektrolit stałą membranę polimerową (cienka folia z tworzywa sztucznego). Po nasączeniu wodą polimer ten umożliwia przechodzenie protonów, 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 wodorowe 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: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reakcja na katodzie: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4OH -
Ogólna reakcja pierwiastka: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

W porównaniu z innymi typami ogniw paliwowych, ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów wytwarzają więcej energii dla danej objętości lub wagi ogniwa paliwowego. Ta funkcja pozwala im być kompaktowymi i lekkimi. Dodatkowo temperatura pracy nie przekracza 100°C, co pozwala na szybkie uruchomienie pracy. Te cechy, jak również zdolność do szybkiej zmiany mocy wyjściowej, to tylko niektóre z cech, które sprawiają, że te ogniwa paliwowe są głównym kandydatem do użytku w pojazdach.

Kolejną zaletą jest to, że elektrolit jest substancją stałą, a nie płynną. Utrzymywanie gazów na katodzie i anodzie jest łatwiejsze w przypadku stałego elektrolitu, a zatem takie ogniwa paliwowe są tańsze w produkcji. W porównaniu z innymi elektrolitami, przy stosowaniu elektrolitu stałego nie ma takich trudności jak orientacja, jest mniej problemów z powodu występowania korozji, co prowadzi do dłuższej żywotności ogniwa i jego elementów.

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, stosowanym elektrolitem jest cienki, stały tlenek metalu na bazie ceramiki, często ze stopu itru i cyrkonu, który jest przewodnikiem jonów tlenu (O 2 -). Technologia wykorzystania ogniw paliwowych ze stałym tlenkiem rozwija się od końca lat pięćdziesiątych. 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 (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%. 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), co zajmuje dużo czasu, aby osiągnąć optymalne warunki pracy, a układ wolniej reaguje na zmiany zużycia energii. Przy 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 do bezpośredniego utleniania 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: 3/2 O 2 + 6H + + 6e - => 3H 2 O
Ogólna reakcja pierwiastka: CH 3 OH + 3/2 O 2 => CO 2 + 2H 2 O

Rozwój tych ogniw paliwowych rozpoczął się na początku lat 90-tych. Wraz z rozwojem ulepszonych katalizatorów i innymi niedawnymi innowacjami, gęstość mocy i wydajność zostały zwiększone do 40%.

Elementy te były testowane w zakresie temperatur 50-120 °C. Ze względu na niskie temperatury pracy i brak konieczności stosowania konwertera, ogniwa paliwowe z bezpośrednim metanolem są najlepszym kandydatem do zastosowań w telefonach komórkowych i innych towarach konsumpcyjnych, a także w silnikach samochodowych. Zaletą tego typu ogniwa paliwowego są jego niewielkie rozmiary, ze względu na zastosowanie paliwa płynnego oraz brak konieczności stosowania konwertera.

Alkaliczne ogniwa paliwowe (SHFC)

Alkaliczne ogniwa paliwowe (ALFC) to jedna z najlepiej przebadanych technologii, stosowana od połowy lat 60. XX wieku. przez NASA w programach Apollo i Space Shuttle. Na pokładzie tych statków kosmicznych ogniwa paliwowe wytwarzają energię elektryczną i wodę pitną. Alkaliczne ogniwa paliwowe są jednym z najbardziej wydajnych elementów wykorzystywanych do wytwarzania energii elektrycznej, a sprawność wytwarzania energii dochodzi do 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 - => 4OH -
Ogólna reakcja układu: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Zaletą SHFC jest to, że te ogniwa paliwowe są najtańsze w produkcji, ponieważ katalizator potrzebny na elektrodach może być dowolną substancją tańszą niż te stosowane jako katalizatory w innych ogniwach paliwowych. Ponadto SHFC 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 CH 4, które są bezpieczne dla innych ogniw paliwowych, a nawet paliwo dla niektórych z nich, są szkodliwe dla SHFC.

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 H 2 O + (proton, czerwony) 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 paliwowe na kwas stały (TKTE)

W stałych kwasowych ogniwach paliwowych elektrolit (C s HSO 4) nie zawiera wody. Temperatura pracy wynosi zatem 100-300°C. Rotacja anionów tlenowych SO 4 2- pozwala protonom (czerwonym) poruszać się, jak pokazano na rysunku. Zazwyczaj ogniwo paliwowe ze stałym kwasem jest kanapką, 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.

Tradycyjny silnik spalinowy (ICE) ma szereg istotnych wad, co sprawia, że ​​naukowcy szukają dla niego godnego zamiennika. Najpopularniejszą opcją dla tej alternatywy jest silnik elektryczny, ale nie tylko on może konkurować z silnikiem spalinowym. W tym artykule skupimy się na silniku wodorowym, który słusznie uważany jest za przyszłość przemysłu motoryzacyjnego i może rozwiązać problem szkodliwych emisji i wysokich kosztów paliwa.

Krótka historia

Pomimo tego, że ochrona środowiska dopiero teraz stała się problemem masowym, naukowcy już wcześniej myśleli o zmianie standardowego silnika spalinowego. Tak więc silnik napędzany wodorem „ujrzał świat” już w 1806 roku, co ułatwił francuski wynalazca François Isaac de Rivaz (produkował wodór przez elektrolizę wody).

Minęło kilkadziesiąt lat, a pierwszy patent na silnik wodorowy został wydany w Anglii (1841), a w 1852 roku niemieccy naukowcy zaprojektowali silnik spalinowy, który mógł pracować na mieszance powietrzno-wodorowej.

Nieco później, podczas oblężenia Leningradu, kiedy benzyny brakowało, a wodór był dostępny w dużych ilościach, technik Boris Shelishch zasugerował użycie mieszanki powietrzno-wodorowej do obsługi balonów zaporowych. Następnie wszystkie ICE wyciągarek aerostatowych zostały przestawione na zasilanie wodorowe, a łączna liczba maszyn napędzanych wodorem osiągnęła 600 jednostek.

W pierwszej połowie XX wieku zainteresowanie społeczne silnikami wodorowymi było niewielkie, ale wraz z nadejściem kryzysu paliwowo-energetycznego lat 70. sytuacja uległa radykalnej zmianie. W szczególności w 1879 r. BMW wyprodukowało pierwszy samochód, który był całkiem udany na wodór (bez eksplozji i pary wodnej ulatniającej się z rury wydechowej).

Po BMW inni główni producenci samochodów zaczęli działać w tym kierunku, a pod koniec ubiegłego wieku prawie każda szanująca się firma motoryzacyjna miała już koncepcję opracowania samochodu na paliwo wodorowe. Jednak wraz z końcem kryzysu naftowego zainteresowanie opinii publicznej alternatywnymi źródłami paliw zniknęło, choć obecnie znów zaczyna się ono budzić, podsycane przez ekologów walczących o zmniejszenie toksyczności spalin samochodowych.

Co więcej, ceny energii i chęć uzyskania niezależności paliwowej jedynie przyczyniają się do prowadzenia badań teoretycznych i praktycznych przez naukowców z wielu krajów świata. Najbardziej aktywne to BMW, General Motors, Honda Motor, Ford Motor.

Interesujący fakt! Wodór jest najobficiej występującym pierwiastkiem we Wszechświecie, ale na naszej planecie będzie bardzo trudno znaleźć go w czystej postaci.

Zasada działania i rodzaje silnika wodorowego

Główną różnicą między instalacją wodorową a tradycyjnymi silnikami jest sposób dostarczania płynu paliwowego, a następnie zapłon mieszaniny roboczej. Jednocześnie zasada przekształcania ruchów posuwisto-zwrotnych mechanizmu korbowego w pracę użyteczną pozostaje niezmieniona. Biorąc pod uwagę, że spalanie oleju opałowego jest raczej powolne, mieszanka paliwowo-powietrzna wypełnia komorę spalania zanim tłok osiągnie najwyższe położenie (tzw. górny martwy punkt).

Gwałtowna reakcja wodoru umożliwia przesunięcie czasu wtrysku bliżej momentu, w którym tłok zaczyna powracać do dolnego martwego punktu. Należy zauważyć, że ciśnienie w układzie paliwowym niekoniecznie będzie wysokie.

Jeżeli dla silnika wodorowego stworzone zostaną idealne warunki pracy, to może on posiadać układ zasilania paliwem typu zamkniętego, w którym proces tworzenia mieszanki odbywa się bez udziału prądów powietrza atmosferycznego. W tym przypadku po suwie sprężania w komorze spalania pozostaje para wodna, która przechodząc przez chłodnicę skrapla się i ponownie zamienia w zwykłą wodę.

Jednak zastosowanie tego typu urządzenia jest możliwe tylko wtedy, gdy pojazd posiada elektrolizer, który oddziela wodór od wody do ponownej reakcji z tlenem. W tej chwili osiągnięcie takich wyników jest niezwykle trudne. Służy do stabilnej pracy silnika, a jego opary są częścią spalin.

Dlatego bezproblemowe uruchomienie elektrowni i jej stabilna praca na gazie tlenowo-wodorowym bez użycia powietrza atmosferycznego jest nadal zadaniem niemożliwym. Istnieją dwa warianty samochodowych instalacji wodorowych:jednostki działające w oparciu o wodorowe ogniwa paliwowe oraz wodorowe silniki spalinowe.

Elektrownie oparte na wodorowych ogniwach paliwowych

Zasada działania ogniw paliwowych opiera się na reakcjach fizycznych i chemicznych. W rzeczywistości są to te same akumulatory ołowiowe, ale sprawność ogniwa paliwowego jest nieco wyższa niż akumulatora i wynosi około 45% (czasami więcej).

W korpusie ogniwa wodorowo-tlenowego umieszczona jest membrana (przewodzi tylko protony), która oddziela komorę z anodą i komorę z katodą. Wodór wchodzi do komory z anodą, a tlen do komory katodowej. Każda elektroda jest wcześniej pokryta warstwą katalizatora, którą często odgrywa platyna. Pod wpływem tego wodór cząsteczkowy zaczyna tracić elektrony.

W tym samym czasie protony przechodzą przez membranę do katody i pod wpływem tego samego katalizatora łączą się z elektronami pochodzącymi z zewnątrz. W wyniku reakcji powstaje woda, a elektrony z komory anodowej przemieszczają się do obwodu elektrycznego połączonego z silnikiem. Mówiąc najprościej, otrzymujemy prąd elektryczny, który zasila silnik.

Silniki wodorowe oparte na ogniwach paliwowych są obecnie stosowane w pojazdach Niva wyposażonych w elektrownię Antel-1 oraz w pojazdach Łada 111 z jednostką Antel-2, które zostały opracowane przez inżynierów z Uralu. W pierwszym przypadku jedno ładowanie wystarcza na 200 km, a w drugim - na 350 km.

Należy zauważyć, że ze względu na wysoki koszt metali (palladu i platyny) zawartych w konstrukcji takich silników wodorowych, takie instalacje mają bardzo wysoki koszt, co znacznie podnosi cenę pojazdu, na którym są montowane.

Czy wiesz?Toyota rozpoczęła pracę z technologią ogniw paliwowych 20 lat temu. W tym czasie uruchomiono projekt hybrydowy Prius.

Silniki spalinowe wodorowe

Ten typ elektrowni jest bardzo podobny do popularnych obecnie silników propanowych, dlatego aby przejść z propanu na paliwo wodorowe, wystarczy po prostu przekonfigurować silnik. Przykładów takiego przejścia jest już wiele, ale trzeba powiedzieć, że w tym przypadku sprawność będzie nieco niższa niż przy zastosowaniu ogniw paliwowych. Jednocześnie, aby uzyskać 1 kW energii wodoru, potrzeba mniej, co w pełni kompensuje tę wadę.

Zastosowanie tej substancji w konwencjonalnym silniku spalinowym spowoduje szereg problemów. Najpierw, wysoka temperatura sprężania „zmusi” wodór do reakcji z metalowymi częściami silnika lub nawet z olejem silnikowym. Po drugie, nawet mały wyciek w kontakcie z gorącym kolektorem wydechowym na pewno spowoduje pożar.

Z tego powodu do tworzenia konstrukcji wodorowych wykorzystywane są wyłącznie bloki obrotowe, ponieważ ich konstrukcja zmniejsza ryzyko pożaru ze względu na odległość między kolektorami dolotowym i wydechowym. W każdym razie wszystkie dotychczasowe problemy zostały ominięte, co pozwala uznać wodór za dość obiecujące paliwo.

Dobrym przykładem pojazdu napędzanego wodorem jest eksperymentalny sedan BMW 750hL, którego koncepcja została wprowadzona na początku XXI wieku. Samochód wyposażony jest w dwunastocylindrowy silnik rakietowy, który pozwala rozpędzić się do 140 km/h. Wodór w postaci płynnej jest przechowywany w specjalnym zbiorniku, a jedna z jego rezerw wystarcza na 300 kilometrów. Jeśli zostanie całkowicie zużyty, system automatycznie przełączy się na zasilanie benzyną.

Silnik wodorowy na dzisiejszym rynku

Ostatnie badania naukowców w dziedzinie eksploatacji silników wodorowych wykazały, że są one nie tylko bardzo przyjazne dla środowiska (jak silniki elektryczne), ale mogą być bardzo wydajne pod względem wydajności. Co więcej, pod względem wskaźników technicznych elektrownie wodorowe omijają swoje elektryczne odpowiedniki, co już zostało udowodnione (na przykład Honda Clarity).

Także Należy zauważyć, że w przeciwieństwie do systemów Tesla Powerwall, analogi wodoru mają jedną istotną wadę: Nie będzie już możliwości ładowania baterii za pomocą energii słonecznej, ale zamiast tego trzeba będzie poszukać specjalnej stacji benzynowej, której dziś, nawet w skali globalnej, nie ma już tak wiele.

Teraz Honda Clarity została wydana w dość ograniczonej partii, a samochód można kupić tylko w Kraju Wschodzącego Słońca, ponieważ pojazd pojawi się w Europie i Ameryce dopiero pod koniec 2016 roku.

Ciekawe, aby wiedzieć!Alternator Power Exporter 9000 (może być dołączony do Hondy Clarity) jest w stanie zasilać wszystkie urządzenia gospodarstwa domowego przez prawie cały tydzień.

Również w naszych czasach produkowane są inne pojazdy wykorzystujące paliwo wodorowe. Należą do nich Mazda RX-8 wodorowa i BMW Hydrogen 7 (hybrydy napędzane ciekłym wodorem i benzyną), a także Ford E-450 i MAN Lion City Bus.

Wśród samochodów osobowych najwybitniejszymi przedstawicielami pojazdów wodorowych są dziś samochody. Mercedes-Benz GLC F-Cell(istnieje możliwość ładowania ze zwykłej sieci domowej, a łączna rezerwa chodu to ok. 500 km), Toyota Mirai(jeździ tylko na wodór, a jedno tankowanie powinno wystarczyć na 650 km) i Honda fcx jasność(deklarowany zasięg wynosi 700 km). Ale to nie wszystko, bo pojazdy napędzane wodorem produkują także inne firmy, np. Hyundai (Tucson FCEV).

Plusy i główne wady silników wodorowych

Przy wszystkich swoich zaletach nie można powiedzieć, że transport wodoru pozbawiony jest pewnych wad. W szczególności należy rozumieć, że palna postać wodoru w temperaturze pokojowej i pod normalnym ciśnieniem ma postać gazu, co powoduje pewne trudności w przechowywaniu i transporcie takiego paliwa. Oznacza to, że istnieje poważny problem w projektowaniu bezpiecznych zbiorników na wodór używany jako paliwo do samochodów.

Ponadto butle z tą substancją wymagają okresowych kontroli i certyfikacji, które mogą być wykonywane wyłącznie przez wykwalifikowany i licencjonowany personel. Do tych problemów warto też dodać wysokie koszty utrzymania silnika wodorowego, nie mówiąc już o bardzo ograniczonej liczbie stacji benzynowych (przynajmniej w naszym kraju).

Nie zapominaj, że instalacja wodorowa zwiększa wagę auta, dlatego może nie być tak zwrotna, jak byś sobie tego życzył. Dlatego biorąc pod uwagę wszystkie powyższe, zastanów się dobrze: czy warto kupić pojazd wodorowy, czy lepiej na razie odłożyć.

Trzeba jednak powiedzieć, że takie rozwiązanie ma wiele zalet. Najpierw Twój samochód nie będzie zanieczyszczał środowiska toksycznymi spalinami, Po drugie, masowa produkcja wodoru może pomóc w rozwiązaniu problemu szybko zmieniających się cen paliw i zakłóceń w dostawach konwencjonalnych płynów paliwowych.

Ponadto w wielu krajach zbudowano już gazociągi metanowe, które można łatwo przystosować do pompowania wodoru z późniejszym dostarczaniem na stacje benzynowe. Wodór może być produkowany zarówno na małą skalę, czyli na poziomie lokalnym, jak i w dużych ilościach w dużych, scentralizowanych przedsiębiorstwach. Wzrost produkcji wodoru będzie stanowić dodatkową zachętę do zwiększenia podaży tej substancji na cele domowe (np. do ogrzewania domów i biur).

Subskrybuj nasze kanały w

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 zmagazynowanej 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 łączono 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 przetwarzają 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. 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 ponad 50% sprawność 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 rodzaje ogniw paliwowych są obiecujące do wykorzystania jako elektrownie w elektrowniach, podczas gdy inne 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) są jedną 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, a sprawność wytwarzania energii dochodzi do 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 SHFC jest 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 węglanem elektrolitu są wysokotemperaturowymi ogniwami paliwowymi. Wysoka temperatura pracy pozwala na bezpośrednie wykorzystanie gazu ziemnego bez procesora oraz gazu opałowego o niskiej kaloryczności w paliwach procesowych produkcji oraz z 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 na stopiony elektrolit węglanowy 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. Swoje zalety mają 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, zatruciu itp.

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, generując prąd elektryczny. Poniżej znajdują się reakcje, które generują energię elektryczną 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%. W 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 zostały odpowiednio przetestowane. Rozwijane są instalacje o mocy do 100 MW.

4. Ogniwa paliwowe z membraną 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 nasączeniu wodą polimer ten umożliwia przechodzenie protonów, 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 wodorowe 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 funkcja pozwala im być kompaktowymi i lekkimi. Dodatkowo temperatura pracy nie przekracza 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 ma takich trudności 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, stosowanym elektrolitem jest cienki tlenek metalu na bazie ceramiki, często stop 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 ogniwach paliwowych 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), co zajmuje dużo czasu, aby osiągnąć optymalne warunki pracy, a układ wolniej reaguje na zmiany zużycia energii. Przy 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 kierowane wzdłuż zewnętrznego obwodu elektrycznego, podczas gdy generowany 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 najlepszym kandydatem 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 występuje przewodność jonów wody.H2O+ (proton, czerwony) jest przyłączony 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.

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 jest kanapką, 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.

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 migają nowomodne słowa. Zwykle odnoszą się do historii o najnowszych pojazdach hybrydowych lub programów rozwoju 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 osiągnęli dwaj japońscy producenci samochodów. 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

Spośród 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 bazie NECAR1 (New Electric Car 1). Poza niską mocą (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 samochód został sprzedany 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. 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 roku samochody o podobnej technologii kosztowały 100 000 USD.