Palivové články (elektrochemické generátory) sú veľmi efektívny, odolný, spoľahlivý a ekologický spôsob výroby energie. Spočiatku sa používali iba vo vesmírnom priemysle, ale dnes sa elektrochemické generátory čoraz viac používajú v rôznych oblastiach: sú to napájacie zdroje pre mobilné telefóny a notebooky, motory vozidiel, autonómne zdroje energie pre budovy a stacionárne elektrárne. Niektoré z týchto zariadení fungujú ako laboratórne prototypy, niektoré sa používajú na demonštračné účely alebo prechádzajú predsériovým testovaním. Mnohé modely sa však už používajú v komerčných projektoch a sú sériovo vyrábané.

Zariadenie

Palivové články sú elektrochemické zariadenia schopné zabezpečiť vysokú mieru premeny existujúcej chemickej energie na elektrickú energiu.

Zariadenie palivových článkov pozostáva z troch hlavných častí:

1. Sekcia výroby energie;
2. CPU;
3. Napäťový transformátor.

Hlavnou časťou palivového článku je časť na výrobu energie, čo je batéria zložená z jednotlivých palivových článkov. V štruktúre elektród palivových článkov je zahrnutý platinový katalyzátor. Pomocou týchto článkov vzniká jednosmerný elektrický prúd.

Jedno z týchto zariadení má nasledujúce charakteristiky: pri napätí 155 voltov sa vyrába 1400 ampérov. Rozmery batérie sú 0,9 m na šírku a výšku, ako aj 2,9 m na dĺžku. Elektrochemický proces v ňom prebieha pri teplote 177 ° C, čo si vyžaduje zahrievanie batérie v čase spustenia, ako aj odvod tepla počas jej prevádzky. Na tento účel je v zložení palivového článku zahrnutý samostatný vodný okruh, vrátane batérie je vybavená špeciálnymi chladiacimi doskami.

Proces paliva premieňa zemný plyn na vodík, ktorý je potrebný na výrobu elektriny. chemická reakcia. Hlavným prvkom procesora paliva je reformátor. V ňom zemný plyn (alebo iné palivo obsahujúce vodík) interaguje pri vysokom tlaku a vysokej teplote (asi 900 ° C) s vodnou parou pôsobením niklového katalyzátora.

Na udržanie požadovanej teploty reformátora je k dispozícii horák. Para potrebná na reformovanie vzniká z kondenzátu. V zásobníku palivových článkov vzniká nestabilný jednosmerný prúd a na jeho premenu sa používa menič napätia.

V jednotke meniča napätia sú tiež:

• ovládacie zariadenia.
• Bezpečnostné blokovacie obvody, ktoré odstavia palivový článok pri rôznych poruchách.

Princíp fungovania

Najjednoduchší prvok s protónovou výmennou membránou pozostáva z polymérnej membrány, ktorá je umiestnená medzi anódou a katódou, ako aj katódových a anódových katalyzátorov. Polymérna membrána sa používa ako elektrolyt.

• Protónová výmenná membrána vyzerá ako tenká pevná látka organická zlúčenina malá hrúbka. Táto membrána funguje ako elektrolyt, v prítomnosti vody rozdeľuje látku na záporne aj kladne nabité ióny.
• Oxidácia začína na anóde a redukcia nastáva na katóde. Katóda a anóda v PEM článku sú vyrobené z porézneho materiálu, je to zmes platinových a uhlíkových častíc. Platina pôsobí ako katalyzátor, ktorý podporuje disociačnú reakciu. Katóda a anóda sú porézne, takže cez ne môže voľne prechádzať kyslík a vodík.
• Anóda a katóda sú umiestnené medzi dvoma kovovými platňami, dodávajú katóde a anóde kyslík a vodík a odvádzajú elektrickú energiu, teplo a vodu.
• Cez kanály v platni vstupujú molekuly vodíka do anódy, kde sa molekuly rozkladajú na atómy.
• V dôsledku chemisorpcie, keď sú vystavené katalyzátoru, sa atómy vodíka premenia na kladne nabité vodíkové ióny H +, to znamená protóny.
• Protóny difundujú ku katóde cez membránu a tok elektrónov ide ku katóde cez špeciálny vonkajší elektrický obvod. K nemu je pripojená záťaž, teda spotrebiteľ elektrická energia.
• Kyslík, ktorý sa dodáva ku katóde, keď je vystavený, vstupuje do chemickej reakcie s elektrónmi z vonkajšieho elektrického obvodu a vodíkovými iónmi z membrány na výmenu protónov. Výsledkom tejto chemickej reakcie je voda.

Chemická reakcia, ku ktorej dochádza v palivových článkoch iných typov (napríklad s kyslým elektrolytom vo forme kyseliny fosforečnej H3PO4), je úplne identická s reakciou zariadenia s protónovou výmennou membránou.

Druhy

V súčasnosti je známych niekoľko typov palivových článkov, ktoré sa líšia zložením použitého elektrolytu:

• Palivové články na báze kyseliny fosforečnej alebo fosforečnej (PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cells).
• Zariadenia s protónovou výmennou membránou (PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cells).
• Oxid v tuhom stave palivové články(SOFC, palivové články s pevným oxidom).
• Elektrochemické generátory na báze roztaveného uhličitanu (MCFC, Molten Carbonate Fuel Cells).

Zapnuté tento moment elektrochemické generátory využívajúce technológiu PAFC sa rozšírili.

Aplikácia

Dnes sa palivové články používajú v raketoplánoch, opakovane použiteľných vesmírnych vozidlách. Používajú 12W jednotky. Vyrábajú všetku elektrinu v kozmickej lodi. Voda, ktorá vzniká pri elektrochemickej reakcii, sa používa na pitie, vrátane chladiacich zariadení.

Elektrochemické generátory sa používali aj na pohon sovietskeho Buranu, opakovane použiteľnej lode.

Palivové články sa využívajú aj v civilnom sektore.

• Stacionárne inštalácie s výkonom 5–250 kW a viac. Používajú sa ako autonómne zdroje pre zásobovanie teplom a energiou priemyselných, verejných a obytných budov, núdzové a záložné zdroje, zdroje neprerušiteľného napájania.
• Prenosné jednotky s výkonom 1–50 kW. Používajú sa pre vesmírne satelity a lode. Inštancie sú vytvorené pre golfové vozíky, invalidné vozíky, železničné a nákladné chladničky, dopravné značky.
• Mobilné jednotky s výkonom 25–150 kW. Začínajú sa používať vo vojnových lodiach a ponorkách, vrátane áut a iných vozidiel. Prototypy už vytvorili takí automobiloví giganti ako Renault, Neoplan, Toyota, Volkswagen, Hyundai, Nissan, VAZ, General Motors, Honda, Ford a ďalší.
• Mikrozariadenia s výkonom 1–500 W. Uplatnenie nachádzajú vo vyspelých vreckových počítačoch, notebookoch, domácnostiach elektronické zariadenia, mobilné telefóny, moderné vojenské zariadenia.

Zvláštnosti

• Časť energie chemickej reakcie v každom palivovom článku sa uvoľňuje ako teplo. Vyžaduje sa chladenie. Vo vonkajšom obvode tok elektrónov vytvára jednosmerný prúd používaný na prácu. Zastavenie pohybu vodíkových iónov alebo otvorenie vonkajšieho okruhu vedie k ukončeniu chemickej reakcie.
• Množstvo elektriny, ktorú palivové články vytvárajú, je určené tlakom plynu, teplotou, geometrickými rozmermi a typom palivového článku. Pre zvýšenie množstva elektriny vytvorenej reakciou je možné zväčšiť veľkosť palivových článkov, no v praxi sa používa viacero prvkov, ktoré sa spájajú do batérií.
• Chemický proces v niektorých typoch palivových článkov je možné zvrátiť. To znamená, že keď sa na elektródy aplikuje potenciálny rozdiel, voda sa môže rozložiť na kyslík a vodík, ktoré sa budú zhromažďovať na poréznych elektródach. So zahrnutím záťaže bude takýto palivový článok generovať elektrickú energiu.

vyhliadky

V súčasnosti si elektrochemické generátory na použitie ako hlavný zdroj energie vyžadujú vysoké počiatočné náklady. Zavedením stabilnejších membrán s vysokou vodivosťou, účinných a lacných katalyzátorov, alternatívnych zdrojov vodíka, sa palivové články stanú ekonomicky vysoko atraktívne a budú sa zavádzať všade.

• Autá budú jazdiť na palivové články, vôbec nebudú mať spaľovacie motory. Ako zdroj energie sa bude využívať voda alebo pevný vodík. Tankovanie bude jednoduché a bezpečné a jazda bude ekologická – bude sa vytvárať iba vodná para.
• Všetky budovy budú mať svoje vlastné prenosné generátory na palivové články.
• Elektrochemické generátory nahradia všetky batérie a budú v akejkoľvek elektronike a domácich spotrebičoch.

Výhody a nevýhody

Každý typ palivového článku má svoje výhody a nevýhody. Niektoré vyžadujú vysoko kvalitné palivo, iné majú zložitú konštrukciu a potrebujú vysokú prevádzkovú teplotu.

Vo všeobecnosti možno uviesť nasledujúce výhody palivových článkov:

• bezpečnosť pre životné prostredie;
• elektrochemické generátory nie je potrebné dobíjať;
• elektrochemické generátory dokážu vytvárať energiu neustále, nestarajú sa o vonkajšie podmienky;
• flexibilitu, pokiaľ ide o rozsah a prenosnosť.

Medzi nevýhody patrí:

• technické ťažkosti so skladovaním a prepravou paliva;
• nedokonalé prvky zariadenia: katalyzátory, membrány atď.

Ekológia vedomostí Veda a technika: Vodíková energia je jedným z najefektívnejších priemyselných odvetví a palivové články jej umožňujú zostať na čele inovatívnych technológií.

Palivový článok je zariadenie, ktoré efektívne generuje jednosmerný prúd a teplo z paliva bohatého na vodík prostredníctvom elektrochemickej reakcie.

Palivový článok je podobný batérii v tom, že generuje jednosmerný prúd prostredníctvom chemickej reakcie. Opäť, podobne ako batéria, palivový článok obsahuje anódu, katódu a elektrolyt. Palivové články však na rozdiel od batérií nedokážu uchovávať elektrickú energiu, nevybíjajú sa a nevyžadujú dobíjanie elektriny. Palivové články dokážu nepretržite vyrábať elektrinu, pokiaľ majú zásobu paliva a vzduchu. Správny výraz na opis fungujúceho palivového článku je systém článkov, pretože na správne fungovanie sú potrebné niektoré pomocné systémy.

Na rozdiel od iných generátorov energie, ako sú motory vnútorné spaľovanie alebo turbíny na plyn, uhlie, vykurovací olej atď., palivové články nespaľujú palivo. To znamená žiadne hlučné rotory vysoký tlak, hlasný hluk výfuku, vibrácie. Palivové články vyrábajú elektrinu tichou elektrochemickou reakciou. Ďalšou vlastnosťou palivových článkov je, že premieňajú chemickú energiu paliva priamo na elektrinu, teplo a vodu.

Palivové články sú vysoko účinné a neprodukujú Vysoké číslo skleníkové plyny ako oxid uhličitý, metán a oxid dusný. Jedinými produktmi emitovanými počas prevádzky palivových článkov je voda vo forme pary a malé množstvo oxid uhličitý, ktorý sa pri použití čistého vodíka ako paliva vôbec nevypúšťa. Palivové články sa skladajú do zostáv a následne do jednotlivých funkčných modulov.

Princíp činnosti palivových článkov

Palivové články generujú elektrinu a teplo v dôsledku prebiehajúcej elektrochemickej reakcie pomocou elektrolytu, katódy a anódy.

Anóda a katóda sú oddelené elektrolytom, ktorý vedie protóny. Po vstupe vodíka do anódy a vstupe kyslíka do katódy začína chemická reakcia, v dôsledku ktorej vzniká elektrický prúd, teplo a voda. Na katalytickej anóde molekulárny vodík disociuje a stráca elektróny. Vodíkové ióny (protóny) sú vedené cez elektrolyt ku katóde, zatiaľ čo elektróny prechádzajú cez elektrolyt a cez vonkajší elektrický obvod, čím vytvárajú jednosmerný prúd, ktorý možno použiť na napájanie zariadení. Na katódovom katalyzátore sa molekula kyslíka spája s elektrónom (ktorý je dodávaný z vonkajšej komunikácie) a prichádzajúcim protónom a vytvára vodu, ktorá je jediným reakčným produktom (vo forme pary a / alebo kvapaliny).

Nižšie je zodpovedajúca reakcia:

Anódová reakcia: 2H2 => 4H+ + 4e-
Reakcia na katóde: O2 + 4H+ + 4e- => 2H2O
Všeobecná reakcia prvok: 2H2 + 02 => 2H20

Typy palivových článkov

Podobne ako pri existencii rôznych typov spaľovacích motorov existujú aj rôzne typy palivových článkov – výber vhodného typu palivového článku závisí od jeho použitia.Palivové články sa delia na vysokoteplotné a nízkoteplotné. Nízkoteplotné palivové články vyžadujú ako palivo relatívne čistý vodík.

To často znamená, že na premenu primárneho paliva (ako je zemný plyn) na čistý vodík je potrebné spracovanie paliva. Tento proces spotrebúva dodatočnú energiu a vyžaduje špeciálne vybavenie. Vysokoteplotné palivové články nepotrebujú tento dodatočný postup, pretože dokážu „interne premeniť“ palivo pri zvýšených teplotách, čo znamená, že nie je potrebné investovať do vodíkovej infraštruktúry.

Palivové prvky na roztavenom uhličitane (MCFC).

Palivové články s roztaveným uhličitanom sú vysokoteplotné palivové články. Vysoká prevádzková teplota umožňuje priame využitie zemného plynu bez palivového procesora a palivového plynu s nízkou výhrevnosťou výrobné procesy a z iných zdrojov. Tento proces bol vyvinutý v polovici 60. rokov 20. storočia. Odvtedy sa výrobná technológia, výkon a spoľahlivosť zlepšili.

Prevádzka RCFC sa líši od ostatných palivových článkov. Tieto články využívajú elektrolyt zo zmesi roztavených uhličitanových solí. V súčasnosti sa používajú dva typy zmesí: uhličitan lítny a uhličitan draselný alebo uhličitan lítny a uhličitan sodný. Na roztavenie uhličitanových solí a dosiahnutie vysokého stupňa mobility iónov v elektrolyte sa prevádzka palivových článkov s roztaveným uhličitanovým elektrolytom uskutočňuje pri vysoké teploty(650 °C). Účinnosť sa pohybuje medzi 60-80%.

Pri zahriatí na teplotu 650°C sa soli stanú vodičmi pre uhličitanové ióny (CO32-). Tieto ióny prechádzajú z katódy na anódu, kde sa spájajú s vodíkom za vzniku vody, oxidu uhličitého a voľných elektrónov. Tieto elektróny sa posielajú cez vonkajší elektrický obvod späť ku katóde, pričom ako vedľajší produkt generujú elektrický prúd a teplo.

Anódová reakcia: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e-
Reakcia na katóde: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-
Všeobecná reakcia prvku: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2 (katóda) => H2O(g) + CO2 (anóda)

Vysoké prevádzkové teploty palivových článkov s roztaveným uhličitanom majú určité výhody. Pri vysokých teplotách sa zemný plyn vnútorne reformuje, čím sa eliminuje potreba procesora paliva. Okrem toho medzi výhody patrí možnosť použitia štandardných konštrukčných materiálov, ako je nerezový plech a niklový katalyzátor na elektródach. Odpadové teplo je možné využiť na výrobu vysokotlakovej pary na rôzne priemyselné a komerčné účely.

Vysoké reakčné teploty v elektrolyte majú tiež svoje výhody. Použitie vysokých teplôt trvá dlho, kým sa dosiahnu optimálne prevádzkové podmienky, a systém pomalšie reaguje na zmeny spotreby energie. Tieto charakteristiky umožňujú použitie systémov palivových článkov s roztaveným uhličitanovým elektrolytom v podmienkach konštantného výkonu. Vysoké teploty zabraňujú poškodeniu palivových článkov oxidom uhoľnatým, „otrave“ atď.

Palivové články s roztaveným uhličitanom sú vhodné na použitie vo veľkých stacionárnych inštaláciách. Priemyselne sa vyrábajú tepelné elektrárne s výstupným elektrickým výkonom 2,8 MW. Vyvíjajú sa elektrárne s výstupným výkonom do 100 MW.

Palivové články na báze kyseliny fosforečnej (PFC).

Palivové články na báze kyseliny fosforečnej (ortofosforečnej) boli prvými palivovými článkami na komerčné využitie. Tento proces bol vyvinutý v polovici 60. rokov a testovaný od 70. rokov 20. storočia. Odvtedy sa zvýšila stabilita, výkon a náklady.

Palivové články na báze kyseliny fosforečnej (ortofosforečnej) využívajú elektrolyt na báze kyseliny ortofosforečnej (H3PO4) s koncentráciou až 100 %. Iónová vodivosť kyseliny fosforečnej je nízka pri nízke teploty, z tohto dôvodu sa tieto palivové články používajú pri teplotách do 150–220 °C.

Nosičom náboja v palivových článkoch tohto typu je vodík (H+, protón). Podobný proces prebieha v palivových článkoch s protónovou výmennou membránou (MEFC), v ktorých sa vodík dodávaný do anódy štiepi na protóny a elektróny. Protóny prechádzajú cez elektrolyt a spájajú sa s kyslíkom zo vzduchu na katóde za vzniku vody. Elektróny sú nasmerované pozdĺž vonkajšieho elektrického obvodu a vytvára sa elektrický prúd. Nižšie sú uvedené reakcie, ktoré vytvárajú elektrinu a teplo.

Anódová reakcia: 2H2 => 4H+ + 4e-
Reakcia na katóde: 02(g) + 4H+ + 4e- => 2H20
Všeobecná reakcia prvkov: 2H2 + O2 => 2H2O

Účinnosť palivových článkov na báze kyseliny fosforečnej (ortofosforečnej) je pri výrobe elektrickej energie viac ako 40 %. Pri kombinovanej výrobe tepla a elektriny je celková účinnosť cca 85 %. Navyše pri daných prevádzkových teplotách možno odpadové teplo využiť na ohrev vody a výrobu pary pri atmosférickom tlaku.

Vysoký výkon tepelných elektrární na palivové články na báze kyseliny fosforečnej (ortofosforečnej) pri kombinovanej výrobe tepla a elektriny je jednou z výhod tohto typu palivových článkov. Závody využívajú oxid uhoľnatý v koncentrácii okolo 1,5 %, čo značne rozširuje výber paliva. Okrem toho CO2 neovplyvňuje elektrolyt a činnosť palivového článku, tento typ článku pracuje s reformovaným prírodným palivom. Jednoduchá konštrukcia, nízka prchavosť elektrolytu a zvýšená stabilita sú tiež výhodami tohto typu palivových článkov.

Priemyselne sa vyrábajú tepelné elektrárne s výstupným elektrickým výkonom do 400 kW. Zariadenia pre 11 MW prešli príslušnými skúškami. Vyvíjajú sa elektrárne s výstupným výkonom do 100 MW.

Palivové články s protónovou výmennou membránou (PME)

Najviac sa považujú palivové články s membránou na výmenu protónov najlepší typ palivové články na výrobu energie vozidla, ktorá môže nahradiť benzínové a naftové spaľovacie motory. Tieto palivové články prvýkrát použila NASA pre program Gemini. Dnes sa vyvíjajú a predvádzajú inštalácie na MOPFC s výkonom od 1 W do 2 kW.

Tieto palivové články používajú ako elektrolyt pevnú polymérnu membránu (tenký plastový film). Pri impregnácii vodou tento polymér prechádza protónmi, ale nevedie elektróny.

Palivom je vodík a nosičom náboja je vodíkový ión (protón). Na anóde sa molekula vodíka rozdelí na vodíkový ión (protón) a elektróny. Vodíkové ióny prechádzajú cez elektrolyt ku katóde, zatiaľ čo elektróny sa pohybujú po vonkajšom kruhu a produkujú elektrickú energiu. Kyslík, ktorý sa odoberá zo vzduchu, sa privádza na katódu a spája sa s elektrónmi a vodíkovými iónmi za vzniku vody. Na elektródach prebiehajú tieto reakcie:

Anódová reakcia: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Reakcia na katóde: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Všeobecná reakcia prvkov: 2H2 + O2 => 2H2O

V porovnaní s inými typmi palivových článkov produkujú palivové články s protónovou výmennou membránou viac energie pre daný objem alebo hmotnosť palivového článku. Táto funkcia im umožňuje byť kompaktné a ľahké. Prevádzková teplota je navyše nižšia ako 100 °C, čo umožňuje rýchle spustenie prevádzky. Tieto vlastnosti, ako aj schopnosť rýchlo meniť výstup energie, sú len niektoré z vlastností, vďaka ktorým sú tieto palivové články hlavným kandidátom na použitie vo vozidlách.

Ďalšou výhodou je, že elektrolyt je skôr tuhá ako kvapalná látka. Udržanie plynov na katóde a anóde je jednoduchšie s pevným elektrolytom, a preto sú takéto palivové články lacnejšie na výrobu. V porovnaní s inými elektrolytmi pri použití pevného elektrolytu nie sú také ťažkosti ako orientácia menej problémov v dôsledku výskytu korózie, čo vedie k dlhšej životnosti prvku a jeho komponentov.

Palivové články na tuhé oxidy (SOFC)

Palivové články s pevným oxidom sú palivové články s najvyššou prevádzkovou teplotou. Pracovná teplota sa môže pohybovať od 600°C do 1000°C, čo umožňuje použitie rôznych druhov paliva bez špeciálnej predúpravy. Na zvládnutie týchto vysokých teplôt sa ako elektrolyt používa tenký pevný oxid kovu na keramickej báze, často zliatina ytria a zirkónu, čo je vodič kyslíkových (O2-) iónov. Technológia využívania palivových článkov s pevným oxidom sa rozvíja od konca 50. rokov minulého storočia. a má dve konfigurácie: rovinnú a rúrkovú.

Pevný elektrolyt poskytuje hermetický prechod plynu z jednej elektródy na druhú, zatiaľ čo kvapalné elektrolyty sú umiestnené v poréznom substráte. Nosičom náboja v palivových článkoch tohto typu je kyslíkový ión (О2-). Na katóde sa molekuly kyslíka oddelia zo vzduchu na kyslíkový ión a štyri elektróny. Kyslíkové ióny prechádzajú cez elektrolyt a spájajú sa s vodíkom za vzniku štyroch voľných elektrónov. Elektróny sú nasmerované cez vonkajší elektrický obvod, pričom generujú elektrický prúd a odpadové teplo.

Anódová reakcia: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e-
Reakcia na katóde: O2 + 4e- => 2O2-
Všeobecná reakcia prvkov: 2H2 + O2 => 2H2O

Účinnosť vyrobenej elektrickej energie je najvyššia zo všetkých palivových článkov – okolo 60 %. Okrem toho vysoké prevádzkové teploty umožňujú kombinovanú výrobu tepla a elektriny na výrobu vysokotlakovej pary. Spojením vysokoteplotného palivového článku s turbínou vzniká hybridný palivový článok na zvýšenie účinnosti výroby elektrickej energie až o 70 %.

Palivové články s pevným oxidom pracujú pri veľmi vysokých teplotách (600 °C – 1 000 °C), čo má za následok dlhý čas na dosiahnutie optimálnych prevádzkových podmienok a systém pomalšie reaguje na zmeny spotreby energie. Pri takýchto vysokých prevádzkových teplotách nie je potrebný žiadny konvertor na regeneráciu vodíka z paliva, čo umožňuje prevádzke tepelnej elektrárne s relatívne nečistými palivami zo splyňovania uhlia alebo odpadových plynov a podobne. Tento palivový článok je tiež vynikajúci pre aplikácie s vysokým výkonom, vrátane priemyselných a veľkých centrálnych elektrární. Priemyselne vyrábané moduly s výstupným elektrickým výkonom 100 kW.

Palivové články s priamou oxidáciou metanolu (DOMTE)

Technológia využitia palivových článkov s priamou oxidáciou metanolu prechádza obdobím aktívneho vývoja. Úspešne sa etablovala v oblasti napájania mobilných telefónov, notebookov, ako aj pri vytváraní prenosných zdrojov energie. k čomu smeruje budúca aplikácia týchto prvkov.

Štruktúra palivových článkov s priamou oxidáciou metanolu je podobná palivovým článkom s protónovou výmennou membránou (MOFEC), t.j. ako elektrolyt sa používa polymér a ako nosič náboja ión vodíka (protón). Kvapalný metanol (CH3OH) sa však v prítomnosti vody na anóde oxiduje, pričom sa uvoľňuje CO2, vodíkové ióny a elektróny, ktoré sú vedené cez vonkajší elektrický obvod a vzniká elektrický prúd. Vodíkové ióny prechádzajú cez elektrolyt a reagujú s kyslíkom zo vzduchu a elektrónmi z vonkajšieho okruhu za vzniku vody na anóde.

Anódová reakcia: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e-
Reakcia na katóde: 3/202 + 6H+ + 6e- => 3H20
Všeobecná reakcia prvkov: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O

Vývoj týchto palivových článkov sa začal začiatkom 90. rokov minulého storočia. Po vývoji vylepšených katalyzátorov a vďaka ďalším nedávnym inováciám sa hustota výkonu a účinnosť zvýšila až na 40 %.

Tieto prvky boli testované v teplotnom rozsahu 50-120°C. S nízkymi prevádzkovými teplotami a bez potreby konvertora sú priame metanolové palivové články tým najlepším kandidátom pre aplikácie od mobilných telefónov a iných spotrebných produktov až po automobilové motory. Výhodou tohto typu palivových článkov je ich malá veľkosť vďaka použitiu kvapalného paliva a absencia potreby použitia konvertora.

Alkalické palivové články (AFC)

Alkalické palivové články (ALFC) sú jednou z najviac študovaných technológií a používajú sa od polovice 60. rokov minulého storočia. NASA v programoch Apollo a Space Shuttle. Na palube týchto vesmírne lode palivové články vyrábajú elektrinu a pitná voda. Alkalické palivové články sú jedným z najefektívnejších prvkov používaných na výrobu elektriny, pričom účinnosť výroby energie dosahuje až 70 %.

Alkalické palivové články využívajú elektrolyt, t.j. vodný roztok hydroxid draselný obsiahnutý v poréznej stabilizovanej matrici. Koncentrácia hydroxidu draselného sa môže meniť v závislosti od prevádzkovej teploty palivového článku, ktorá sa pohybuje od 65 °C do 220 °C. Nosičom náboja v SFC je hydroxidový ión (OH-), ktorý sa pohybuje z katódy na anódu, kde reaguje s vodíkom za vzniku vody a elektrónov. Voda produkovaná na anóde sa vracia späť ku katóde, kde opäť vytvára hydroxidové ióny. V dôsledku tejto série reakcií prebiehajúcich v palivovom článku vzniká elektrina a ako vedľajší produkt teplo:

Anódová reakcia: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Reakcia na katóde: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Všeobecná reakcia systému: 2H2 + O2 => 2H2O

Výhodou SFC je, že tieto palivové články sú najlacnejšie na výrobu, pretože katalyzátorom potrebným na elektródach môže byť ktorákoľvek z látok, ktoré sú lacnejšie ako tie, ktoré sa používajú ako katalyzátory pre iné palivové články. Okrem toho SCFC pracujú pri relatívne nízkej teplote a patria medzi najúčinnejšie palivové články – takéto charakteristiky môžu prispieť k rýchlejšej výrobe energie a vysokej palivovej účinnosti.

Jednou z charakteristických vlastností SFC je jeho vysoká citlivosť na CO2, ktorý môže byť obsiahnutý v palive alebo vzduchu. CO2 reaguje s elektrolytom, rýchlo ho otrávi a výrazne znižuje účinnosť palivového článku. Preto je použitie SFC obmedzené na uzavreté priestory, ako sú vesmírne a podvodné vozidlá, musia fungovať na čistý vodík a kyslík. Navyše molekuly ako CO, H2O a CH4, ktoré sú bezpečné pre iné palivové články a pre niektoré z nich dokonca palivo, sú škodlivé pre SFC.

Palivové články s polymérovým elektrolytom (PETE)

V prípade palivových článkov s polymérnym elektrolytom pozostáva polymérna membrána z polymérových vlákien s vodnými oblasťami, v ktorých je vodivosť vodných iónov H2O+ (protón, červená) naviazaná na molekulu vody. Molekuly vody predstavujú problém v dôsledku pomalej výmeny iónov. Preto je potrebná vysoká koncentrácia vody ako v palive, tak aj na výfukových elektródach, čo obmedzuje prevádzkovú teplotu na 100°C.

Tuhé kyslé palivové články (SCFC)

V pevných kyslých palivových článkoch elektrolyt (CsHSO4) neobsahuje vodu. Prevádzková teplota je teda 100-300°C. Rotácia aniónov SO42-oxy umožňuje pohyb protónov (červená), ako je znázornené na obrázku.

Palivový článok s tuhou kyselinou je typicky sendvič, v ktorom je veľmi tenká vrstva tuhej kyslej zlúčeniny vložená medzi dve tesne stlačené elektródy, aby sa zabezpečil dobrý kontakt. Pri zahriatí sa organická zložka vyparí, opustí póry v elektródach, pričom si zachová schopnosť početných kontaktov medzi palivom (alebo kyslíkom na druhom konci článku), elektrolytom a elektródami.

Typ palivového článku	Pracovná teplota	Účinnosť výroby energie	Druh paliva	Oblasť použitia
RKTE	550 až 700 °C	50-70%		Stredné a veľké inštalácie
FKTE	100 až 220 °C	35-40%	čistý vodík	Veľké inštalácie
MOPTE	30-100 °C	35-50%	čistý vodík	Malé inštalácie
SOFC	450 až 1000 °C	45-70%	Väčšina uhľovodíkových palív	Malé, stredné a veľké inštalácie
POMTE	20-90 °C	20-30%	metanol	Prenosné jednotky
SHTE	50 až 200 °C	40-65%	čistý vodík	vesmírny výskum
PETE	30-100 °C	35-50%	čistý vodík	Malé inštalácie

Pridajte sa k nám na

Palivový článok je zariadenie, ktoré efektívne generuje teplo a jednosmerný prúd prostredníctvom elektrochemickej reakcie a využíva palivo bohaté na vodík. Princípom činnosti je podobný batérii. Štrukturálne je palivový článok reprezentovaný elektrolytom. Prečo je pozoruhodný? Na rozdiel od batérií vodíkové palivové články neuchovávajú elektrickú energiu, nepotrebujú elektrinu na dobíjanie a nevybíjajú sa. Články pokračujú vo výrobe elektriny, pokiaľ majú zásobu vzduchu a paliva.

Zvláštnosti

Rozdiel medzi palivovými článkami a inými generátormi energie je v tom, že počas prevádzky nespaľujú palivo. Vďaka tejto vlastnosti nepotrebujú vysokotlakové rotory, nevydávajú hlasný hluk a vibrácie. Elektrina v palivových článkoch vzniká tichou elektrochemickou reakciou. Chemická energia paliva sa v takýchto zariadeniach premieňa priamo na vodu, teplo a elektrinu.

Palivové články sú rôzne vysoká účinnosť a neprodukujú veľké množstvá skleníkových plynov. Výstupom článkov pri prevádzke je malé množstvo vody vo forme pary a oxidu uhličitého, ktoré sa pri použití čistého vodíka ako paliva neuvoľňuje.

História vzhľadu

V 50. a 60. rokoch minulého storočia vyvolala potreba energetických zdrojov NASA pre dlhodobé vesmírne misie jednu z najnáročnejších úloh pre palivové články, aké v tom čase existovali. Alkalické články využívajú ako palivo kyslík a vodík, ktoré sa v priebehu elektrochemickej reakcie premieňajú na vedľajšie produkty užitočné pri vesmírnych letoch – elektrinu, vodu a teplo.

Palivové články boli prvýkrát objavené začiatkom 19. storočia - v roku 1838. Zároveň sa objavili prvé informácie o ich účinnosti.

Práce na palivových článkoch s použitím alkalických elektrolytov sa začali koncom tridsiatych rokov minulého storočia. Vysokotlakové poniklované elektródové články boli vynájdené až v roku 1939. Počas druhej svetovej vojny boli pre britské ponorky vyvinuté palivové články, ktoré pozostávali z alkalických článkov s priemerom asi 25 centimetrov.

Záujem o ne vzrástol v 50. – 80. rokoch 20. storočia, charakterizovaný nedostatkom ropného paliva. Krajiny po celom svete sa začali zaoberať problémami znečistenia ovzdušia a životného prostredia v snahe vyvinúť ekologicky šetrný bezpečnými spôsobmi príjem elektriny. Technológia výroby palivových článkov v súčasnosti prechádza aktívnym vývojom.

Princíp činnosti

Teplo a elektrina sa vyrábajú v palivových článkoch ako výsledok elektrochemickej reakcie, ktorá prebieha pomocou katódy, anódy a elektrolytu.

Katóda a anóda sú oddelené protónom vodivým elektrolytom. Po privedení kyslíka ku katóde a vodíka k anóde sa spustí chemická reakcia, ktorej výsledkom je teplo, prúd a voda.

Disociuje na anódovom katalyzátore, čo vedie k jeho strate elektrónov. Vodíkové ióny vstupujú do katódy cez elektrolyt, zatiaľ čo elektróny prechádzajú cez vonkajšiu elektrickej siete a vytvoriť jednosmerný prúd, ktorý sa používa na napájanie zariadenia. Molekula kyslíka na katódovom katalyzátore sa spojí s elektrónom a prichádzajúcim protónom, pričom nakoniec vytvorí vodu, ktorá je jediným reakčným produktom.

Typy

Voľba konkrétny typ palivový článok závisí od jeho použitia. Všetky palivové články sú rozdelené do dvoch hlavných kategórií – vysokoteplotné a nízkoteplotné. Tie posledné využívajú ako palivo čistý vodík. Takéto zariadenia spravidla vyžadujú spracovanie primárneho paliva na čistý vodík. Proces sa vykonáva pomocou špeciálneho zariadenia.

Vysokoteplotné palivové články to nepotrebujú, pretože premieňajú palivo pri zvýšených teplotách, čím eliminujú potrebu vodíkovej infraštruktúry.

Princíp činnosti vodíkových palivových článkov je založený na premene chemickej energie na elektrickú energiu bez neefektívnych spaľovacích procesov a premene tepelnej energie na mechanickú energiu.

Všeobecné pojmy

Vodíkové palivové články sú elektrochemické zariadenia, ktoré vyrábajú elektrickú energiu vysoko účinným spaľovaním „studeného“ paliva. Existuje niekoľko typov takýchto zariadení. Za najsľubnejšiu technológiu sa považujú palivové články vodík-vzduch vybavené membránou na výmenu protónov PEMFC.

Protónovo vodivá polymérová membrána je určená na oddelenie dvoch elektród – katódy a anódy. Každý z nich je reprezentovaný uhlíkovou matricou potiahnutou katalyzátorom. disociuje na anódovom katalyzátore a daruje elektróny. Katióny sú vedené ku katóde cez membránu, avšak elektróny sa prenášajú do vonkajšieho okruhu, pretože membrána nie je navrhnutá na prenos elektrónov.

Molekula kyslíka na katódovom katalyzátore sa zlúči s elektrónom z elektrického obvodu a prichádzajúcim protónom, prípadne vytvorí vodu, ktorá je jediným reakčným produktom.

Vodíkové palivové články sa používajú na výrobu blokov membránových elektród, ktoré pôsobia ako hlavné generujúce prvky energetického systému.

Výhody vodíkových palivových článkov

Medzi nimi treba zdôrazniť:

• Zvýšená merná tepelná kapacita.
• Široký rozsah prevádzkových teplôt.
• Žiadne vibrácie, hluk a tepelné škvrny.
• spoľahlivosť studeného štartu.
• Nedostatok samovybíjania, čo zaisťuje dlhú životnosť energie.
• Neobmedzená autonómia vďaka možnosti nastavenia energetickej náročnosti zmenou počtu palivových kaziet.
• Zabezpečenie takmer akejkoľvek energetickej náročnosti zmenou kapacity zásobníka vodíka.
• Dlhá životnosť.
• Bezhlučná a ekologická prevádzka.
• Vysoká úroveň energetickej náročnosti.
• Tolerancia voči cudzím nečistotám vo vodíku.

Oblasť použitia

Vďaka vysokej účinnosti sa vodíkové palivové články používajú v rôznych oblastiach:

• Prenosné nabíjačky.
• Napájacie systémy pre UAV.
• Neprerušiteľné zdroje napájania.
• Ostatné zariadenia a vybavenie.

Perspektívy vodíkovej energie

Široké používanie palivových článkov na báze peroxidu vodíka bude možné až po vytvorení efektívnym spôsobom získavanie vodíka. Na aktívne využitie technológie sú potrebné nové nápady, pričom veľké nádeje sa vkladajú do koncepcie biopalivových článkov a nanotechnológie. Niektoré spoločnosti relatívne nedávno vydali účinné katalyzátory založené na rôzne kovy, zároveň sa objavili informácie o vytvorení palivových článkov bez membrán, čo umožnilo výrazne znížiť náklady na výrobu a zjednodušiť konštrukciu takýchto zariadení. Výhody a vlastnosti vodíkových palivových článkov neprevažujú nad ich hlavnou nevýhodou - vysokou cenou, najmä v porovnaní s uhľovodíkovými zariadeniami. Vytvorenie jednej vodíkovej elektrárne si vyžaduje minimálne 500-tisíc dolárov.

Ako postaviť vodíkový palivový článok?

Nízkoenergetický palivový článok môže byť vytvorený samostatne v podmienkach bežného domáceho alebo školského laboratória. Použité materiály sú stará plynová maska, kúsky plexiskla, vodný roztok etylalkohol a alkálie.

Urob si sám telo vodíkového palivového článku je vyrobené z plexiskla s hrúbkou minimálne päť milimetrov. Priečky medzi priehradkami môžu byť tenšie – asi 3 milimetre. Plexisklo sa lepí špeciálnym lepidlom z chloroformu alebo dichlóretánu a hoblín z plexiskla. Všetky práce sa vykonávajú iba vtedy, keď je digestor v prevádzke.

Vo vonkajšej stene puzdra je vyvŕtaný otvor s priemerom 5-6 centimetrov, do ktorého je vložená gumená zátka a trubica odtokového skla. Aktívne uhlie z plynovej masky sa naleje do druhého a štvrtého oddelenia krytu palivového článku - použije sa ako elektróda.

Palivo bude cirkulovať v prvej komore, zatiaľ čo piata je naplnená vzduchom, z ktorého bude privádzaný kyslík. Elektrolyt naliaty medzi elektródy je impregnovaný roztokom parafínu a benzínu, aby sa zabránilo vniknutiu do vzduchovej komory. Medené platne sú umiestnené na vrstve uhlia a k nim sú prispájkované drôty, cez ktoré bude prúd odvádzaný.

Zostavený vodíkový palivový článok je nabitý vodkou zriedenou vodou v pomere 1:1. Do výslednej zmesi sa opatrne pridá hydroxid draselný: 70 gramov draslíka sa rozpustí v 200 gramoch vody.

Pred testovaním palivového článku na vodík sa palivo naleje do prvej komory a elektrolyt do tretej komory. Voltmeter pripojený k elektródam by mal ukazovať 0,7 až 0,9 voltu. Aby sa zabezpečila nepretržitá prevádzka prvku, vyhorené palivo sa musí odstrániť a cez gumovú hadicu sa musí naliať nové palivo. Stláčaním trubice sa reguluje rýchlosť dodávky paliva. Takéto vodíkové palivové články, zostavené doma, majú malý výkon.

Nikoho neprekvapia ani solárne panely, ani veterné mlyny, ktoré vyrábajú elektrinu vo všetkých regiónoch sveta. Výroba z týchto zariadení však nie je konštantná a je potrebné inštalovať záložné zdroje energie, prípadne sa pripojiť do siete pre príjem elektriny v období, keď zariadenia na výrobu obnoviteľnej energie nevyrábajú elektrinu. Existujú však zariadenia vyvinuté v 19. storočí, ktoré využívajú na výrobu elektriny „alternatívne“ palivá, teda nespaľujú plyn ani ropné produkty. Takéto zariadenia sú palivové články.

HISTÓRIA TVORBY

Palivové články (FC) alebo palivové články objavil už v rokoch 1838-1839 William Grove (Grow, Grove), keď študoval elektrolýzu vody.

Odkaz: Elektrolýza vody je proces rozkladu vody pôsobením elektrického prúdu na molekuly vodíka a kyslíka.

Po odpojení batérie od elektrolytického článku s prekvapením zistil, že elektródy začali absorbovať uvoľnený plyn a generovať prúd. Objav procesu elektrochemického „studeného“ spaľovania vodíka sa stal významnou udalosťou v energetickom priemysle. Neskôr vytvoril akumulátor Grove. Toto zariadenie malo platinovú elektródu ponorenú do kyseliny dusičnej a zinkovú elektródu do síranu zinočnatého. Generoval prúd 12 ampérov a napätie 8 voltov. Túto stavbu nazval sám Grow "mokrá batéria". Potom vytvoril batériu pomocou dvoch platinových elektród. Jeden koniec každej elektródy bol v kyseline sírovej, zatiaľ čo druhé konce boli utesnené v nádobách s vodíkom a kyslíkom. Medzi elektródami bol stabilný prúd a množstvo vody vo vnútri nádob sa zvýšilo. Grow dokázal rozložiť a zlepšiť vodu v tomto zariadení.

"Grow's Battery"

(zdroj: Kráľovská spoločnosť Národného prírodovedného múzea)

Pojem „fuel cell“ (anglicky „Fuel Cell“) sa objavil až v roku 1889 L. Mondom a
Ch.Langer, ktorý sa pokúsil vytvoriť zariadenie na výrobu elektriny zo vzduchu a uhoľného plynu.

AKO TO FUNGUJE?

Palivový článok je pomerne jednoduché zariadenie. Má dve elektródy: anódu (záporná elektróda) ​​a katódu (kladná elektróda). Na elektródach prebieha chemická reakcia. Na jej urýchlenie je povrch elektród potiahnutý katalyzátorom. Palivové články sú vybavené ešte jedným prvkom - membrána. K premene chemickej energie paliva priamo na elektrinu dochádza v dôsledku práce membrány. Oddeľuje dve komory prvku, do ktorých sa privádza palivo a okysličovadlo. Membrána umožňuje len protónom, ktoré sa získajú v dôsledku štiepenia paliva, prechádzať z jednej komory do druhej na elektróde pokrytej katalyzátorom (elektróny potom prechádzajú vonkajším okruhom). V druhej komore sa protóny rekombinujú s elektrónmi (a atómami kyslíka) za vzniku vody.

Princíp činnosti vodíkového palivového článku

Na chemickej úrovni je proces premeny energie paliva na elektrickú energiu podobný bežnému spaľovaciemu (oxidačnému) procesu.

Pri normálnom spaľovaní v kyslíku sa organické palivo oxiduje a chemická energia paliva sa premieňa na tepelnú energiu. Pozrime sa, čo sa stane, keď sa vodík oxiduje kyslíkom v elektrolytickom médiu a v prítomnosti elektród.

Privedením vodíka do elektródy umiestnenej v alkalickom prostredí prebieha chemická reakcia:

2H2 + 4OH - → 4H20 + 4e -

Ako vidíte, dostávame elektróny, ktoré pri prechode vonkajším obvodom vstupujú do opačnej elektródy, do ktorej vstupuje kyslík a kde prebieha reakcia:

4e- + 02 + 2H20 → 4OH -

Je vidieť, že výsledná reakcia 2H 2 + O 2 → H 2 O je rovnaká ako pri klasickom spaľovaní, ale palivový článok generuje elektrinu a trochu tepla.

TYPY PALIVOVÝCH ČLÁNKOV

FC je klasifikovaný podľa typu elektrolytu použitého na reakciu:

Všimnite si, že uhlie, oxid uhoľnatý, alkoholy, hydrazín a iné môžu byť tiež použité ako palivo v palivových článkoch. organickej hmoty a ako oxidačné činidlá - vzduch, peroxid vodíka, chlór, bróm, kyselina dusičná atď.

Účinnosť PALIVOVÉHO ČLÁNKU

Charakteristickým znakom palivových článkov je žiadny pevný limit účinnosti ako tepelný motor.

Pomoc: efektívnosťCarnotov cyklus je maximálna možná účinnosť medzi všetkými tepelnými motormi s rovnakými minimálnymi a maximálnymi teplotami.

Preto môže byť účinnosť palivových článkov teoreticky vyššia ako 100 %. Mnohí sa usmievali a pomysleli si: „Vynájdený stroj na večný pohyb.“ Nie, oplatí sa vrátiť do školského kurzu chémie. Palivový článok je založený na premene chemickej energie na elektrickú energiu. Tu sa dejú zázraky. Niektoré chemické reakcie v procese môžu absorbovať teplo z prostredia.

Odkaz: Endotermické reakcie sú chemické reakcie sprevádzané absorpciou tepla. Pre endotermické reakcie má zmena entalpie a vnútornej energie kladné hodnoty (Δ H >0, Δ U > 0), teda produkty reakcie obsahujú viac energie ako pôvodné zložky.

Príkladom takejto reakcie je oxidácia vodíka, ktorá sa používa vo väčšine palivových článkov. Preto teoreticky môže byť účinnosť viac ako 100%. Ale dnes sa palivové články počas prevádzky zahrievajú a nedokážu absorbovať teplo z okolia.

Odkaz: Toto obmedzenie vyplýva z druhého zákona termodynamiky. Proces prenosu tepla zo „studeného“ telesa na „horúce“ nie je možný.

Navyše sú tu straty spojené s nerovnovážnymi procesmi. Ako sú: ohmické straty v dôsledku špecifickej vodivosti elektrolytu a elektród, aktivačná a koncentračná polarizácia, difúzne straty. V dôsledku toho sa časť energie vytvorenej v palivových článkoch premení na teplo. Palivové články preto nie sú strojmi na večný pohyb a ich účinnosť je nižšia ako 100 %. Ich účinnosť je však vyššia ako u iných strojov. Dnes účinnosť palivových článkov dosahuje 80%.

Referencia: V štyridsiatych rokoch anglický inžinier T. Bacon navrhol a zostrojil batériu palivových článkov s celkovým výkonom 6 kW a účinnosťou 80 %, fungujúcu na čistý vodík a kyslík, ale pomer výkonu a hmotnosti batérie sa otočil príliš malé - takéto bunky boli nevhodné praktické uplatnenie a príliš drahé (zdroj: http://www.powerinfo.ru/).

PROBLÉMY S PALIVOVÝMI ČLÁNKAMI

Takmer všetky palivové články používajú ako palivo vodík, takže logická otázka znie: „Kde ho môžem získať?

Zdá sa, že palivový článok bol objavený v dôsledku elektrolýzy, takže môžete použiť vodík uvoľnený v dôsledku elektrolýzy. Poďme sa však na tento proces pozrieť bližšie.

Podľa Faradayovho zákona: množstvo látky, ktoré je oxidované na anóde alebo redukované na katóde, je úmerné množstvu elektriny, ktorá prešla cez elektrolyt. To znamená, že ak chcete získať viac vodíka, musíte minúť viac elektriny. Existujúce metódy elektrolýzy vody sa vykonávajú s účinnosťou menšou ako jedna. Výsledný vodík potom použijeme v palivových článkoch, kde je účinnosť tiež menšia ako jednota. Preto minieme viac energie, ako dokážeme vyrobiť.

Samozrejme je možné použiť aj vodík získaný zo zemného plynu. Tento spôsob výroby vodíka zostáva najlacnejší a najpopulárnejší. V súčasnosti sa asi 50 % celosvetovo vyprodukovaného vodíka získava zo zemného plynu. Ale je tu problém so skladovaním a prepravou vodíka. Vodík má nízku hustotu ( jeden liter vodíka váži 0,0846 gramov), preto, aby sa prepravoval na veľké vzdialenosti, musí byť stlačený. A to sú dodatočné náklady na energiu a hotovosť. Tiež nezabudnite na bezpečnosť.

Aj tu však existuje riešenie – ako zdroj vodíka možno použiť kvapalné uhľovodíkové palivo. Napríklad etyl alebo metylalkohol. Je pravda, že tu je už potrebné špeciálne prídavné zariadenie - konvertor paliva, ktorý pri vysokej teplote (pre metanol to bude niekde okolo 240 ° C) premieňa alkoholy na zmes plynného H2 a CO2. Ale v tomto prípade je už ťažšie myslieť na prenosnosť - takéto zariadenia je dobré použiť ako stacionárne alebo automobilové generátory, ale pre kompaktné mobilné zariadenia potrebujete niečo menej objemné.

Katalyzátor

Na zlepšenie reakcie v palivovom článku je povrch anódy zvyčajne katalyzátor. Donedávna sa ako katalyzátor používala platina. Preto boli náklady na palivový článok vysoké. Po druhé, platina je pomerne vzácny kov. Podľa odborníkov sa pri priemyselnej výrobe palivových článkov vyčerpajú preskúmané zásoby platiny za 15-20 rokov. Vedci z celého sveta sa však snažia nahradiť platinu inými materiálmi. Mimochodom, niektorí z nich dosiahli dobré výsledky. Čínski vedci teda nahradili platinu oxidom vápenatým (zdroj: www.cheburek.net).

POUŽÍVANIE PALIVOVÝCH ČLÁNKOV

Prvýkrát bol palivový článok v automobilovej technike testovaný v roku 1959. Ťahač Alice-Chambers používal na prevádzku 1008 batérií. Palivom bola zmes plynov, najmä propánu a kyslíka.

Zdroj: http://www.planetseed.com/

Od polovice 60. rokov, na vrchole „vesmírnych pretekov“, sa tvorcovia kozmických lodí začali zaujímať o palivové články. Práca tisícov vedcov a inžinierov umožnila dosiahnuť novú úroveň a v roku 1965. Palivové články boli testované v USA na kozmickej lodi Gemini 5 a neskôr na lodi Apollo pre lety na Mesiac a v rámci programu Shuttle. V ZSSR boli palivové články vyvinuté v NPO Kvant aj na použitie vo vesmíre (zdroj: http://www.powerinfo.ru/).

Keďže konečným produktom spaľovania vodíka v palivovom článku je voda, sú považované za najčistejšie z hľadiska ich vplyvu na životné prostredie. Preto si palivové články začali získavať svoju popularitu na pozadí všeobecného záujmu o ekológiu.

Už v súčasnosti výrobcovia automobilov ako Honda, Ford, Nissan a Mercedes-Benz vytvorili vozidlá poháňané vodíkovými palivovými článkami.

Mercedes-Benz - Ener-G-Force poháňaný vodíkom

Pri používaní áut na vodík je vyriešený problém so skladovaním vodíka. Vybudovanie vodíkových čerpacích staníc umožní tankovať kdekoľvek. Navyše naplnenie auta vodíkom je rýchlejšie ako nabíjanie elektromobilu na čerpacej stanici. Pri realizácii takýchto projektov však čelili problému, akým sú elektrické vozidlá. Ľudia sú pripravení „prestúpiť“ na vodíkové auto, ak pre nich existuje infraštruktúra. A s výstavbou čerpacích staníc sa začne, ak bude dostatočný počet spotrebiteľov. Preto sme sa opäť dostali k dileme vajcia a kuracie mäso.

Palivové články sú široko používané v mobilných telefónoch a notebookoch. Časy, keď sa telefón nabíjal raz za týždeň, sú preč. Teraz sa telefón nabíja takmer každý deň a notebook funguje bez siete 3-4 hodiny. Preto sa výrobcovia mobilných technológií rozhodli syntetizovať palivový článok s telefónmi a notebookmi na nabíjanie a prácu. Napríklad Toshiba v roku 2003 predviedol hotový prototyp metanolového palivového článku. Poskytuje výkon okolo 100 mW. Jedna náplň 2 kociek koncentrovaného (99,5%) metanolu vystačí na 20 hodín prevádzky MP3 prehrávača. Opäť tá istá „Toshiba“ predviedla napájací prvok notebooku 275x75x40mm, ktorý umožňuje počítaču pracovať 5 hodín na jedno nabitie.

Niektorí výrobcovia však zašli ešte ďalej. PowerTrekk vydal nabíjačku s rovnakým názvom. PowerTrekk je prvá vodná nabíjačka na svete. Je veľmi jednoduché ho používať. PowerTrekk potrebuje pridať vodu, aby poskytoval okamžité napájanie cez USB kábel. Tento palivový článok obsahuje kremíkový prášok a silicid sodný (NaSi), keď sa zmieša s vodou, táto kombinácia vytvára vodík. Vodík sa zmiešava so vzduchom v samotnom palivovom článku a ten premieňa vodík na elektrinu prostredníctvom membránovej výmeny protónov, bez ventilátorov alebo čerpadiel. Takúto prenosnú nabíjačku kúpite za 149 € (

palivový článok- ide o elektrochemické zariadenie podobné galvanickému článku, ale líši sa od neho tým, že látky na elektrochemickú reakciu sú do neho privádzané zvonku - na rozdiel od obmedzeného množstva energie uloženej v galvanickom článku alebo batérii.

Ryža. 1. Niektoré palivové články

Palivové články premieňajú chemickú energiu paliva na elektrickú energiu a obchádzajú tak neefektívne spaľovacie procesy, ku ktorým dochádza s veľkými stratami. V dôsledku chemickej reakcie premieňajú vodík a kyslík na elektrickú energiu. V dôsledku tohto procesu vzniká voda a uvoľňuje sa veľké množstvo tepla. Palivový článok je veľmi podobný batérii, ktorú je možné nabiť a následne použiť na uskladnenie elektrickej energie. Vynálezcom palivového článku je William R. Grove, ktorý ho vynašiel už v roku 1839. V tomto palivovom článku bol ako elektrolyt použitý roztok kyseliny sírovej a ako palivo vodík, ktorý sa zlúčil s kyslíkom v oxidačnom médiu. Donedávna sa palivové články používali len v laboratóriách a na kozmických lodiach.

Ryža. 2.

Na rozdiel od iných generátorov energie, ako sú spaľovacie motory alebo turbíny poháňané plynom, uhlím, ropou atď., palivové články nespaľujú palivo. To znamená žiadne hlučné vysokotlakové rotory, žiadny hlasný hluk výfuku, žiadne vibrácie. Palivové články vyrábajú elektrinu tichou elektrochemickou reakciou. Ďalšou vlastnosťou palivových článkov je, že premieňajú chemickú energiu paliva priamo na elektrinu, teplo a vodu.

Palivové články sú vysoko účinné a neprodukujú veľké množstvo skleníkových plynov, ako je oxid uhličitý, metán a oxid dusný. Jedinými produktmi, ktoré palivové články vypúšťajú, je voda vo forme pary a malé množstvo oxidu uhličitého, ktorý sa pri použití čistého vodíka ako paliva neuvoľňuje vôbec. Palivové články sa skladajú do zostáv a následne do jednotlivých funkčných modulov.

Palivové články nemajú žiadne pohyblivé časti (aspoň nie vo vnútri samotného článku), a preto sa neriadia Carnotovým zákonom. To znamená, že budú mať viac ako 50% účinnosť a sú obzvlášť účinné pri nízkom zaťažení. Vozidlá s palivovými článkami teda môžu byť (a už sa preukázalo, že sú) palivovo úspornejšie ako konvenčné vozidlá v reálnych jazdných podmienkach.

Palivový článok generuje jednosmerný elektrický prúd, ktorý možno použiť na pohon elektrického motora, svietidiel a iných elektrických systémov vo vozidle.

Existuje niekoľko typov palivových článkov, ktoré sa líšia použitými chemickými procesmi. Palivové články sa zvyčajne klasifikujú podľa typu elektrolytu, ktorý používajú.

Niektoré typy palivových článkov sú perspektívne pre použitie v elektrárňach, zatiaľ čo iné sú pre prenosné zariadenia alebo pre pohon áut.

1. Alkalické palivové články (AFC)

Alkalický palivový článok- Toto je jeden z úplne prvých vyvinutých prvkov. Alkalické palivové články (ALFC) sú jednou z najštudovanejších technológií používaných od polovice 60. rokov 20. storočia NASA v programoch Apollo a Space Shuttle. Na palube týchto kozmických lodí vyrábajú palivové články elektrinu a pitnú vodu.

Ryža. 3.

Alkalické palivové články sú jedným z najefektívnejších prvkov používaných na výrobu elektriny, pričom účinnosť výroby energie dosahuje až 70 %.

Alkalické palivové články využívajú elektrolyt, teda vodný roztok hydroxidu draselného, ​​obsiahnutý v poréznej stabilizovanej matrici. Koncentrácia hydroxidu draselného sa môže meniť v závislosti od prevádzkovej teploty palivového článku, ktorá sa pohybuje od 65 °C do 220 °C. Nosičom náboja v SFC je hydroxidový ión (OH-), ktorý sa pohybuje z katódy na anódu, kde reaguje s vodíkom za vzniku vody a elektrónov. Voda produkovaná na anóde sa vracia späť ku katóde, kde opäť vytvára hydroxidové ióny. V dôsledku tejto série reakcií prebiehajúcich v palivovom článku vzniká elektrina a ako vedľajší produkt teplo:

Anódová reakcia: 2H2 + 4OH- => 4H20 + 4e

Reakcia na katóde: 02 + 2H20 + 4e- => 4OH

Všeobecná reakcia systému: 2H2 + O2 => 2H2O

Výhodou SFC je, že tieto palivové články sú najlacnejšie na výrobu, pretože katalyzátorom potrebným na elektródach môže byť ktorákoľvek z látok, ktoré sú lacnejšie ako tie, ktoré sa používajú ako katalyzátory pre iné palivové články. Okrem toho SFC pracujú pri relatívne nízkych teplotách a patria medzi najúčinnejšie.

Jednou z charakteristických vlastností SFC je jeho vysoká citlivosť na CO2, ktorý môže byť obsiahnutý v palive alebo vzduchu. CO2 reaguje s elektrolytom, rýchlo ho otrávi a výrazne znižuje účinnosť palivového článku. Preto je použitie SFC obmedzené na uzavreté priestory, ako sú vesmírne a podvodné vozidlá, fungujú na čistý vodík a kyslík.

2. Palivové články z taveniny uhličitanu (MCFC)

Palivové články s roztaveným uhličitanovým elektrolytom sú vysokoteplotné palivové články. Vysoká prevádzková teplota umožňuje priame využitie zemného plynu bez palivového procesora a palivového plynu s nízkou výhrevnosťou z procesných palív a iných zdrojov. Tento proces bol vyvinutý v polovici 60. rokov 20. storočia. Odvtedy sa výrobná technológia, výkon a spoľahlivosť zlepšili.

Ryža. 4.

Prevádzka RCFC sa líši od ostatných palivových článkov. Tieto články využívajú elektrolyt zo zmesi roztavených uhličitanových solí. V súčasnosti sa používajú dva typy zmesí: uhličitan lítny a uhličitan draselný alebo uhličitan lítny a uhličitan sodný. Na roztavenie uhličitanových solí a dosiahnutie vysokého stupňa mobility iónov v elektrolyte pracujú palivové články s roztaveným uhličitanovým elektrolytom pri vysokých teplotách (650°C). Účinnosť sa pohybuje medzi 60-80%.

Pri zahriatí na teplotu 650°C sa soli stanú vodičmi pre uhličitanové ióny (CO32-). Tieto ióny putujú z katódy na anódu, kde sa spájajú s vodíkom za vzniku vody, oxidu uhličitého a voľných elektrónov. Tieto elektróny sa posielajú cez vonkajší elektrický obvod späť ku katóde, pričom ako vedľajší produkt generujú elektrický prúd a teplo.

Anódová reakcia: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e

Reakcia na katóde: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-

Všeobecná reakcia prvku: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2 (katóda) => H2O(g) + CO2 (anóda)

Vysoké prevádzkové teploty palivových článkov s roztaveným uhličitanom majú určité výhody. Výhodou je možnosť použitia štandardných materiálov (nerezový plech a niklový katalyzátor na elektródach). Odpadové teplo je možné využiť na výrobu vysokotlakovej pary. Vysoké reakčné teploty v elektrolyte majú tiež svoje výhody. Použitie vysokých teplôt trvá dlho, kým sa dosiahnu optimálne prevádzkové podmienky, a systém pomalšie reaguje na zmeny spotreby energie. Tieto charakteristiky umožňujú použitie systémov palivových článkov s roztaveným uhličitanovým elektrolytom v podmienkach konštantného výkonu. Vysoké teploty zabraňujú poškodeniu palivového článku oxidom uhoľnatým, „otrave“ atď.

Palivové články s roztaveným uhličitanom sú vhodné na použitie vo veľkých stacionárnych inštaláciách. Priemyselne sa vyrábajú tepelné elektrárne s výstupným elektrickým výkonom 2,8 MW. Vyvíjajú sa elektrárne s výstupným výkonom do 100 MW.

3. Palivové články na báze kyseliny fosforečnej (PFC)

Palivové články na báze kyseliny fosforečnej (ortofosforečnej). sa stali prvými palivovými článkami na komerčné využitie. Tento proces bol vyvinutý v polovici 60-tych rokov XX storočia, testy sa uskutočňovali od 70-tych rokov XX storočia. V dôsledku toho sa zvýšila stabilita a výkon a znížili sa náklady.

Ryža. 5.

Palivové články na báze kyseliny fosforečnej (ortofosforečnej) využívajú elektrolyt na báze kyseliny ortofosforečnej (H3PO4) s koncentráciou až 100 %. Iónová vodivosť kyseliny fosforečnej je pri nízkych teplotách nízka, preto sa tieto palivové články používajú pri teplotách do 150-220 °C.

Nosičom náboja v palivových článkoch tohto typu je vodík (H+, protón). Podobný proces prebieha v palivových článkoch s protónovou výmennou membránou (MEFC), v ktorých sa vodík dodávaný do anódy štiepi na protóny a elektróny. Protóny prechádzajú cez elektrolyt a spájajú sa s kyslíkom zo vzduchu na katóde za vzniku vody. Elektróny sú nasmerované pozdĺž vonkajšieho elektrického obvodu a vytvára sa elektrický prúd. Nižšie sú uvedené reakcie, ktoré vytvárajú elektrinu a teplo.

Anódová reakcia: 2H2 => 4H+ + 4e

Reakcia na katóde: 02(g) + 4H+ + 4e- => 2H20

Všeobecná reakcia prvkov: 2H2 + O2 => 2H2O

Účinnosť palivových článkov na báze kyseliny fosforečnej (ortofosforečnej) je pri výrobe elektrickej energie viac ako 40 %. Pri kombinovanej výrobe tepla a elektriny je celková účinnosť cca 85 %. Okrem toho, vzhľadom na prevádzkové teploty, odpadové teplo môže byť použité na ohrev vody a výrobu pary pri atmosférickom tlaku.

Vysoký výkon tepelných elektrární na palivové články na báze kyseliny fosforečnej (ortofosforečnej) pri kombinovanej výrobe tepla a elektriny je jednou z výhod tohto typu palivových článkov. Závody využívajú oxid uhoľnatý v koncentrácii okolo 1,5 %, čo značne rozširuje výber paliva. Výhodou takýchto palivových článkov je aj jednoduchá konštrukcia, nízka prchavosť elektrolytu a zvýšená stabilita.

Priemyselne sa vyrábajú tepelné elektrárne s výstupným elektrickým výkonom do 400 kW. Zariadenia s výkonom 11 MW prešli príslušnými skúškami. Vyvíjajú sa elektrárne s výstupným výkonom do 100 MW.

4. Palivové články s protónovou výmennou membránou (MOFEC)

Palivové články s membránou na výmenu protónov sa považujú za najlepší typ palivových článkov na výrobu energie vo vozidlách, ktoré môžu nahradiť benzínové a naftové spaľovacie motory. Tieto palivové články prvýkrát použila NASA pre program Gemini. Sú vyvinuté a zobrazené inštalácie na MOPFC s výkonom od 1 W do 2 kW.

Ryža. 6.

Elektrolytom v týchto palivových článkoch je pevná polymérna membrána (tenká plastová fólia). Pri impregnácii vodou tento polymér prechádza protónmi, ale nevedie elektróny.

Palivom je vodík a nosičom náboja je vodíkový ión (protón). Na anóde sa molekula vodíka rozdelí na vodíkový ión (protón) a elektróny. Vodíkové ióny prechádzajú cez elektrolyt ku katóde, zatiaľ čo elektróny sa pohybujú po vonkajšom kruhu a produkujú elektrickú energiu. Kyslík, ktorý sa odoberá zo vzduchu, sa privádza na katódu a spája sa s elektrónmi a vodíkovými iónmi za vzniku vody. Na elektródach prebiehajú tieto reakcie: Anódová reakcia: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4eKatódová reakcia: O2 + 2H2O + 4e- => 4OHCelková reakcia článku: 2H2 + O2 => 2H2O V porovnaní s inými typmi palivových článkov, palivové články s protónovou výmennou membránou produkujú viac energie pre daný objem alebo hmotnosť palivového článku. Táto funkcia im umožňuje byť kompaktné a ľahké. Prevádzková teplota je navyše nižšia ako 100 °C, čo umožňuje rýchle spustenie prevádzky. Tieto vlastnosti, ako aj schopnosť rýchlo meniť výstup energie, sú len niektoré, vďaka ktorým sú tieto palivové články hlavným kandidátom na použitie vo vozidlách.

Ďalšou výhodou je, že elektrolyt je skôr pevná látka ako kvapalina. Je jednoduchšie udržať plyny na katóde a anóde s pevným elektrolytom, takže takéto palivové články sú lacnejšie na výrobu. Pri použití pevného elektrolytu nevznikajú žiadne ťažkosti, ako je orientácia, a menej problémov v dôsledku výskytu korózie, čo zvyšuje životnosť článku a jeho komponentov.

Ryža. 7.

5. Palivové články na tuhé oxidy (SOFC)

Palivové články s pevným oxidom sú palivové články s najvyššou prevádzkovou teplotou. Prevádzková teplota sa môže meniť od 600°C do 1000°C, čo umožňuje použitie rôznych druhov paliva bez špeciálnej predúpravy. Na zvládnutie týchto vysokých teplôt sa ako elektrolyt používa tenký pevný oxid kovu na keramickej báze, často zliatina ytria a zirkónu, čo je vodič kyslíkových (O2-) iónov. Technológia využívania palivových článkov s pevným oxidom sa vyvíja od konca 50. rokov minulého storočia a má dve konfigurácie: rovinnú a rúrkovú.

Pevný elektrolyt poskytuje hermetický prechod plynu z jednej elektródy na druhú, zatiaľ čo kvapalné elektrolyty sú umiestnené v poréznom substráte. Nosičom náboja v palivových článkoch tohto typu je kyslíkový ión (О2-). Na katóde sa molekuly kyslíka oddelia zo vzduchu na kyslíkový ión a štyri elektróny. Kyslíkové ióny prechádzajú cez elektrolyt a spájajú sa s vodíkom za vzniku štyroch voľných elektrónov. Elektróny sú nasmerované cez vonkajší elektrický obvod, ktorý generuje elektrický prúd a odpadové teplo.

Ryža. 8.

Anódová reakcia: 2H2 + 202- => 2H20 + 4e

Reakcia na katóde: O2 + 4e- => 2O2-

Všeobecná reakcia prvkov: 2H2 + O2 => 2H2O

Účinnosť výroby elektrickej energie je najvyššia zo všetkých palivových článkov – okolo 60 %. Okrem toho vysoké prevádzkové teploty umožňujú kombinovanú výrobu tepla a elektriny na výrobu vysokotlakovej pary. Spojením vysokoteplotného palivového článku s turbínou vzniká hybridný palivový článok na zvýšenie účinnosti výroby elektrickej energie až o 70 %.

Palivové články s pevným oxidom pracujú pri veľmi vysokých teplotách (600 °C – 1 000 °C), čo má za následok značný čas na dosiahnutie optimálnych prevádzkových podmienok a systém pomalšie reaguje na zmeny spotreby energie. Pri takýchto vysokých prevádzkových teplotách nie je potrebný žiadny konvertor na regeneráciu vodíka z paliva, čo umožňuje prevádzke tepelnej elektrárne s relatívne nečistými palivami zo splyňovania uhlia alebo odpadových plynov a podobne. Tento palivový článok je tiež vynikajúci pre aplikácie s vysokým výkonom, vrátane priemyselných a veľkých centrálnych elektrární. Priemyselne vyrábané moduly s výstupným elektrickým výkonom 100 kW.

6. Palivové články s priamou oxidáciou metanolu (DOMTE)

Palivové články s priamou oxidáciou metanolu sa úspešne používajú v oblasti napájania mobilných telefónov, notebookov, ako aj na vytváranie prenosných zdrojov energie, k čomu smeruje budúce využitie takýchto prvkov.

Štruktúra palivových článkov s priamou oxidáciou metanolu je podobná štruktúre palivových článkov s protónovou výmennou membránou (MOFEC), t.j. ako elektrolyt sa používa polymér a ako nosič náboja ión vodíka (protón). Kvapalný metanol (CH3OH) sa však oxiduje v prítomnosti vody na anóde, pričom sa uvoľňuje CO2, vodíkové ióny a elektróny, ktoré sú posielané cez vonkajší elektrický obvod a vzniká elektrický prúd. Vodíkové ióny prechádzajú cez elektrolyt a reagujú s kyslíkom zo vzduchu a elektrónmi z vonkajšieho okruhu za vzniku vody na anóde.

Anódová reakcia: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e Katódová reakcia: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O Celková reakcia prvkov: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O 90. roky 20. storočia a ich špecifický výkon a účinnosť sa zvýšili na 40 %.

Tieto prvky boli testované v teplotnom rozsahu 50-120°C. Vzhľadom na nízke prevádzkové teploty a bez potreby meniča sú tieto palivové články tým najlepším kandidátom pre aplikácie v mobilných telefónoch a iných spotrebných produktoch, ako aj v motoroch automobilov. Ich výhodou sú aj malé rozmery.

7. Palivové články s polymérovým elektrolytom (PETE)

V prípade palivových článkov s polymérnym elektrolytom pozostáva polymérna membrána z polymérových vlákien s vodnými oblasťami, v ktorých je vodivosť vodných iónov H2O+ (protón, červená) naviazaná na molekulu vody. Molekuly vody predstavujú problém v dôsledku pomalej výmeny iónov. Preto je potrebná vysoká koncentrácia vody ako v palive, tak aj na výfukových elektródach, čo obmedzuje prevádzkovú teplotu na 100°C.

8. Tuhé kyslé palivové články (SCFC)

V pevných kyslých palivových článkoch elektrolyt (CsHSO4) neobsahuje vodu. Prevádzková teplota je teda 100-300°C. Rotácia SO42-oxyaniónov umožňuje pohyb protónov (červená), ako je znázornené na obrázku. Palivový článok s tuhou kyselinou je typicky sendvič, v ktorom je veľmi tenká vrstva tuhej kyslej zlúčeniny vložená medzi dve tesne stlačené elektródy, aby sa zabezpečil dobrý kontakt. Pri zahriatí sa organická zložka vyparí, opustí póry v elektródach, pričom si zachová schopnosť početných kontaktov medzi palivom (alebo kyslíkom na druhom konci článku), elektrolytom a elektródami.

Ryža. 9.

9. Porovnanie najdôležitejších charakteristík palivových článkov

Charakteristika palivového článku

Typ palivového článku	Pracovná teplota	Účinnosť výroby energie	Druh paliva	Rozsah
				Stredné a veľké inštalácie
			čistý vodík	inštalácie
			čistý vodík	Malé inštalácie
			Väčšina uhľovodíkových palív	Malé, stredné a veľké inštalácie
				prenosný inštalácie
			čistý vodík	Priestor preskúmané
			čistý vodík	Malé inštalácie

Ryža. 10.

10. Použitie palivových článkov v automobiloch

Ryža. jedenásť.

Ryža. 12.