Eksperci energetyczni zauważają, że w większości krajów rozwiniętych gwałtownie rośnie zainteresowanie rozproszonymi źródłami energii o stosunkowo niewielkiej mocy. Głównymi zaletami tych autonomicznych elektrowni są umiarkowane koszty inwestycyjne podczas budowy, szybkie uruchomienie, stosunkowo prosta konserwacja i dobre parametry środowiskowe. Dzięki autonomicznemu systemowi zasilania nie są wymagane inwestycje w linie i podstacje energetyczne. Usytuowanie autonomicznych źródeł energii bezpośrednio w punktach poboru nie tylko eliminuje straty w sieciach, ale także zwiększa niezawodność zasilania.

Dobrze znane są samowystarczalne źródła energii, takie jak małe turbiny gazowe (turbiny gazowe), silniki spalinowe, turbiny wiatrowe i półprzewodnikowe panele słoneczne.

W przeciwieństwie do silników spalinowych lub turbin węglowych/gazowych ogniwa paliwowe nie spalają paliwa. Przekształcają energię chemiczną paliwa w energię elektryczną w wyniku reakcji chemicznej. Dlatego ogniwa paliwowe nie wytwarzają dużych ilości gazów cieplarnianych uwalnianych podczas spalania paliwa, takich jak dwutlenek węgla (CO2), metan (CH4) i tlenek azotu (NOx). Emisje z ogniw paliwowych to woda w postaci pary i niski poziom dwutlenku węgla (lub w ogóle brak emisji CO2), gdy wodór jest używany jako paliwo do ogniw. Ponadto ogniwa paliwowe działają cicho, ponieważ nie zawierają hałaśliwych wirników wysokociśnieniowych, a podczas pracy nie występują odgłosy wydechu ani wibracje.

Ogniwo paliwowe przekształca energię chemiczną paliwa w energię elektryczną poprzez reakcję chemiczną z tlenem lub innym środkiem utleniającym. Ogniwa paliwowe składają się z anody (strona ujemna), katody (strona dodatnia) i elektrolitu, który umożliwia ruch ładunków między dwiema stronami ogniwa paliwowego (rysunek: Schemat ogniwa paliwowego).

Elektrony przemieszczają się z anody do katody przez obwód zewnętrzny, wytwarzając prąd stały. Ze względu na to, że główną różnicą pomiędzy różnymi typami ogniw paliwowych jest elektrolit, ogniwa paliwowe dzieli się ze względu na rodzaj użytego elektrolitu, tj. wysokotemperaturowe i niskotemperaturowe ogniwa paliwowe (TEPM, PMTE). Najpopularniejszym paliwem jest wodór, ale czasami można również stosować węglowodory, takie jak gaz ziemny i alkohole (tj. metanol). Ogniwa paliwowe różnią się od akumulatorów tym, że wymagają stałego źródła paliwa i tlenu/powietrza do podtrzymania reakcji chemicznej i wytwarzają energię elektryczną tak długo, jak są dostarczane.

Ogniwa paliwowe mają następujące zalety w porównaniu z konwencjonalnymi źródłami energii, takimi jak silniki spalinowe lub akumulatory:

• Ogniwa paliwowe są bardziej wydajne niż silniki diesla czy gazowe.
• Większość ogniw paliwowych jest cicha w porównaniu z silnikami spalinowymi. Dlatego nadają się do budynków o specjalnych wymaganiach, takich jak szpitale.
• Ogniwa paliwowe nie powodują zanieczyszczenia spowodowanego spalaniem paliw kopalnych; na przykład jedynym produktem ubocznym wodorowych ogniw paliwowych jest woda.
• Jeżeli wodór pozyskiwany jest z elektrolizy wody dostarczanej przez odnawialne źródło energii, to przy zastosowaniu ogniw paliwowych w całym cyklu nie wydziela się żaden gaz cieplarniany.
• Ogniwa paliwowe nie wymagają paliw konwencjonalnych, takich jak ropa czy gaz, dzięki czemu można usunąć zależność gospodarczą od krajów produkujących ropę i osiągnąć większe bezpieczeństwo energetyczne.
• Ogniwa paliwowe nie są zależne od sieci energetycznych, ponieważ wodór można wytwarzać wszędzie tam, gdzie dostępna jest woda i elektryczność, a wyprodukowane paliwo może być dystrybuowane.
• Stosując stacjonarne ogniwa paliwowe do produkcji energii w miejscu jej zużycia, można wykorzystać zdecentralizowane sieci energetyczne, które są potencjalnie bardziej stabilne.
• Ogniwa paliwowe niskotemperaturowe (LEPM, PMFC) mają niski poziom wymiany ciepła, co czyni je idealnymi do różnych zastosowań.
• Ogniwa paliwowe o wyższej temperaturze wytwarzają wysokiej jakości ciepło technologiczne wraz z energią elektryczną i są dobrze przystosowane do kogeneracji (takiej jak kogeneracja dla budynków mieszkalnych).
• Czas pracy jest znacznie dłuższy niż czas pracy akumulatorów, ponieważ do wydłużenia czasu pracy potrzeba tylko więcej paliwa i nie jest wymagany wzrost wydajności zakładu.
• W przeciwieństwie do akumulatorów ogniwa paliwowe mają „efekt pamięci” podczas tankowania.
• Konserwacja ogniw paliwowych jest prosta, ponieważ nie mają dużych ruchomych części.

Najpopularniejszym paliwem do ogniw paliwowych jest wodór, ponieważ nie emituje on szkodliwych zanieczyszczeń. Można jednak stosować inne paliwa, a ogniwa paliwowe na gaz ziemny są uważane za wydajną alternatywę, gdy gaz ziemny jest dostępny po konkurencyjnych cenach. W ogniwach paliwowych przepływ paliwa i utleniaczy przechodzi przez elektrody oddzielone elektrolitem. Powoduje to reakcję chemiczną, która wytwarza energię elektryczną; nie ma potrzeby spalania paliwa ani dodawania energii cieplnej, co zwykle ma miejsce w przypadku tradycyjnych metod wytwarzania energii elektrycznej. Przy zastosowaniu naturalnego czystego wodoru jako paliwa i tlenu jako utleniacza, w wyniku reakcji zachodzącej w ogniwie paliwowym powstaje woda, energia cieplna i elektryczność. W połączeniu z innymi paliwami ogniwa paliwowe emitują bardzo niskie emisje zanieczyszczeń i wytwarzają wysokiej jakości, niezawodną energię elektryczną.

Zalety ogniw paliwowych na gaz ziemny są następujące:

• Korzyści dla środowiska- Ogniwa paliwowe to czysta metoda wytwarzania energii elektrycznej z paliw kopalnych. Ogniwa paliwowe działające na czysty wodór i tlen wytwarzają jedynie wodę, energię elektryczną i ciepło; inne typy ogniw paliwowych emitują znikome ilości związków siarki i bardzo niski poziom dwutlenku węgla. Jednak dwutlenek węgla emitowany przez ogniwa paliwowe jest skoncentrowany i może być łatwo wychwycony zamiast uwalniania do atmosfery.
• Efektywność- Ogniwa paliwowe przetwarzają energię dostępną w paliwach kopalnych w energię elektryczną znacznie wydajniej niż konwencjonalne metody wytwarzania energii elektrycznej ze spalania paliw. Oznacza to, że do wyprodukowania tej samej ilości energii elektrycznej potrzeba mniej paliwa. Według Narodowego Laboratorium Technologii Energetycznych 58 można produkować ogniwa paliwowe (w połączeniu z turbinami na gaz ziemny), które będą pracować w zakresie mocy od 1 do 20 MWe ze sprawnością 70%. Sprawność ta jest znacznie wyższa niż sprawność, którą można osiągnąć tradycyjnymi metodami wytwarzania energii w określonym zakresie mocy.
• Produkcja z dystrybucją- Ogniwa paliwowe mogą być produkowane w bardzo małych rozmiarach; pozwala to na umieszczenie ich w miejscach, w których wymagana jest energia elektryczna. Dotyczy to instalacji mieszkaniowych, handlowych, przemysłowych, a nawet samochodowych.
• Niezawodność- Ogniwa paliwowe to całkowicie zamknięte urządzenia bez ruchomych części lub skomplikowanych maszyn. Dzięki temu są niezawodnymi źródłami energii elektrycznej, zdolnymi do pracy przez wiele godzin. Ponadto są niemal cichymi i bezpiecznymi źródłami prądu. Również w ogniwach paliwowych nie występują przepięcia elektryczne; oznacza to, że mogą być stosowane w przypadkach, gdy potrzebne jest stale działające, niezawodne źródło energii elektrycznej.

Jeszcze do niedawna mniej popularne były ogniwa paliwowe (FC), które są generatorami elektrochemicznymi zdolnymi do przekształcania energii chemicznej w energię elektryczną, z pominięciem procesów spalania, przekształcania energii cieplnej w energię mechaniczną, a tę ostatnią w energię elektryczną. Energia elektryczna wytwarzana jest w ogniwach paliwowych w wyniku reakcji chemicznej pomiędzy czynnikiem redukującym i utleniającym, które są w sposób ciągły dostarczane do elektrod. Czynnikiem redukującym jest najczęściej wodór, środkiem utleniającym tlen lub powietrze. Połączenie stosu ogniw paliwowych i urządzeń do dostarczania odczynników, usuwania produktów reakcji i ciepła (które można wykorzystać) stanowi generator elektrochemiczny.
W ostatniej dekadzie XX wieku, kiedy niezawodność zasilania i troska o środowisko miały szczególne znaczenie, wiele firm w Europie, Japonii i Stanach Zjednoczonych zaczęło opracowywać i produkować kilka wariantów ogniw paliwowych.
Najprostsze to alkaliczne ogniwa paliwowe, od których rozpoczął się rozwój tego typu autonomicznych źródeł energii. Temperatura pracy w tych ogniwach paliwowych wynosi 80-95°C, elektrolitem jest 30% roztwór kaustycznego potasu. Alkaliczne ogniwa paliwowe działają na czysty wodór.
Ostatnio rozpowszechniło się ogniwo paliwowe PEM z membranami do wymiany protonów (z elektrolitem polimerowym). Temperatura pracy w tym procesie również wynosi 80-95°C, ale jako elektrolit stosuje się stałą membranę jonowymienną z kwasem perfluorosulfonowym.
Trzeba przyznać, że najbardziej atrakcyjne komercyjnie jest ogniwo paliwowe na kwasie fosforowym PAFC, które osiąga sprawność 40% w samym wytwarzaniu energii elektrycznej i -85% w wykorzystaniu wytworzonego ciepła. Temperatura pracy tego ogniwa paliwowego wynosi 175-200°C, elektrolitem jest płynny kwas fosforowy impregnujący węglik krzemu związany z teflonem.

Pakiet ogniw jest wyposażony w dwie porowate elektrody grafitowe i kwas ortofosforowy jako elektrolit. Elektrody pokryte są katalizatorem platynowym. W reformerze gaz ziemny w interakcji z parą przechodzi w wodór i CO, który w konwertorze jest dodatkowo utleniany do CO2. Ponadto pod wpływem katalizatora na anodzie cząsteczki wodoru dysocjują na jony H. Uwolnione w tej reakcji elektrony są kierowane przez ładunek do katody. Na katodzie reagują z jonami wodoru dyfundującymi przez elektrolit oraz z jonami tlenu, które powstają w wyniku katalitycznego utleniania tlenu z powietrza na katodzie, ostatecznie tworząc wodę.
Ogniwa paliwowe ze stopionym węglanem typu MCFC również należą do obiecujących typów ogniw paliwowych. To ogniwo paliwowe, działające na metan, ma wydajność 50-57% dla energii elektrycznej. Temperatura pracy 540-650°C, elektrolit - roztopiony węglan potasu i sodu alkalia w otoczce - osnowa z tlenku litowo-glinowego LiA102.
I wreszcie, najbardziej obiecującym elementem paliwowym jest SOFC. Jest to ogniwo paliwowe ze stałym tlenkiem, które wykorzystuje dowolne paliwo gazowe i jest najbardziej odpowiednie dla stosunkowo dużych instalacji. Jego efektywność energetyczna wynosi 50-55%, a przy zastosowaniu w instalacjach cyklu skojarzonego do 65%. Temperatura pracy 980-1000°C, elektrolit - cyrkon stały, stabilizowany itrem.

Na ryc. 2 przedstawia 24-ogniwowy akumulator SOFC opracowany przez firmę Siemens Westinghouse Power Corporation (SWP - Niemcy). Ta bateria jest podstawą generatora elektrochemicznego zasilanego gazem ziemnym. Pierwsze testy demonstracyjne elektrowni tego typu o mocy 400 W przeprowadzono już w 1986 roku. W kolejnych latach udoskonalono konstrukcję ogniw paliwowych ze stałym tlenkiem i zwiększono ich moc.

Najbardziej udane okazały się próby demonstracyjne elektrowni o mocy 100 kW oddanej do eksploatacji w 1999 r. Elektrownia potwierdziła możliwość pozyskiwania energii elektrycznej z wysoką sprawnością (46%) oraz wykazała się dużą stabilnością charakterystyk. W ten sposób udowodniono możliwość pracy elektrowni przez co najmniej 40 tys. godzin z akceptowalnym spadkiem jej mocy.

W 2001 roku powstała nowa elektrownia oparta na elementach tlenków stałych, pracująca pod ciśnieniem atmosferycznym. Bateria (generator elektrochemiczny) o mocy elektrowni 250 kW z skojarzonym wytwarzaniem energii elektrycznej i ciepła składała się z 2304 elementów rurowych z tlenków stałych. Ponadto w zakładzie znajdował się falownik, regenerator, podgrzewacz paliwa (gazu ziemnego), komora spalania do podgrzewania powietrza, wymiennik ciepła do podgrzewania wody za pomocą ciepła spalin oraz inne urządzenia pomocnicze. Jednocześnie gabaryty instalacji były dość umiarkowane: 2,6x3,0x10,8m.
Pewien postęp w rozwoju dużych ogniw paliwowych osiągnęli japońscy specjaliści. Prace badawcze rozpoczęto w Japonii już w 1972 roku, ale znaczny postęp poczyniono dopiero w połowie lat dziewięćdziesiątych. Eksperymentalne moduły ogniw paliwowych miały moc od 50 do 1000 kW, z czego 2/3 zasilane było gazem ziemnym.
W 1994 roku w Japonii zbudowano zakład produkujący ogniwa paliwowe o mocy 1 MW. Przy całkowitym współczynniku sprawności (przy wytwarzaniu pary i ciepłej wody) równym 71%, instalacja miała współczynnik sprawności w zakresie dostarczania energii elektrycznej co najmniej 36%. Według doniesień prasowych od 1995 r. w Tokio działa elektrownia zasilana ogniwami paliwowymi na kwas fosforowy o mocy 11 MW, a do 2000 r. łączna produkcja ogniw paliwowych osiągnęła 40 MW.

Wszystkie wymienione powyżej instalacje należą do klasy przemysłowej. Ich twórcy nieustannie dążą do zwiększania mocy bloków w celu poprawy charakterystyki kosztowej (koszt jednostkowy na kW mocy zainstalowanej oraz koszt wytworzonej energii elektrycznej). Ale jest kilka firm, które stawiają sobie inny cel: opracowanie najprostszych instalacji do użytku domowego, w tym indywidualnych zasilaczy. A w tym obszarze są znaczące osiągnięcia:

• Firma Plug Power LLC opracowała ogniwo paliwowe o mocy 7 kW do zasilania domu;
• H Power Corporation produkuje ładowarki akumulatorów o mocy 50-100 W używane w transporcie;
• Firma praktykant. Fuel Cells LLC produkuje pojazdy o mocy 50-300 W i osobiste zasilacze;
• Firma Analytic Power Inc. opracowała zasilacze osobiste o mocy 150 W dla armii amerykańskiej, a także domowe zasilacze z ogniwami paliwowymi o mocy od 3 kW do 10 kW.

Jakie są zalety ogniw paliwowych, które zachęcają wiele firm do dużych inwestycji w ich rozwój?
Oprócz wysokiej niezawodności generatory elektrochemiczne mają wysoką sprawność, co korzystnie odróżnia je od instalacji z turbinami parowymi, a nawet instalacji z prostymi turbinami gazowymi. Niewątpliwą zaletą ogniw paliwowych jest wygoda ich stosowania jako rozproszonych źródeł energii: modułowa konstrukcja pozwala na szeregowe łączenie dowolnej liczby pojedynczych ogniw w baterię – idealna jakość dla zwiększenia mocy.

Jednak najważniejszym argumentem przemawiającym za ogniwami paliwowymi jest ich ekologiczność. Emisje NOX i CO z tych instalacji są tak małe, że np. powiatowe organy ds. jakości powietrza w regionach (gdzie przepisy ochrony środowiska są najbardziej rygorystyczne w USA) nawet nie wymieniają tego sprzętu we wszystkich wymaganiach dotyczących ochrony atmosfery.

Liczne zalety ogniw paliwowych niestety nie mogą obecnie przeważyć ich jedynej wady - wysokich kosztów.Na przykład w USA jednostkowe koszty inwestycyjne budowy elektrowni, nawet z najbardziej konkurencyjnymi ogniwami paliwowymi, wynoszą około 3500 USD/kW . Chociaż rząd zapewnia dotację w wysokości 1000 USD za kWh, aby stymulować popyt na tę technologię, koszt budowy takich obiektów pozostaje dość wysoki. Zwłaszcza w porównaniu z kosztami kapitałowymi budowy mini-CHP z turbinami gazowymi lub silnikami spalinowymi o mocy megawatów, które wynoszą około 500 USD/kW.

W ostatnich latach nastąpił pewien postęp w obniżaniu kosztów instalacji FC. Wspomniana wyżej budowa elektrowni z ogniwami paliwowymi na bazie kwasu fosforowego o mocy 0,2-1,0 MW kosztowała 1700 dolarów/kW. Koszt produkcji energii w takich instalacjach w Niemczech przy ich użytkowaniu przez 6000 godzin w roku szacowany jest na 7,5-10 centów/kWh. Elektrownia PC25 o mocy 200 kW eksploatowana przez Hessische EAG (Darmstadt) ma również dobre wyniki ekonomiczne: koszt energii elektrycznej, w tym amortyzacja, koszty paliwa i utrzymania instalacji, wyniósł 15 centów/kWh. Ten sam wskaźnik dla TPP na węglu brunatnym wyniósł 5,6 centa/kWh w spółce energetycznej, na węglu 4,7 centa/kWh, dla elektrociepłowni 4,7 centa/kWh, a dla diesla 10,3 centa/kWh.

Budowa większej fabryki ogniw paliwowych (N=1564 kW), działającej od 1997 roku w Kolonii, wymagała jednostkowych kosztów inwestycyjnych 1500-1750 USD/kW, ale koszt rzeczywistych ogniw paliwowych wyniósł tylko 400 USD/kW

Wszystko to pokazuje, że ogniwa paliwowe są obiecującym rodzajem urządzeń wytwarzających energię zarówno dla przemysłu, jak i dla autonomicznych instalacji w sektorze domowym. Wysoka efektywność wykorzystania gazu i doskonałe parametry środowiskowe dają powody sądzić, że po rozwiązaniu najważniejszego zadania - redukcji kosztów - tego typu urządzenia energetyczne będą poszukiwane na rynku autonomicznych systemów zaopatrzenia w ciepło i energię.

Ogniwa paliwowe (generatory elektrochemiczne) to bardzo wydajna, trwała, niezawodna i przyjazna środowisku metoda pozyskiwania energii. Początkowo wykorzystywano je tylko w przemyśle kosmicznym, dziś generatory elektrochemiczne są coraz częściej wykorzystywane w różnych dziedzinach: są to zasilacze do telefonów komórkowych i laptopów, silniki pojazdów, autonomiczne zasilacze budynków, elektrownie stacjonarne. Niektóre z tych urządzeń działają jako prototypy laboratoryjne, niektóre są wykorzystywane do celów demonstracyjnych lub przechodzą testy przedseryjne. Jednak wiele modeli jest już wykorzystywanych w projektach komercyjnych i masowo produkowanych.

Urządzenie

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

Urządzenie do ogniw paliwowych składa się z trzech głównych części:

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

Główną częścią ogniwa paliwowego jest sekcja energetyczna, czyli bateria wykonana z pojedynczych ogniw paliwowych. W strukturze elektrod ogniwa paliwowego zawarty jest katalizator platynowy. Za pomocą tych komórek powstaje stały prąd elektryczny.

Jedno z tych urządzeń ma następujące cechy: przy napięciu 155 woltów wytwarza się 1400 amperów. Wymiary baterii to 0,9 m szerokości i wysokości oraz 2,9 m długości. Proces elektrochemiczny odbywa się w nim w temperaturze 177°C, co wymaga nagrzewania akumulatora w momencie rozruchu, a także odprowadzania ciepła podczas jego pracy. W tym celu w skład ogniwa paliwowego wchodzi oddzielny obieg wody, w tym akumulator wyposażony jest w specjalne płyty chłodzące.

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

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

Również w jednostce konwertera napięcia znajdują się:

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

Zasada działania

Najprostszy element z membraną do wymiany protonów składa się z membrany polimerowej, która znajduje się między anodą a katodą, a także katalizatorów katodowych i anodowych. Membrana polimerowa służy jako elektrolit.

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

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

Rodzaje

W chwili obecnej znanych jest kilka rodzajów ogniw paliwowych, które różnią się składem zastosowanego elektrolitu:

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

W chwili obecnej upowszechniły się generatory elektrochemiczne wykorzystujące technologię PAFC.

Wniosek

Obecnie ogniwa paliwowe są używane w promach kosmicznych, pojazdach kosmicznych wielokrotnego użytku. Używają jednostek 12W. Wytwarzają całą energię elektryczną w statku kosmicznym. Woda, która powstaje podczas reakcji elektrochemicznej, jest wykorzystywana do picia, w tym do urządzeń chłodniczych.

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

Ogniwa paliwowe są również wykorzystywane w sektorze cywilnym.

• Instalacje stacjonarne o mocy 5–250 kW i większej. Wykorzystywane są jako autonomiczne źródła energii cieplnej i elektrycznej budynków przemysłowych, użyteczności publicznej i mieszkalnych, zasilacze awaryjne i rezerwowe, zasilacze bezprzerwowe.
• Jednostki przenośne o mocy 1–50 kW. Są używane do satelitów kosmicznych i statków. Instancje tworzone są dla wózków golfowych, wózków inwalidzkich, lodówek kolejowych i towarowych, znaków drogowych.
• Jednostki mobilne o mocy 25–150 kW. Zaczynają być używane w okrętach wojennych i łodziach podwodnych, w tym w samochodach i innych pojazdach. Prototypy stworzyły już takie motoryzacyjne giganty jak Renault, Neoplan, Toyota, Volkswagen, Hyundai, Nissan, VAZ, General Motors, Honda, Ford i inni.
• Mikrourządzenia o mocy 1–500 W. Znajdują zastosowanie w zaawansowanych komputerach przenośnych, laptopach, urządzeniach elektroniki użytkowej, telefonach komórkowych, nowoczesnych urządzeniach wojskowych.

Osobliwości

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

horyzont

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

• Auta będą jeździć na ogniwach paliwowych, w ogóle nie będą miały silników spalinowych. Jako źródło energii zostanie wykorzystana woda lub wodór w stanie stałym. Tankowanie będzie łatwe i bezpieczne, a jazda ekologiczna – będzie wytwarzana tylko para wodna.
• Wszystkie budynki będą miały własne przenośne generatory energii na ogniwa paliwowe.
• Generatory elektrochemiczne zastąpią wszystkie baterie i znajdą się w każdej elektronice i sprzęcie AGD.

Zalety i wady

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

Ogólnie można wskazać następujące zalety ogniw paliwowych:

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

Wśród wad są:

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

W ciągu najbliższych dwóch lat na rynku komputerów przenośnych i przenośnych urządzeń elektronicznych ma pojawić się duża liczba masowo produkowanych modeli wyposażonych w chemiczne źródła zasilania ogniw paliwowych.

Wycieczka do historii

Pierwsze eksperymenty nad tworzeniem ogniw paliwowych przeprowadzono w XIX wieku. W 1839 r. angielski fizyk Grove, przeprowadzając elektrolizę wody, odkrył, że po wyłączeniu zewnętrznego źródła prądu pomiędzy elektrodami powstaje prąd stały. Jednak odkrycia w tej dziedzinie, dokonane przez wielu wybitnych XIX-wiecznych naukowców, nie znalazły praktycznego zastosowania, stając się własnością wyłącznie nauki akademickiej.

Naukowcy powrócili do tworzenia ogniw paliwowych do zastosowań stosowanych dopiero na początku lat pięćdziesiątych. W tym okresie możliwości praktycznego zastosowania reaktorów chemicznych do wytwarzania energii elektrycznej zaczęły być aktywnie badane przez zespoły badawcze w USA, Japonii, ZSRR i wielu krajach Europy Zachodniej.

Pierwszym obszarem praktycznego zastosowania ogniw paliwowych była astronautyka. Ogniwa paliwowe o różnych konstrukcjach zastosowano w amerykańskim statku kosmicznym Gemini, Apollo i Shuttle, a także w promie kosmicznym wielokrotnego użytku Buran stworzonym w ZSRR.

Kolejną falę zainteresowania chemicznymi ogniwami paliwowymi wywołał kryzys energetyczny lat 70-tych. W tym okresie wiele firm zajmowało się badaniami nad wykorzystaniem alternatywnych źródeł energii w transporcie, a także w zastosowaniach domowych i przemysłowych. Nawiasem mówiąc, to właśnie na tym polu swoją działalność rozpoczęła znana już dziś firma ARS.

Obecnie istnieją cztery główne obszary zastosowań elektrowni na ogniwa paliwowe: elektrownie do różnych pojazdów (od skuterów po autobusy), rozwiązania stacjonarne dużej i małej skali oraz zasilacze do urządzeń mobilnych. W tym artykule skupimy się głównie na rozwiązaniach dla urządzeń przenośnych.

Czym są ogniwa paliwowe

Przede wszystkim konieczne jest wyjaśnienie, o czym będzie mowa. Ogniwa paliwowe to wyspecjalizowane reaktory chemiczne zaprojektowane do bezpośredniego przekształcania energii uwalnianej podczas reakcji utleniania paliwa na energię elektryczną.

Należy zauważyć, że ogniwa paliwowe różnią się co najmniej dwiema zasadniczymi różnicami w stosunku do baterii galwanicznych, również w odniesieniu do urządzeń przetwarzających energię zachodzących w nich reakcji chemicznych na energię elektryczną. Po pierwsze, ogniwa paliwowe wykorzystują elektrody, które nie zużywają się podczas pracy, a po drugie substancje niezbędne do reakcji dostarczane są z zewnątrz, a nie są wstępnie układane wewnątrz ogniwa (jak ma to miejsce w przypadku konwencjonalnych akumulatorów).

Zastosowanie elektrod nie zużywających się może znacznie wydłużyć żywotność ogniw paliwowych w porównaniu z akumulatorami galwanicznymi. Dodatkowo, dzięki zastosowaniu zewnętrznego układu zasilania paliwem, procedura przywracania sprawności ogniw paliwowych jest znacznie uproszczona i tańsza.

Pracę chemicznych ogniw paliwowych wspomaga dostarczanie dwóch składników służących do wspomagania reakcji - paliwa i utleniacza. W zależności od rodzaju ogniwa paliwowego, jako paliwo można stosować wodór, gaz ziemny (metan) oraz ciekłe paliwo węglowodorowe (np. metanol). Czynnikiem utleniającym jest zwykle tlen znajdujący się w powietrzu, a niektóre typy ogniw paliwowych mogą pracować tylko z czystym tlenem.

Konstrukcja każdego chemicznego ogniwa paliwowego składa się z dwóch elektrod (katody i anody) oraz umieszczonej między nimi warstwy elektrolitu - ośrodka, który zapewnia ruch jonów z jednej elektrody na drugą i blokuje ruch elektronów. Aby reakcja przebiegała szybciej, w elektrodach często stosuje się katalizatory. W zależności od właściwości chemicznych i fizycznych zastosowanego elektrolitu, ogniwa paliwowe dzielą się na kilka różnych typów (więcej szczegółów można znaleźć na pasku bocznym „Rodzaje chemicznych ogniw paliwowych”).

Zalety ogniw paliwowych

W porównaniu z obecnie powszechnie stosowanymi autonomicznymi źródłami zasilania stosowanymi w komputerach przenośnych i urządzeniach przenośnych, chemiczne ogniwa paliwowe mają szereg istotnych zalet.

Przede wszystkim warto zwrócić uwagę na wysoką sprawność ogniw paliwowych, która w zależności od typu wynosi od 40 do 60%. Wysoka sprawność umożliwia produkcję zasilaczy o wyższej jednostkowej energochłonności, dzięki czemu uzyskuje się redukcję ich wskaźników masy i gabarytów przy zachowaniu mocy i żywotności baterii. Ponadto bardziej energochłonne zasilacze mogą znacznie wydłużyć żywotność baterii istniejących urządzeń bez zwiększania ich rozmiarów i wagi.

Kolejną ważną zaletą chemicznych ogniw paliwowych jest możliwość niemal natychmiastowego odnowienia ich zasobów energetycznych nawet w przypadku braku zewnętrznych źródeł zasilania – do tego wystarczy zamontować nowy pojemnik (wkład) ze zużytym paliwem. Zastosowanie elektrod, które nie są zużywane w procesie reakcji, pozwala na tworzenie ogniw paliwowych o bardzo długiej żywotności i niskim całkowitym koszcie posiadania.

Należy również zauważyć, że chemiczne ogniwa paliwowe są znacznie bardziej przyjazne dla środowiska niż baterie galwaniczne. Materiały eksploatacyjne do ogniw paliwowych to wyłącznie pojemniki z paliwem, a głównym produktem reakcji jest zwykła woda. Zastąpienie obecnych baterii i akumulatorów ogniwami paliwowymi znacznie zmniejszy ilość odpadów zawierających toksyczne i szkodliwe dla środowiska substancje do recyklingu.

Problem platyny

Pomimo oczywistych przewag chemicznych ogniw paliwowych nad wieloma obecnymi źródłami zasilania komputerów przenośnych i urządzeń elektronicznych, istnieją pewne przeszkody w masowym przyjęciu nowej technologii.

Najbardziej odpowiednie do stosunkowo małych zastosowań przenośnych są ogniwa paliwowe o niskiej temperaturze pracy, takie jak PEM i DMCF. Jednak dla zapewnienia akceptowalnego tempa reakcji chemicznych w takich pierwiastkach konieczne jest zastosowanie katalizatorów. Obecnie ogniwa PEM i DMCF wykorzystują katalizatory wykonane z platyny i jej stopów. Biorąc pod uwagę stosunkowo niewielkie zasoby naturalne tej substancji, a także jej wysoki koszt, jednym z głównych zadań konstruktorów źródeł zasilania opartych na ogniwach paliwowych jest poszukiwanie i tworzenie nowych katalizatorów. Innym możliwym rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie wysokotemperaturowych ogniw paliwowych, jednak z wielu powodów takie źródła zasilania są obecnie praktycznie nieprzydatne do zastosowania w urządzeniach przenośnych.

Idąc dalej: prototypowanie

Pomimo występowania szeregu problemów, w ciągu ostatnich dwóch lat aktywność zespołów programistycznych zajmujących się tworzeniem ogniw paliwowych do komputerów przenośnych i urządzeń elektronicznych znacznie wzrosła. Ponadto wzrosła również liczba firm wykonujących takie prace.

Jeśli mówimy o stosowanych technologiach, to najpopularniejsze rozwiązania w tym segmencie to ogniwa paliwowe PEM i DMFC. Spośród firm produkujących mobilne ogniwa paliwowe około 45% wybrało technologię PEM, około 40% za DMFC i mniej niż 10% za SOFC. Wygoda i łatwość obsługi paliw płynnych to znacząca przewaga DMFC nad PEM, aw minionym roku stało się jasne, że większość projektów u progu komercjalizacji opiera się na technologii DMFC.

Prototyp PDA ze zintegrowanym ogniwem paliwowym stworzony przez programistów Hitachi

Na początku ubiegłego roku firma Hitachi zademonstrowała prototyp PDA ze zintegrowanym ogniwem paliwowym i ogłosiła zamiar rozpoczęcia sprzedaży próbnej partii takich urządzeń w 2005 roku. Ogniwo paliwowe jest ponownie napełniane przy użyciu cylindrycznego wkładu (o średnicy 1 cm i wysokości 5 cm) zawierającego 20% wodny roztwór metanolu. Według twórców paliwo zawarte we wkładzie wystarcza na aktywną pracę z PDA przez 6-8 godzin.

W czerwcu ubiegłego roku firma Toshiba zaprezentowała prototypowe kompaktowe ogniwo DMFC przeznaczone do zasilania cyfrowych odtwarzaczy multimedialnych i telefonów komórkowych. Wymiary tego bloku to 22X56X4,5 mm, waga - 8,5 g. Jako paliwo wykorzystuje stężony metanol (99,5%). Jedno ładowanie paliwa (2 cm3) wystarcza do zasilania ładunku o mocy 100 mW (np. przenośnego odtwarzacza MP3) przez 20 godzin. Podczas opracowywania tego prototypu zastosowano kilka nowych rozwiązań, w szczególności zoptymalizowano strukturę elektrod i membrany polimerowej, co umożliwia wykorzystanie stężonego metanolu jako paliwa.

Wiadomo, że jeden z producentów telefonów komórkowych - firma KDDI - bacznie przygląda się rozwojowi Toshiby i Hitachi w dziedzinie małych ogniw paliwowych. KDDI planuje wprowadzić na rynek telefony komórkowe zasilane ogniwami paliwowymi w ciągu najbliższych dwóch lat.

Kilka firm już zademonstrowało prototypowe rozwiązania laptopów. W szczególności Casio zaprezentował prototyp laptopa wyposażonego w zasilacz, który zawiera element PEM i konwerter metanolu. Na początku ubiegłego roku Samsung zaprezentował prototyp laptopa opartego na platformie mobilnej Centrino, wyposażonego w ogniwo paliwowe, które zapewnia pracę urządzenia przez 10 godzin.

W listopadzie 2004 r. pracownicy Tokijskiego Instytutu Badań Materiałów i Energii (Materials and Energy Research Institute Tokyo, MERIT) opublikowali informację o pracach nad stworzeniem ogniwa paliwowego własnej konstrukcji, które będzie tańsze i bardziej kompaktowe niż DMFC. Jako paliwo wykorzysta borowodorek sodu. Zdaniem twórców, dzięki temu czas pracy ogniwa paliwowego wydłuży się czterokrotnie w porównaniu z ogniwem DMFC wypełnionym taką samą objętością metanolu.

Zaprezentowany przez pracowników MERIT prototyp ogniwa paliwowego wykonany jest w pakiecie o wymiarach 80X84,6X3 mm i może pracować z obciążeniem do 20 W. Do zasilania mocniejszych urządzeń można wykorzystać baterie składające się z kilku ogniw. Zgodnie z istniejącymi planami wdrożenie do masowej produkcji tego typu elementów planowane jest na początek 2006 roku.

Lód pękł...

W połowie grudnia firma Intermec Technologies rozpoczęła sprzedaż przenośnego czytnika RFID, pierwszego masowo produkowanego urządzenia wyposażonego w niewielki element DMFC. Zastosowane w urządzeniu ogniwo paliwowe Mobion zostało opracowane przez firmę MTI MicroFuel Cells, która planuje uruchomić produkcję takich zasilaczy do PDA, smartfonów i innych urządzeń przenośnych. Jak zauważyli twórcy MTI MicroFuel Cells, element Mobion pozwala kilkakrotnie wydłużyć czas pracy urządzeń bez ładowania w porównaniu do akumulatorów litowo-jonowych o tej samej wielkości.

Zdaniem wielu ekspertów, w nadchodzącym roku należy spodziewać się wielu masowo produkowanych przenośnych urządzeń wyposażonych w ogniwa paliwowe. A przyszłość rynku przenośnych zasilaczy będzie w dużej mierze zależeć od tego, jak udany będzie ich debiut.

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- jest to chemiczne źródło prądu lub generator elektrochemiczny, jest to 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 baterie w samochodach, zasilacze awaryjne itp. Kolejnym etapem rozwoju tego obszaru będzie powszechna dystrybucja ogniw paliwowych, co jest niezaprzeczalnym faktem.

Historia ogniw paliwowych

Historia ogniw paliwowych to kolejna opowieść o tym, jak odkryte niegdyś na Ziemi właściwości materii były szeroko wykorzystywane w dalekim 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 Oxfordu, William Robert Grove, zaprojektował ogniwo galwaniczne, nazwane później ogniwem galwanicznym Grove, które jest również uznawane za pierwsze ogniwo paliwowe. Sama nazwa „ogniwo paliwowe” została nadana wynalazkowi w roku jego rocznicy – ​​w 1889 roku. Autorami terminu są Ludwig Mond i Karl Langer.

Nieco wcześniej, w 1874 roku, Jules Verne w książce The Mysterious Island przewidział obecną sytuację energetyczną, pisząc, że „Woda pewnego dnia zostanie użyta jako paliwo, zostanie użyty wodór i tlen, z których się składa”.

Tymczasem nowa technologia zasilania była sukcesywnie ulepszana, a począwszy od lat 50-tych XX wieku nie minął rok bez zapowiedzi najnowszych wynalazków w tej dziedzinie. W 1958 roku w Stanach Zjednoczonych pojawił się pierwszy ciągnik zasilany ogniwami paliwowymi, w 1959 roku. Wydano zasilacz 5KW do zgrzewarki itp. W latach 70. technologia wodorowa wystartowała w kosmos: na wodorze pojawiły się silniki lotnicze i rakietowe. 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 stulecia ogniwa paliwowe przekroczyły zerową wysokość n.p.m. – na ich podstawie opracowano dostawa energii elektrycznej Niemiecka łódź podwodna. Wracając na Ziemię, w 2009 roku pierwsza lokomotywa została uruchomiona w USA. Oczywiście na ogniwach paliwowych.

W całej pięknej historii ogniw paliwowych interesujące jest to, że koło jest wciąż niezrównanym wynalazkiem ludzkości w naturze. Rzecz w tym, że ogniwa paliwowe są podobne w swojej budowie i zasadzie działania do ogniwa biologicznego, które w rzeczywistości jest miniaturowym wodorowo-tlenowym ogniwem paliwowym. W rezultacie człowiek po raz kolejny wynalazł to, z czego natura korzysta od milionów lat.

Zasada działania ogniw paliwowych

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 rozpada 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 elektrody.

Najprostsze ogniwo paliwowe składa się ze specjalnej membrany używanej jako elektrolit, po obu stronach której nałożone są elektrody proszkowe. Wodór wchodzi z jednej strony (anoda), a tlen (powietrze) z drugiej (katoda). Każda elektroda ma inną reakcję chemiczną. Na anodzie wodór rozkłada się na mieszaninę protonów i elektronów. W niektórych ogniwach paliwowych elektrody są otoczone katalizatorem, zwykle wykonanym z platyny lub innych metali szlachetnych, aby wspomóc reakcję dysocjacji:

2H 2 → 4H + + 4e -

gdzie H2 jest dwuatomową cząsteczką wodoru (postać, w której wodór występuje jako gaz); H + - zjonizowany wodór (proton); e - - elektron.

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

4H + + 4e - + O2 → 2H2O

Ogólna reakcja w ogniwie paliwowym jest napisane w następujący sposób:

2H2 + O2 → 2H2O

Działanie ogniwa paliwowego opiera się na fakcie, że elektrolit przepuszcza protony przez siebie (w kierunku katody), ale elektrony nie. Elektrony poruszają się w kierunku katody wzdłuż zewnętrznego obwodu przewodzącego. Ten ruch elektronów to prąd elektryczny, który można wykorzystać do zasilania zewnętrznego urządzenia podłączonego do ogniwa paliwowego (obciążenie, takie jak żarówka):

W swojej pracy ogniwa paliwowe wykorzystują paliwo wodorowe i tlen. Najłatwiej jest z tlenem - pobiera się go z powietrza. Wodór można dostarczać bezpośrednio z określonego zbiornika lub oddzielając go od zewnętrznego źródła paliwa (gaz ziemny, benzyna lub alkohol metylowy – metanol). W przypadku źródła zewnętrznego, w celu wydobycia wodoru, musi ono zostać poddane chemicznej konwersji. Obecnie większość technologii ogniw paliwowych opracowywanych dla urządzeń przenośnych wykorzystuje metanol.

Charakterystyka ogniw paliwowych

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 są dostarczane 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. Większe napięcie uzyskuje się łącząc je szeregowo. Wzrost mocy (prądu) realizowany jest poprzez równoległe połączenie kaskad połączonych szeregowo ogniw paliwowych.

Do ogniw paliwowych brak sztywnych ograniczeń wydajności, jak dla silników cieplnych (sprawność cyklu Carnota jest maksymalną możliwą sprawnością spośród wszystkich silników cieplnych o tych samych temperaturach minimalnych i maksymalnych).

Wysoka wydajność osiągnięte poprzez bezpośrednie przekształcenie energii paliwowej w energię elektryczną. Jeśli paliwo jest spalane po raz pierwszy w agregatach prądotwórczych z silnikiem wysokoprężnym, powstająca para lub gaz obraca wał turbiny lub silnika spalinowego, który z kolei obraca generator elektryczny. Rezultatem jest wydajność maksymalnie 42%, częściej jest to około 35-38%. Ponadto, ze względu na wiele powiązań, a także z powodu ograniczeń termodynamicznych maksymalnej sprawności silników cieplnych, jest mało prawdopodobne, aby istniejąca sprawność wzrosła wyżej. Do istniejących ogniw paliwowych Wydajność 60-80%,

Wydajność prawie nie zależy od współczynnika obciążenia,

Wydajność jest kilkakrotnie większa niż istniejące baterie

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

Rodzaje ogniw paliwowych

ogniwa paliwowe sklasyfikowany z następujących powodów:

według zużytego paliwa

ciśnienie i temperatura pracy,

zgodnie z charakterem aplikacji.

Ogólnie rzecz biorąc, są następujące typy ogniw paliwowych:

Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC);

Ogniwo paliwowe z membraną do wymiany protonów (ogniwo paliwowe z membraną do wymiany protonów - PEMFC);

odwracalne ogniwo paliwowe (RFC);

Ogniwo paliwowe z bezpośrednim metanolem (ogniwo paliwowe z bezpośrednim metanolem - DMFC);

Ogniwo paliwowe ze stopionego węglanu (ogniwa paliwowe ze stopionego węglanu – MCFC);

Ogniwa paliwowe z kwasem fosforowym (PAFC);

Alkaliczne ogniwa paliwowe (AFC).

Jednym z rodzajów ogniw paliwowych pracujących w normalnych temperaturach i ciśnieniach z wykorzystaniem wodoru i tlenu są elementy z membraną jonowymienną. Powstała woda nie rozpuszcza stałego elektrolitu, spływa i jest łatwo usuwana.

Problemy z ogniwami paliwowymi

Główny problem ogniw paliwowych wiąże się z zapotrzebowaniem na „pakowany” wodór, który można było swobodnie kupować. 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 również zwracamy uwagę na problem źródła wodoru. Wodór jest obecnie produkowany z gazu ziemnego, ale rosnące koszty energii spowodują również wzrost ceny wodoru. Jednocześnie obecność CO i H 2 S (siarkowodór) jest nieunikniona w wodorze z gazu ziemnego, który zatruwa katalizator.

Zwykłe katalizatory platynowe wykorzystują bardzo drogi i niezastąpiony metal w przyrodzie - platynę. Planuje się jednak rozwiązanie tego problemu poprzez zastosowanie katalizatorów opartych na enzymach, które są substancją tanią i łatwo wytwarzaną.

Problemem jest również ciepło. Wydajność gwałtownie wzrośnie, jeśli wytworzone ciepło zostanie skierowane do użytecznego kanału - w celu wytworzenia energii cieplnej dla systemu zaopatrzenia w ciepło, aby wykorzystać ją jako ciepło odpadowe w absorpcji maszyny chłodnicze itp.

Ogniwa paliwowe z metanolem (DMFC): Prawdziwe zastosowanie

Ogniwa paliwowe z bezpośrednim działaniem metanolu (DMFC) cieszą się obecnie największym praktycznym zainteresowaniem. Laptop Portege M100 działający na ogniwie paliwowym DMFC wygląda tak:

Typowy obwód 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 naładowanie nastąpi poprzez dodanie porcji ciekłego metanolu.

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

Ogniwa paliwowe to przyszłość!

Wreszcie 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 miniaturowych ogniw paliwowych, mówi o oczywistej wielkiej przyszłości paliw komórki.

ogniwo paliwowe ( ogniwo paliwowe) to urządzenie, które zamienia energię chemiczną na energię elektryczną. Zasadniczo jest podobny do konwencjonalnego akumulatora, ale różni się tym, że jego działanie wymaga stałego dostarczania substancji z zewnątrz, aby zaszła reakcja elektrochemiczna. Do ogniw paliwowych dostarczany jest wodór i tlen, a wyjściem jest energia elektryczna, woda i ciepło. Ich zalety to przyjazność dla środowiska, niezawodność, trwałość i łatwość obsługi. W przeciwieństwie do konwencjonalnych akumulatorów, konwertery elektrochemiczne mogą działać praktycznie w nieskończoność, o ile dostępne jest paliwo. Nie trzeba ich ładować godzinami, aż do pełnego naładowania. Co więcej, same ogniwa mogą ładować akumulator, gdy samochód jest zaparkowany z wyłączonym silnikiem.

Ogniwa paliwowe z membraną protonową (PEMFC) i ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC) są najszerzej stosowane w pojazdach wodorowych.

Ogniwo paliwowe z membraną do wymiany protonów działa w następujący sposób. Pomiędzy anodą a katodą znajduje się specjalna membrana i katalizator pokryty platyną. Wodór wchodzi do anody, a tlen do katody (na przykład z powietrza). Na anodzie wodór jest rozkładany na protony i elektrony za pomocą katalizatora. Protony wodoru przechodzą przez membranę i wchodzą do katody, podczas gdy elektrony są oddawane do obwodu zewnętrznego (membrana ich nie przepuszcza). Uzyskana w ten sposób różnica potencjałów prowadzi do pojawienia się prądu elektrycznego. Po stronie katodowej protony wodoru są utleniane tlenem. W efekcie powstaje para wodna, która jest głównym składnikiem spalin samochodowych. Posiadając wysoką wydajność ogniwa PEM mają jedną istotną wadę - ich działanie wymaga czystego wodoru, którego przechowywanie jest dość poważnym problemem.

Jeśli znajdzie się taki katalizator, który zastąpi kosztowną platynę w tych ogniwach, to natychmiast powstanie tanie ogniwo paliwowe do wytwarzania energii elektrycznej, co oznacza, że ​​świat pozbędzie się uzależnienia od ropy.

Stałe ogniwa tlenkowe

Ogniwa SOFC ze stałym tlenkiem są znacznie mniej wymagające pod względem czystości paliwa. Dodatkowo, dzięki zastosowaniu reformera POX (Partial Oxidation - częściowe utlenianie), takie ogniwa mogą zużywać jako paliwo zwykłą benzynę. Proces przekształcania benzyny bezpośrednio w energię elektryczną przebiega następująco. W specjalnym urządzeniu - reformerze, w temperaturze około 800 ° C benzyna odparowuje i rozkłada się na elementy składowe.

To uwalnia wodór i dwutlenek węgla. Ponadto, również pod wpływem temperatury i przy pomocy samego SOFC (składającego się z porowatego materiału ceramicznego na bazie tlenku cyrkonu), wodór jest utleniany tlenem z powietrza. Po uzyskaniu wodoru z benzyny proces przebiega dalej zgodnie z opisanym powyżej scenariuszem, z tylko jedną różnicą: ogniwo paliwowe SOFC, w przeciwieństwie do urządzeń pracujących na wodorze, jest mniej wrażliwe na obce zanieczyszczenia w oryginalnym paliwie. Tak więc jakość benzyny nie powinna wpływać na wydajność ogniwa paliwowego.

Istotną wadą jest wysoka temperatura pracy SOFC (650-800 stopni), proces nagrzewania trwa około 20 minut. Jednak nadmiar ciepła nie stanowi problemu, ponieważ jest całkowicie usuwany przez pozostałe powietrze i spaliny wytwarzane przez reformer i samo ogniwo paliwowe. Pozwala to na zintegrowanie systemu SOFC z pojazdem jako samodzielne urządzenie w izolowanej termicznie obudowie.

Modułowa budowa pozwala na uzyskanie wymaganego napięcia poprzez szeregowe połączenie zestawu standardowych ogniw. A co być może najważniejsze, z punktu widzenia wprowadzenia takich urządzeń, w SOFC nie ma bardzo drogich elektrod platynowych. To właśnie wysoki koszt tych elementów jest jedną z przeszkód w rozwoju i rozpowszechnianiu technologii PEMFC.

Rodzaje ogniw paliwowych

Obecnie istnieją takie typy ogniw paliwowych:

• AFC– Alkaline Fuel Cell (alkaliczne ogniwo paliwowe);
• PAFC– Ogniwo paliwowe z kwasem fosforowym (ogniwo paliwowe z kwasem fosforowym);
• PEMFC– Ogniwo paliwowe z membraną do wymiany protonów (ogniwo paliwowe z membraną do wymiany protonów);
• DMFC– Direct Methanol Fuel Cell (ogniwo paliwowe z bezpośrednim rozkładem metanolu);
• MCFC– Ogniwo paliwowe ze stopionego węglanu (ogniwo ze stopionego węglanu);
• SOFC– Ogniwo paliwowe ze stałym tlenkiem (ogniwo ze stałym tlenkiem).