Gorivne celice (elektrokemični generatorji) so zelo učinkovit, vzdržljiv, zanesljiv in okolju prijazen način pridobivanja energije. Sprva so jih uporabljali le v vesoljski industriji, danes pa se elektrokemični generatorji vse bolj uporabljajo na različnih področjih: to so napajalniki za mobilne telefone in prenosne računalnike, motorji vozil, avtonomni napajalniki za zgradbe in stacionarne elektrarne. Nekatere od teh naprav delujejo kot laboratorijski prototipi, nekatere se uporabljajo za predstavitvene namene ali pa so v predserijskem testiranju. Vendar pa se številni modeli že uporabljajo v komercialnih projektih in se množično proizvajajo.

Naprava

Gorivne celice so elektrokemične naprave, ki lahko zagotovijo visoko stopnjo pretvorbe obstoječe kemične energije v električno energijo.

Naprava z gorivnimi celicami je sestavljena iz treh glavnih delov:

1. Oddelek za proizvodnjo električne energije;
2. procesor;
3. Napetostni transformator.

Glavni del gorivne celice je odsek za proizvodnjo električne energije, ki je baterija, sestavljena iz posameznih gorivnih celic. V strukturo elektrod gorivne celice je vključen platinasti katalizator. S pomočjo teh celic se ustvari enosmerni električni tok.

Ena od teh naprav ima naslednje značilnosti: pri napetosti 155 voltov se proizvede 1400 amperov. Dimenzije baterije so 0,9 m v širino in višino ter 2,9 m v dolžino. Elektrokemični proces v njem poteka pri temperaturi 177 ° C, kar zahteva segrevanje baterije ob zagonu in odvajanje toplote med njenim delovanjem. V ta namen je v sestavo gorivne celice vključen ločen vodni krog, vključno z baterijo, opremljeno s posebnimi hladilnimi ploščami.

Proces goriva pretvori zemeljski plin v vodik, ki je potreben za elektriko. kemijska reakcija. Glavni element procesorja goriva je reformer. V njem zemeljski plin (ali drugo gorivo, ki vsebuje vodik) medsebojno deluje pri visokem tlaku in visoki temperaturi (približno 900 ° C) z vodno paro pod delovanjem nikljevega katalizatorja.

Obstaja gorilnik za vzdrževanje zahtevane temperature reformerja. Para, potrebna za reforming, nastane iz kondenzata. V skladu gorivnih celic se ustvari nestabilen enosmerni tok, za pretvorbo pa se uporablja napetostni pretvornik.

Tudi v enoti pretvornika napetosti so:

• krmilne naprave.
• Varnostna zaklepna vezja, ki izklopijo gorivno celico ob različnih napakah.

Princip delovanja

Najenostavnejši element s protonsko izmenjevalno membrano je sestavljen iz polimerne membrane, ki se nahaja med anodo in katodo, ter katodnega in anodnega katalizatorja. Polimerna membrana se uporablja kot elektrolit.

• Membrana protonske izmenjave je videti kot tanka trdna snov organska spojina majhna debelina. Ta membrana deluje kot elektrolit, v prisotnosti vode loči snov na negativno in pozitivno nabite ione.
• Oksidacija se začne na anodi, redukcija pa na katodi. Katoda in anoda v celici PEM sta izdelani iz poroznega materiala, ki je mešanica delcev platine in ogljika. Platina deluje kot katalizator, ki spodbuja reakcijo disociacije. Katoda in anoda sta porozni, tako da lahko kisik in vodik prosto prehajata skoznje.
• Anoda in katoda se nahajata med dvema kovinskima ploščama, katodi in anodi dovajata kisik in vodik ter odvajata električno energijo, toploto in vodo.
• Skozi kanale v plošči molekule vodika vstopijo v anodo, kjer se molekule razgradijo na atome.
• Zaradi kemisorpcije se vodikovi atomi, ko so izpostavljeni katalizatorju, pretvorijo v pozitivno nabite vodikove ione H +, to je protone.
• Protoni difundirajo do katode skozi membrano, tok elektronov pa gre do katode skozi poseben zunanji električni tokokrog. Nanj je priključeno breme, to je porabnik električna energija.
• Kisik, ki se dovaja katodi, ko je izpostavljen, vstopi v kemično reakcijo z elektroni iz zunanjega električnega tokokroga in vodikovimi ioni iz protonske izmenjevalne membrane. Rezultat te kemične reakcije je voda.

Kemična reakcija, ki se pojavi v gorivnih celicah drugih vrst (na primer s kislim elektrolitom v obliki fosforne kisline H3PO4), je popolnoma enaka reakciji naprave z membrano za izmenjavo protonov.

Vrste

Trenutno je znanih več vrst gorivnih celic, ki se razlikujejo po sestavi uporabljenega elektrolita:

• Gorivne celice na osnovi fosforja ali fosforne kisline (PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cells).
• Naprave s protonsko izmenjevalno membrano (PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cells).
• Oksid v trdnem stanju gorivne celice(SOFC, gorivne celice s trdnim oksidom).
• Elektrokemični generatorji na osnovi staljenega karbonata (MCFC, Molten Carbonate Fuel Cells).

Vklopljeno ta trenutek elektrokemični generatorji, ki uporabljajo tehnologijo PAFC, so postali vse bolj razširjeni.

Aplikacija

Danes se gorivne celice uporabljajo v raketoplanih Space Shuttle, vesoljskih vozilih za večkratno uporabo. Uporabljajo enote z močjo 12 W. Proizvajajo vso elektriko v vesoljskem plovilu. Voda, ki nastane pri elektrokemični reakciji, se uporablja za pitje, tudi za hlajenje opreme.

Elektrokemični generatorji so bili uporabljeni tudi za napajanje sovjetskega Burana, ladje za večkratno uporabo.

Gorivne celice se uporabljajo tudi v civilnem sektorju.

• Stacionarne naprave z zmogljivostjo 5–250 kW in več. Uporabljajo se kot avtonomni viri za oskrbo s toploto in električno energijo industrijskih, javnih in stanovanjskih zgradb, zasilnih in rezervnih napajalnikov, brezprekinitvenih napajalnikov.
• Prenosne enote z močjo 1–50 kW. Uporabljajo se za vesoljske satelite in ladje. Primerki so ustvarjeni za vozičke za golf, invalidske vozičke, železniške in tovorne hladilnike, prometne znake.
• Mobilne enote z zmogljivostjo 25–150 kW. Začenjajo se uporabljati v vojaških ladjah in podmornicah, vključno z avtomobili in drugimi vozili. Prototipe so že ustvarili avtomobilski velikani, kot so Renault, Neoplan, Toyota, Volkswagen, Hyundai, Nissan, VAZ, General Motors, Honda, Ford in drugi.
• Mikronaprave z močjo 1–500 W. Najdejo uporabo v naprednih dlančnikih, prenosnih računalnikih, gospodinjstvu elektronske naprave, mobilni telefoni, sodobne vojaške naprave.

Posebnosti

• Nekaj ​​energije kemijske reakcije v vsaki gorivni celici se sprosti kot toplota. Zahtevano hlajenje. V zunanjem tokokrogu tok elektronov ustvari enosmerni tok, ki se uporablja za opravljanje dela. Prenehanje gibanja vodikovih ionov ali odprtje zunanjega tokokroga povzroči prekinitev kemične reakcije.
• Količina električne energije, ki jo proizvedejo gorivne celice, je odvisna od tlaka plina, temperature, geometrijskih dimenzij in vrste gorivne celice. Za povečanje količine električne energije, ki nastane pri reakciji, je možno povečati velikost gorivnih celic, vendar se v praksi uporablja več elementov, ki so združeni v baterije.
• Kemični proces v nekaterih vrstah gorivnih celic je mogoče obrniti. To pomeni, da se lahko voda, ko se na elektrode uporabi potencialna razlika, razgradi na kisik in vodik, ki se zbereta na poroznih elektrodah. Z vključitvijo bremena bo takšna gorivna celica proizvajala električno energijo.

možnosti

Trenutno elektrokemični generatorji za uporabo kot glavni vir energije zahtevajo velike začetne stroške. Z uvedbo stabilnejših membran z visoko prevodnostjo, učinkovitih in poceni katalizatorjev, alternativnih virov vodika, bodo gorivne celice postale zelo ekonomsko privlačne in uvedene povsod.

• Avtomobili bodo delovali na gorivne celice, motorjev z notranjim zgorevanjem sploh ne bodo imeli. Kot vir energije se bo uporabljala voda ali vodik v trdnem stanju. Točenje goriva bo enostavno in varno, vožnja pa okolju prijazna – nastajala bo samo vodna para.
• Vse stavbe bodo imele lastne prenosne generatorje na gorivne celice.
• Elektrokemični generatorji bodo nadomestili vse baterije in bodo v vseh elektronskih in gospodinjskih aparatih.

Prednosti in slabosti

Vsaka vrsta gorivnih celic ima svoje prednosti in slabosti. Nekateri zahtevajo visokokakovostno gorivo, drugi imajo zapleteno zasnovo in potrebujejo visoko delovno temperaturo.

Na splošno je mogoče navesti naslednje prednosti gorivnih celic:

• varnost za okolje;
• elektrokemičnih generatorjev ni treba ponovno polniti;
• elektrokemični generatorji lahko nenehno ustvarjajo energijo, ne ozirajo se na zunanje pogoje;
• prilagodljivost v smislu obsega in prenosljivosti.

Med slabostmi so:

• tehnične težave pri skladiščenju in transportu goriva;
• nepopolni elementi naprave: katalizatorji, membrane itd.

Ekologija znanja Znanost in tehnologija: Vodikova energetika je ena najučinkovitejših industrij, gorivne celice pa ji omogočajo, da ostaja v ospredju inovativnih tehnologij.

Gorivna celica je naprava, ki z elektrokemično reakcijo učinkovito ustvarja enosmerni tok in toploto iz goriva, bogatega z vodikom.

Gorivna celica je podobna bateriji, saj s kemično reakcijo ustvarja enosmerni tok. Kot baterija tudi gorivna celica vključuje anodo, katodo in elektrolit. Vendar pa za razliko od baterij gorivne celice ne morejo shranjevati električne energije, se ne praznijo in ne potrebujejo električne energije za ponovno polnjenje. Gorivne celice lahko neprekinjeno proizvajajo elektriko, dokler imajo dovod goriva in zraka. Pravilen izraz za opis delujoče gorivne celice je celični sistem, saj za pravilno delovanje potrebuje nekaj pomožnih sistemov.

Za razliko od drugih generatorjev energije, kot so motorji notranje zgorevanje ali turbine, ki delujejo na plin, premog, kurilno olje itd., gorivne celice ne kurijo goriva. To pomeni, da ni hrupnih rotorjev visok pritisk, glasen hrup izpuha, vibracije. Gorivne celice proizvajajo elektriko s tiho elektrokemično reakcijo. Druga značilnost gorivnih celic je, da pretvorijo kemično energijo goriva neposredno v elektriko, toploto in vodo.

Gorivne celice so zelo učinkovite in ne proizvajajo veliko število toplogredni plini, kot so ogljikov dioksid, metan in dušikov oksid. Edini produkti, ki se sproščajo med delovanjem gorivnih celic, so voda v obliki pare in majhna količina ogljikov dioksid, ki se sploh ne izpusti, če se kot gorivo uporablja čisti vodik. Gorivne celice sestavljajo v sklope in nato v ločene funkcionalne module.

Načelo delovanja gorivnih celic

Gorivne celice proizvajajo elektriko in toploto zaradi potekajoče elektrokemične reakcije z uporabo elektrolita, katode in anode.

Anoda in katoda sta ločeni z elektrolitom, ki prevaja protone. Po vstopu vodika v anodo in kisika v katodo se začne kemična reakcija, posledično nastajajo električni tok, toplota in voda. Na katalitični anodi molekularni vodik disociira in izgublja elektrone. Vodikovi ioni (protoni) se vodijo skozi elektrolit do katode, medtem ko elektroni prehajajo skozi elektrolit in skozi zunanje električno vezje, kar ustvarja enosmerni tok, ki se lahko uporablja za napajanje opreme. Na katodnem katalizatorju se molekula kisika združi z elektronom (ki se dovaja iz zunanjih komunikacij) in prihajajočim protonom ter tvori vodo, ki je edini produkt reakcije (v obliki hlapov in/ali tekočine).

Spodaj je ustrezna reakcija:

Anodna reakcija: 2H2 => 4H+ + 4e-
Reakcija na katodi: O2 + 4H+ + 4e- => 2H2O
Splošna reakcija element: 2H2 + O2 => 2H2O

Vrste gorivnih celic

Podobno kot obstajajo različne vrste motorjev z notranjim zgorevanjem, obstajajo tudi različne vrste gorivnih celic – izbira ustrezne vrste gorivne celice je odvisna od njene uporabe.Gorivne celice delimo na visokotemperaturne in nizkotemperaturne. Nizkotemperaturne gorivne celice potrebujejo razmeroma čist vodik kot gorivo.

To pogosto pomeni, da je za pretvorbo primarnega goriva (kot je zemeljski plin) v čisti vodik potrebna predelava goriva. Ta proces porabi dodatno energijo in zahteva posebno opremo. Visokotemperaturne gorivne celice ne potrebujejo tega dodatnega postopka, saj lahko "notranje pretvorijo" gorivo pri povišanih temperaturah, kar pomeni, da ni treba vlagati v vodikovo infrastrukturo.

Gorivni elementi na staljenem karbonatu (MCFC).

Gorivne celice s staljenim karbonatnim elektrolitom so visokotemperaturne gorivne celice. Visoka delovna temperatura omogoča neposredno uporabo zemeljskega plina brez procesorja goriva in nizko kalorično vrednost kurilnega plina proizvodnih procesov in iz drugih virov. Ta postopek je bil razvit sredi šestdesetih let prejšnjega stoletja. Od takrat so se proizvodna tehnologija, zmogljivost in zanesljivost izboljšali.

Delovanje RCFC je drugačno od drugih gorivnih celic. Te celice uporabljajo elektrolit iz mešanice staljenih karbonatnih soli. Trenutno se uporabljata dve vrsti mešanic: litijev karbonat in kalijev karbonat ali litijev karbonat in natrijev karbonat. Za taljenje karbonatnih soli in doseganje visoke stopnje mobilnosti ionov v elektrolitu se delovanje gorivnih celic s staljenim karbonatnim elektrolitom pojavi pri visoke temperature(650°C). Učinkovitost se giblje med 60-80%.

Pri segrevanju na temperaturo 650°C postanejo soli prevodnik za karbonatne ione (CO32-). Ti ioni prehajajo s katode na anodo, kjer se združijo z vodikom in tvorijo vodo, ogljikov dioksid in proste elektrone. Ti elektroni se pošljejo skozi zunanje električno vezje nazaj na katodo, pri čemer se kot stranski produkt ustvari električni tok in toplota.

Anodna reakcija: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e-
Reakcija na katodi: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-
Splošna reakcija elementa: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(katoda) => H2O(g) + CO2(anoda)

Visoke delovne temperature gorivnih celic s staljenim karbonatnim elektrolitom imajo določene prednosti. Pri visokih temperaturah se zemeljski plin notranje reformira, kar odpravlja potrebo po procesorju goriva. Poleg tega prednosti vključujejo možnost uporabe standardnih konstrukcijskih materialov, kot sta pločevina iz nerjavečega jekla in katalizator iz niklja na elektrodah. Odpadno toploto je mogoče uporabiti za proizvodnjo visokotlačne pare za različne industrijske in komercialne namene.

Tudi visoke reakcijske temperature v elektrolitu imajo svoje prednosti. Uporaba visokih temperatur traja dolgo časa, da se dosežejo optimalni pogoji delovanja, sistem pa se počasneje odziva na spremembe v porabi energije. Te lastnosti omogočajo uporabo sistemov gorivnih celic s staljenim karbonatnim elektrolitom v pogojih konstantne moči. Visoke temperature preprečujejo poškodbe gorivnih celic z ogljikovim monoksidom, "zastrupitev" itd.

Gorivne celice iz staljenega karbonata so primerne za uporabo v velikih stacionarnih napravah. Termoelektrarne z izhodno električno močjo 2,8 MW so industrijsko proizvedene. Razvijajo se naprave z izhodno močjo do 100 MW.

Gorivne celice na osnovi fosforne kisline (PFC).

Gorivne celice na osnovi fosforne (ortofosforne) kisline so bile prve gorivne celice za komercialno uporabo. Ta postopek je bil razvit sredi 1960-ih in je bil preizkušen od 1970-ih. Od takrat so se stabilnost, zmogljivost in stroški povečali.

Gorivne celice na osnovi fosforne (ortofosforne) kisline uporabljajo elektrolit na osnovi ortofosforne kisline (H3PO4) s koncentracijo do 100 %. Ionska prevodnost fosforne kisline je nizka pri nizke temperature, zato se te gorivne celice uporabljajo pri temperaturah do 150–220°C.

Nosilec naboja v tovrstnih gorivnih celicah je vodik (H+, proton). Podoben proces poteka v gorivnih celicah z membrano za izmenjavo protonov (MEFC), v katerih se vodik, doveden na anodo, razdeli na protone in elektrone. Protoni prehajajo skozi elektrolit in se združijo s kisikom iz zraka na katodi, da tvorijo vodo. Elektroni so usmerjeni vzdolž zunanjega električnega tokokroga in nastane električni tok. Spodaj so reakcije, ki ustvarjajo elektriko in toploto.

Anodna reakcija: 2H2 => 4H+ + 4e-
Reakcija na katodi: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O
Splošna reakcija elementa: 2H2 + O2 => 2H2O

Izkoristek gorivnih celic na osnovi fosforne (ortofosforne) kisline je pri pridobivanju električne energije več kot 40 %. Pri kombinirani proizvodnji toplote in električne energije je skupni izkoristek približno 85 %. Poleg tega se lahko pri določenih delovnih temperaturah odpadna toplota uporabi za ogrevanje vode in ustvarjanje pare pri atmosferskem tlaku.

Visoka zmogljivost termoelektrarn na gorivne celice na osnovi fosforne (ortofosforne) kisline pri soproizvodnji toplote in električne energije je ena od prednosti tovrstnih gorivnih celic. Rastline uporabljajo ogljikov monoksid v koncentraciji približno 1,5%, kar močno razširi izbiro goriva. Poleg tega CO2 ne vpliva na elektrolit in delovanje gorivne celice, ta vrsta celice deluje z reformiranim naravnim gorivom. Enostavna konstrukcija, nizka hlapnost elektrolita in povečana stabilnost so tudi prednosti te vrste gorivnih celic.

Industrijsko se proizvajajo termoelektrarne z izhodno električno močjo do 400 kW. Naprave za 11 MW so opravile ustrezne teste. Razvijajo se naprave z izhodno močjo do 100 MW.

Gorivne celice z membrano za izmenjavo protonov (PME)

Najbolj veljajo gorivne celice s protonsko izmenjevalno membrano najboljši tip gorivne celice za pridobivanje moči vozil, ki lahko nadomestijo bencinske in dizelske motorje z notranjim zgorevanjem. Te gorivne celice je NASA najprej uporabila za program Gemini. Danes se razvijajo in demonstrirajo instalacije na MOPFC z močjo od 1 W do 2 kW.

Te gorivne celice kot elektrolit uporabljajo trdno polimerno membrano (tanek plastični film). Ko je impregniran z vodo, ta polimer prepušča protone, vendar ne prevaja elektronov.

Gorivo je vodik, nosilec naboja pa vodikov ion (proton). Na anodi se vodikova molekula loči na vodikov ion (proton) in elektrone. Vodikovi ioni prehajajo skozi elektrolit do katode, medtem ko se elektroni premikajo po zunanjem krogu in proizvajajo električno energijo. Kisik, ki ga vzamemo iz zraka, se dovaja na katodo in se združuje z elektroni in vodikovimi ioni ter tvori vodo. Na elektrodah potekajo naslednje reakcije:

Anodna reakcija: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Reakcija na katodi: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Splošna reakcija elementa: 2H2 + O2 => 2H2O

V primerjavi z drugimi vrstami gorivnih celic gorivne celice z membrano za izmenjavo protonov proizvedejo več energije za dano prostornino ali težo gorivne celice. Ta lastnost jim omogoča, da so kompaktni in lahki. Poleg tega je delovna temperatura nižja od 100°C, kar omogoča hiter začetek delovanja. Te značilnosti, kot tudi zmožnost hitrega spreminjanja izhodne energije, so le nekatere izmed lastnosti, zaradi katerih so te gorivne celice glavni kandidati za uporabo v vozilih.

Druga prednost je, da je elektrolit trdna in ne tekoča snov. Zadrževanje plinov na katodi in anodi je lažje s trdnim elektrolitom, zato je proizvodnja takšnih gorivnih celic cenejša. V primerjavi z drugimi elektroliti pri uporabi trdnega elektrolita ni takih težav kot je orientacija, obstaja manj težav zaradi pojava korozije, kar vodi do daljše obstojnosti elementa in njegovih sestavnih delov.

Gorivne celice s trdnim oksidom (SOFC)

Gorivne celice s trdnim oksidom so gorivne celice z najvišjo delovno temperaturo. Delovna temperatura lahko variira od 600°C do 1000°C, kar omogoča uporabo različnih vrst goriva brez posebne predobdelave. Za obvladovanje teh visokih temperatur je uporabljeni elektrolit tanek trden kovinski oksid na osnovi keramike, pogosto zlitina itrija in cirkonija, ki je prevodnik kisikovih (O2-) ionov. Tehnologija uporabe gorivnih celic s trdnim oksidom se je razvijala od poznih petdesetih let prejšnjega stoletja. in ima dve konfiguraciji: ravno in cevasto.

Trdni elektrolit zagotavlja hermetični prehod plina iz ene elektrode v drugo, medtem ko se tekoči elektroliti nahajajo v poroznem substratu. Nosilec naboja v gorivnih celicah tega tipa je kisikov ion (О2-). Na katodi se molekule kisika ločijo od zraka na kisikov ion in štiri elektrone. Kisikovi ioni prehajajo skozi elektrolit in se združijo z vodikom, da tvorijo štiri proste elektrone. Elektroni so usmerjeni skozi zunanji električni tokokrog, ki ustvarja električni tok in odpadno toploto.

Anodna reakcija: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e-
Reakcija na katodi: O2 + 4e- => 2O2-
Splošna reakcija elementa: 2H2 + O2 => 2H2O

Izkoristek proizvedene električne energije je najvišji od vseh gorivnih celic – okoli 60 %. Poleg tega visoke delovne temperature omogočajo kombinirano proizvodnjo toplote in električne energije za ustvarjanje visokotlačne pare. Kombinacija visokotemperaturne gorivne celice s turbino ustvari hibridno gorivno celico za povečanje učinkovitosti proizvodnje električne energije do 70 %.

Gorivne celice s trdnim oksidom delujejo pri zelo visokih temperaturah (600°C-1000°C), kar povzroči dolgotrajno doseganje optimalnih delovnih pogojev, sistem pa se počasneje odziva na spremembe porabe energije. Pri tako visokih delovnih temperaturah ni potreben pretvornik za pridobivanje vodika iz goriva, kar omogoča termoelektrarni, da deluje z relativno nečistimi gorivi iz uplinjanja premoga ali odpadnih plinov ipd. Poleg tega je ta gorivna celica odlična za aplikacije z visoko močjo, vključno z industrijskimi in velikimi centralnimi elektrarnami. Industrijsko izdelani moduli z izhodno električno močjo 100 kW.

Gorivne celice z direktno oksidacijo metanola (DOMTE)

Tehnologija uporabe gorivnih celic z neposredno oksidacijo metanola je v obdobju aktivnega razvoja. Uspešno se je uveljavil na področju napajanja mobilnih telefonov, prenosnih računalnikov, kot tudi za izdelavo prenosnih napajalnikov. čemu je namenjena prihodnja uporaba teh elementov.

Zgradba gorivnih celic z direktno oksidacijo metanola je podobna gorivnim celicam z membrano za izmenjavo protonov (MOFEC), t.j. kot elektrolit se uporablja polimer, kot nosilec naboja pa vodikov ion (proton). Vendar pa tekoči metanol (CH3OH) oksidira v prisotnosti vode na anodi, pri čemer se sproščajo CO2, vodikovi ioni in elektroni, ki so vodeni skozi zunanji električni tokokrog, in nastane električni tok. Vodikovi ioni prehajajo skozi elektrolit in reagirajo s kisikom iz zraka ter elektroni iz zunanjega tokokroga, da tvorijo vodo na anodi.

Anodna reakcija: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e-
Reakcija na katodi: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O
Splošna reakcija elementa: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O

Razvoj teh gorivnih celic se je začel v zgodnjih devetdesetih letih prejšnjega stoletja. Po razvoju izboljšanih katalizatorjev in zahvaljujoč drugim nedavnim inovacijam sta se gostota moči in učinkovitost povečala do 40 %.

Ti elementi so bili testirani v temperaturnem območju 50-120°C. Z nizkimi delovnimi temperaturami in brez potrebe po pretvorniku so gorivne celice z direktnim metanolom najboljši kandidat za aplikacije, ki segajo od mobilnih telefonov in drugih potrošniških izdelkov do avtomobilskih motorjev. Prednost te vrste gorivnih celic je njihova majhnost zaradi uporabe tekočega goriva in odsotnost potrebe po uporabi pretvornika.

Alkalne gorivne celice (AFC)

Alkalne gorivne celice (ALFC) so ena najbolj raziskanih tehnologij in se uporabljajo od sredine šestdesetih let prejšnjega stoletja. NASA v programih Apollo in Space Shuttle. Na krovu teh vesoljske ladje gorivne celice proizvajajo elektriko in pitna voda. Alkalne gorivne celice so eden najučinkovitejših elementov, ki se uporabljajo za proizvodnjo električne energije, saj izkoristek proizvodnje električne energije doseže do 70 %.

Alkalne gorivne celice uporabljajo elektrolit, tj. vodna raztopina kalijev hidroksid v porozni stabilizirani matrici. Koncentracija kalijevega hidroksida se lahko spreminja glede na delovno temperaturo gorivne celice, ki sega od 65°C do 220°C. Nosilec naboja v SFC je hidroksidni ion (OH-), ki se premika od katode do anode, kjer reagira z vodikom, da proizvede vodo in elektrone. Voda, proizvedena na anodi, se premakne nazaj na katodo in tam ponovno ustvari hidroksidne ione. Kot rezultat tega niza reakcij, ki potekajo v gorivni celici, se proizvaja elektrika in kot stranski produkt toplota:

Anodna reakcija: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Reakcija na katodi: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Splošna reakcija sistema: 2H2 + O2 => 2H2O

Prednost SFC je, da so te gorivne celice najcenejše za izdelavo, saj je katalizator, potreben na elektrodah, lahko katera koli izmed snovi, ki so cenejše od tistih, ki se uporabljajo kot katalizatorji za druge gorivne celice. Poleg tega SCFC-ji delujejo pri razmeroma nizki temperaturi in so med najučinkovitejšimi gorivnimi celicami – takšne lastnosti lahko prispevajo k hitrejši proizvodnji energije in visoki učinkovitosti goriva.

Ena od značilnih lastnosti SFC je njegova visoka občutljivost na CO2, ki ga lahko vsebuje gorivo ali zrak. CO2 reagira z elektrolitom, ga hitro zastrupi in močno zmanjša učinkovitost gorivne celice. Zato je uporaba SFC omejena na zaprte prostore, kot so vesoljska in podvodna vozila, delovati morajo na čisti vodik in kisik. Poleg tega so molekule, kot so CO, H2O in CH4, ki so varne za druge gorivne celice, za nekatere celo gorivo, škodljive za SFC.

Gorivne celice s polimernim elektrolitom (PETE)

V primeru gorivnih celic s polimernim elektrolitom je polimerna membrana sestavljena iz polimernih vlaken z vodnimi območji, v katerih poteka prevajanje vodnih ionov H2O+ (proton, rdeče) je pritrjen na molekulo vode. Molekule vode predstavljajo problem zaradi počasne izmenjave ionov. Zato je potrebna visoka koncentracija vode tako v gorivu kot na izpušnih elektrodah, kar omejuje delovno temperaturo na 100°C.

Trdne kislinske gorivne celice (SCFC)

V trdnih kislinskih gorivnih celicah elektrolit (CsHSO4) ne vsebuje vode. Delovna temperatura je torej 100-300°C. Vrtenje anionov SO42-oksi omogoča, da se protoni (rdeči) premikajo, kot je prikazano na sliki.

Običajno je trdna kislinska gorivna celica sendvič, v katerem je zelo tanka plast trdne kislinske spojine stisnjena med dve tesno stisnjeni elektrodi, da se zagotovi dober stik. Pri segrevanju organska komponenta izhlapi in odide skozi pore v elektrodah, pri čemer ohrani sposobnost številnih stikov med gorivom (ali kisikom na drugem koncu celice), elektrolitom in elektrodami.

Tip gorivne celice	Delovna temperatura	Učinkovitost proizvodnje električne energije	Vrsta goriva	Področje uporabe
RKTE	550–700 °C	50-70%		Srednje in velike instalacije
FKTE	100–220°C	35-40%	čisti vodik	Velike instalacije
MOPTE	30-100°C	35-50%	čisti vodik	Male instalacije
SOFC	450–1000 °C	45-70%	Večina ogljikovodikovih goriv	Male, srednje in velike instalacije
POMTE	20-90°C	20-30%	metanol	Prenosne enote
SHTE	50–200°C	40-65%	čisti vodik	raziskovanje vesolja
PETE	30-100°C	35-50%	čisti vodik	Male instalacije

Pridružite se nam na

Gorivna celica je naprava, ki učinkovito ustvarja toploto in enosmerni tok z elektrokemično reakcijo in uporablja gorivo, bogato z vodikom. Po principu delovanja je podoben bateriji. Strukturno je gorivna celica predstavljena z elektrolitom. Zakaj je izjemen? Za razliko od baterij vodikove gorivne celice ne shranjujejo električne energije, ne potrebujejo elektrike za ponovno polnjenje in se ne praznijo. Celice še naprej proizvajajo elektriko, dokler imajo dovod zraka in goriva.

Posebnosti

Razlika med gorivnimi celicami in drugimi generatorji energije je v tem, da med delovanjem ne izgorevajo goriva. Zaradi te lastnosti ne potrebujejo visokotlačnih rotorjev, ne oddajajo glasnega hrupa in tresljajev. Elektrika v gorivnih celicah nastaja s tiho elektrokemično reakcijo. Kemična energija goriva se v takih napravah pretvarja neposredno v vodo, toploto in elektriko.

Gorivne celice so drugačne visoka učinkovitost in ne proizvajajo velikih količin toplogrednih plinov. Izhod celic med delovanjem je majhna količina vode v obliki pare in ogljikovega dioksida, ki se ne sprosti, če se kot gorivo uporablja čisti vodik.

Zgodovina videza

V 50. in 60. letih 20. stoletja je Nasina potreba po virih energije za dolgoročne vesoljske misije izzvala eno najzahtevnejših nalog za gorivne celice, ki so obstajale v tistem času. Alkalne celice kot gorivo uporabljajo kisik in vodik, ki se med elektrokemično reakcijo pretvorita v stranske produkte, uporabne med vesoljskim poletom - elektriko, vodo in toploto.

Gorivne celice so bile prvič odkrite v začetku 19. stoletja - leta 1838. Hkrati so se pojavile prve informacije o njihovi učinkovitosti.

Delo na gorivnih celicah z uporabo alkalnih elektrolitov se je začelo v poznih tridesetih letih prejšnjega stoletja. Visokotlačne ponikljane elektrodne celice so bile izumljene šele leta 1939. Med drugo svetovno vojno so za britanske podmornice razvili gorivne celice, sestavljene iz alkalnih celic s premerom približno 25 centimetrov.

Zanimanje zanje se je povečalo v petdesetih in osemdesetih letih prejšnjega stoletja, za katere je značilno pomanjkanje naftnega goriva. Države po vsem svetu so se začele ukvarjati z vprašanji onesnaževanja zraka in okolja, da bi razvile okolju prijazno varne načine prejemanje električne energije. Tehnologija za proizvodnjo gorivnih celic je trenutno v fazi aktivnega razvoja.

Načelo delovanja

Toploto in elektriko proizvajajo gorivne celice kot rezultat elektrokemične reakcije, ki poteka s pomočjo katode, anode in elektrolita.

Katoda in anoda sta ločeni s protonsko prevodnim elektrolitom. Po dovodu kisika katodi in vodika anodi se začne kemična reakcija, katere posledica so toplota, tok in voda.

Disociira na anodnem katalizatorju, kar povzroči izgubo elektronov. Vodikovi ioni vstopajo v katodo skozi elektrolit, medtem ko elektroni prehajajo skozi zunanjost električno omrežje in ustvari enosmerni tok, ki se uporablja za napajanje opreme. Molekula kisika na katodnem katalizatorju se združi z elektronom in prihajajočim protonom, sčasoma pa tvori vodo, ki je edini produkt reakcije.

Vrste

Izbira določen tip gorivne celice je odvisno od njene uporabe. Vse gorivne celice so razdeljene v dve glavni kategoriji - visokotemperaturne in nizkotemperaturne. Slednji kot gorivo uporabljajo čisti vodik. Takšne naprave praviloma zahtevajo predelavo primarnega goriva v čisti vodik. Postopek se izvaja s posebno opremo.

Visokotemperaturne gorivne celice tega ne potrebujejo, ker pretvarjajo gorivo pri povišanih temperaturah, kar odpravlja potrebo po vodikovi infrastrukturi.

Princip delovanja vodikovih gorivnih celic temelji na pretvorbi kemične energije v električno brez neučinkovitih zgorevalnih procesov in pretvorbi toplotne energije v mehansko.

Splošni pojmi

Vodikove gorivne celice so elektrokemične naprave, ki proizvajajo elektriko z visoko učinkovitim "hladnim" zgorevanjem goriva. Obstaja več vrst takšnih naprav. Najbolj obetavna tehnologija velja za gorivne celice vodik-zrak, opremljene s protonsko izmenjevalno membrano PEMFC.

Protonsko prevodna polimerna membrana je zasnovana tako, da ločuje dve elektrodi - katodo in anodo. Vsak od njih je predstavljen z ogljikovo matriko, prevlečeno s katalizatorjem. disociira na anodnem katalizatorju in oddaja elektrone. Kationi se vodijo do katode skozi membrano, vendar se elektroni prenesejo v zunanje vezje, ker membrana ni zasnovana za prenos elektronov.

Molekula kisika na katodnem katalizatorju se združi z elektronom iz električnega tokokroga in prihajajočim protonom, sčasoma pa tvori vodo, ki je edini produkt reakcije.

Vodikove gorivne celice se uporabljajo za izdelavo membransko-elektrodnih blokov, ki delujejo kot glavni generatorski elementi energetskega sistema.

Prednosti vodikovih gorivnih celic

Med njimi je treba izpostaviti:

• Povečana specifična toplotna kapaciteta.
• Širok razpon delovne temperature.
• Brez vibracij, hrupa in vročine.
• Zanesljivost hladnega zagona.
• Pomanjkanje samopraznjenja, kar zagotavlja dolgo življenjsko dobo shranjevanja energije.
• Neomejena avtonomija zahvaljujoč možnosti prilagajanja energijske intenzivnosti s spreminjanjem števila vložkov goriva.
• Zagotavljanje skoraj vseh energijskih intenzivnosti s spreminjanjem kapacitete hranilnika vodika.
• Dolga življenjska doba.
• Tiho in okolju prijazno delovanje.
• Visoka stopnja energijske intenzivnosti.
• Toleranca na tuje primesi v vodiku.

Področje uporabe

Zaradi visoke učinkovitosti se vodikove gorivne celice uporabljajo na različnih področjih:

• Prenosni polnilci.
• Sistemi napajanja za UAV.
• Napajalniki za neprekinjeno napajanje.
• Druge naprave in oprema.

Obeti za vodikovo energijo

Široka uporaba gorivnih celic z vodikovim peroksidom bo možna šele po nastanku učinkovit način pridobivanje vodika. Za aktivno uporabo tehnologije so potrebne nove zamisli, pri čemer veliko upov polagamo na koncept biogorivnih celic in nanotehnologije. Nekatera podjetja so relativno nedavno izdala učinkovite katalizatorje na osnovi različne kovine, hkrati so se pojavile informacije o ustvarjanju gorivnih celic brez membran, kar je omogočilo znatno znižanje stroškov proizvodnje in poenostavitev zasnove takšnih naprav. Prednosti in značilnosti vodikovih gorivnih celic ne odtehtajo njihove glavne pomanjkljivosti - visokih stroškov, zlasti v primerjavi z ogljikovodikovimi napravami. Izgradnja ene elektrarne na vodik zahteva najmanj 500 tisoč dolarjev.

Kako zgraditi vodikovo gorivno celico?

Gorivno celico z nizko močjo lahko ustvarite neodvisno v pogojih običajnega domačega ali šolskega laboratorija. Uporabljeni materiali so stara plinska maska, kosi pleksi stekla, vodna raztopina etilni alkohol in alkalije.

Ohišje vodikove gorivne celice naredi sam je izdelano iz pleksi stekla debeline najmanj pet milimetrov. Pregrade med predelki so lahko tanjše - približno 3 milimetre. Pleksi steklo je zlepljeno s posebnim lepilom iz kloroforma ali dikloroetana in ostružkov pleksi stekla. Vsa dela se izvajajo samo, ko napa deluje.

V zunanjo steno ohišja izvrtamo luknjo s premerom 5-6 centimetrov, v katero vstavimo gumijasti zamašek in odtočno stekleno cev. Aktivno oglje iz plinske maske se vlije v drugi in četrti prekat ohišja gorivne celice - uporabljen bo kot elektroda.

V prvi komori bo krožilo gorivo, peta pa je napolnjena z zrakom, iz katerega se bo dovajal kisik. Elektrolit, ki se vlije med elektrode, je impregniran z raztopino parafina in bencina, da prepreči vstop v zračno komoro. Bakrene plošče so nameščene na plast premoga z žicami, spajkanimi na njih, skozi katere bo preusmerjen tok.

Sestavljeno vodikovo gorivno celico napolnimo z vodko, razredčeno z vodo v razmerju 1:1. V nastalo mešanico previdno dodamo jedki kalij: 70 gramov kalija se raztopi v 200 gramih vode.

Pred testiranjem gorivne celice na vodik se v prvo komoro vlije gorivo, v tretjo komoro pa elektrolit. Voltmeter, priključen na elektrode, naj kaže med 0,7 in 0,9 voltov. Da bi zagotovili neprekinjeno delovanje elementa, je treba izrabljeno gorivo odstraniti, skozi gumijasto cev pa natočiti novo gorivo. S stiskanjem cevi se nadzoruje pretok goriva. Takšne vodikove gorivne celice, sestavljene doma, imajo majhno moč.

Nikogar ne bodo presenetili niti sončni paneli niti mlini na veter, ki proizvajajo elektriko v vseh regijah sveta. Toda proizvodnja iz teh naprav ni stalna in je treba v času, ko objekti za obnovljivo energijo ne proizvajajo električne energije, vgraditi rezervne vire energije ali se priključiti na omrežje za prejemanje električne energije. Vendar pa obstajajo naprave, razvite v 19. stoletju, ki za proizvodnjo električne energije uporabljajo "alternativna" goriva, torej ne kurijo plina ali naftnih derivatov. Takšne naprave so gorivne celice.

ZGODOVINA USTVARJANJA

Gorivne celice (FC) ali gorivne celice je že v letih 1838-1839 odkril William Grove (Grow, Grove), ko je preučeval elektrolizo vode.

Referenca: Elektroliza vode je proces razgradnje vode pod delovanjem električnega toka na molekule vodika in kisika.

Ko je baterijo odklopil od elektrolitske celice, je presenečen ugotovil, da so elektrode začele absorbirati sproščeni plin in ustvarjati tok. Odkritje procesa elektrokemičnega "hladnega" zgorevanja vodika je postalo pomemben dogodek v energetiki. Kasneje je ustvaril akumulator Grove. Ta naprava je imela platinasto elektrodo, potopljeno v dušikovo kislino, in cinkovo ​​elektrodo v cinkov sulfat. Ustvaril je tok 12 amperov in napetost 8 voltov. To konstrukcijo je poimenoval sam Grow "mokra baterija". Nato je ustvaril baterijo z dvema platinastima elektrodama. En konec vsake elektrode je bil v žveplovi kislini, drugi konci pa zaprti v posodah z vodikom in kisikom. Med elektrodama je bil stabilen tok, količina vode v posodah pa se je povečala. Grow je uspel razgraditi in izboljšati vodo v tej napravi.

"Grow's Battery"

(vir: Royal Society of National Museum of Natural History)

Izraz "gorivna celica" (angleško "Fuel Cell") se je pojavil šele leta 1889 s strani L. Monda in
Ch.Langer, ki je poskušal ustvariti napravo za pridobivanje električne energije iz zraka in premogovega plina.

KAKO DELUJE?

Gorivna celica je razmeroma preprosta naprava. Ima dve elektrodi: anodo (negativna elektroda) in katodo (pozitivna elektroda). Na elektrodah poteka kemična reakcija. Za pospešitev je površina elektrod prevlečena s katalizatorjem. Gorivne celice so opremljene še z enim elementom - membrana. Pretvorba kemične energije goriva neposredno v električno energijo nastane zaradi dela membrane. Ločuje dve komori elementa, v katerega se dovajata gorivo in oksidant. Membrana omogoča prehod iz ene komore v drugo na elektrodi, prevlečeni s katalizatorjem, le protonom, ki nastanejo kot posledica cepitve goriva (elektroni nato tečejo skozi zunanji tokokrog). V drugi komori se protoni rekombinirajo z elektroni (in atomi kisika), da nastane voda.

Princip delovanja vodikove gorivne celice

Na kemijski ravni je proces pretvorbe energije goriva v električno energijo podoben običajnemu procesu zgorevanja (oksidacije).

Pri normalnem zgorevanju v kisiku organsko gorivo oksidira, kemična energija goriva pa se pretvori v toplotno energijo. Poglejmo, kaj se zgodi, ko vodik oksidira s kisikom v elektrolitskem mediju in v prisotnosti elektrod.

Z dovajanjem vodika na elektrodo, ki se nahaja v alkalnem okolju, poteka kemična reakcija:

2H 2 + 4OH - → 4H 2 O + 4e -

Kot lahko vidite, dobimo elektrone, ki skozi zunanji tokokrog vstopijo v nasprotno elektrodo, v katero vstopi kisik in kjer poteka reakcija:

4e- + O 2 + 2H 2 O → 4OH -

Vidimo lahko, da je nastala reakcija 2H 2 + O 2 → H 2 O enaka kot pri običajnem zgorevanju, vendar gorivna celica proizvaja elektriko in nekaj toplote.

VRSTE GORIVNIH CELIC

FC je razvrščen glede na vrsto elektrolita, uporabljenega za reakcijo:

Upoštevajte, da se kot gorivo v gorivnih celicah lahko uporabljajo tudi premog, ogljikov monoksid, alkoholi, hidrazin in drugi. organska snov, in kot oksidanti - zrak, vodikov peroksid, klor, brom, dušikova kislina itd.

Učinkovitost GORIVNE CELICE

Značilnost gorivnih celic je brez stroge omejitve učinkovitosti kot toplotni stroj.

Pomoč: učinkovitostCarnotov cikel je največji možni izkoristek med vsemi toplotnimi stroji z enakimi najnižjimi in najvišjimi temperaturami.

Zato je izkoristek gorivnih celic v teoriji lahko višji od 100 %. Mnogi so se nasmehnili in pomislili: "Večni gibalnik je bil izumljen." Ne, vredno se je vrniti k šolskemu tečaju kemije. Gorivna celica temelji na pretvorbi kemične energije v električno. Tukaj se dogajajo čudeži. Nekatere kemične reakcije v procesu lahko absorbirajo toploto iz okolja.

Referenca: Endotermne reakcije so kemične reakcije, ki jih spremlja absorpcija toplote. Pri endotermnih reakcijah imata sprememba entalpije in notranje energije pozitivne vrednosti (Δ H >0, Δ U >0), zato reakcijski produkti vsebujejo več energije kot prvotne komponente.

Primer takšne reakcije je oksidacija vodika, ki se uporablja v večini gorivnih celic. Zato je teoretično lahko učinkovitost več kot 100%. Toda danes se gorivne celice med delovanjem segrejejo in ne morejo absorbirati toplote iz okolja.

Referenca: To omejitev nalaga drugi zakon termodinamike. Proces prenosa toplote iz "hladnega" telesa na "vroče" ni mogoč.

Poleg tega obstajajo izgube, povezane z neravnovesnimi procesi. Kot so: ohmske izgube zaradi specifične prevodnosti elektrolita in elektrod, aktivacijska in koncentracijska polarizacija, difuzijske izgube. Zaradi tega se del energije, ki nastane v gorivnih celicah, pretvori v toploto. Gorivne celice torej niso večni gibi in je njihov izkoristek manjši od 100 %. Toda njihova učinkovitost je večja kot pri drugih strojih. Danes učinkovitost gorivne celice doseže 80 %.

Referenca: V štiridesetih letih je angleški inženir T. Bacon zasnoval in izdelal baterijo gorivnih celic s skupno močjo 6 kW in 80-odstotnim izkoristkom, ki je delovala na čisti vodik in kisik, vendar se je razmerje med močjo in težo baterije obrnilo. premajhne - takšne celice niso bile primerne za praktična uporaba in predrag (vir: http://www.powerinfo.ru/).

TEŽAVE GORIVNIH CELIC

Skoraj vse gorivne celice kot gorivo uporabljajo vodik, zato je logično vprašanje: "Kje ga lahko dobim?"

Zdi se, da je bila gorivna celica odkrita kot posledica elektrolize, zato lahko uporabite vodik, ki se sprosti kot posledica elektrolize. Toda poglejmo ta proces pobližje.

Po Faradayevem zakonu: količina snovi, ki se oksidira na anodi ali reducira na katodi, je sorazmerna s količino elektrike, ki je prešla skozi elektrolit. To pomeni, da morate za pridobitev več vodika porabiti več električne energije. Obstoječe metode elektroliza vode se izvaja z učinkovitostjo, manjšo od enote. Nato dobljeni vodik uporabimo v gorivnih celicah, kjer je tudi izkoristek manjši od enote. Zato bomo porabili več energije, kot je lahko proizvedemo.

Seveda se lahko uporablja tudi vodik, pridobljen iz zemeljskega plina. Ta način pridobivanja vodika ostaja najcenejši in najbolj priljubljen. Trenutno je približno 50 % vodika, proizvedenega po vsem svetu, pridobljenega iz zemeljskega plina. Obstaja pa problem pri skladiščenju in transportu vodika. Vodik ima nizko gostoto ( en liter vodika tehta 0,0846 grama), zato ga je treba za prevoz na dolge razdalje stisniti. In to so dodatni stroški energije in denarja. Prav tako ne pozabite na varnost.

Vendar pa tudi tukaj obstaja rešitev - tekoče ogljikovodikovo gorivo lahko uporabimo kot vir vodika. Na primer, etilni ali metilni alkohol. Res je, da je tukaj že potrebna posebna dodatna naprava - pretvornik goriva, ki pri visoki temperaturi (za metanol bo nekje okoli 240 ° C) pretvori alkohole v mešanico plinastega H 2 in CO 2. Toda v tem primeru je že težje razmišljati o prenosljivosti - takšne naprave je dobro uporabljati kot stacionarne ali avtomobilske generatorje, vendar za kompaktno mobilno opremo potrebujete nekaj manj zajetnega.

katalizator

Za izboljšanje reakcije v gorivni celici je površina anode običajno katalizator. Do nedavnega je bila platina uporabljena kot katalizator. Zato je bila cena gorivne celice visoka. Drugič, platina je razmeroma redka kovina. Po mnenju strokovnjakov bo v industrijski proizvodnji gorivnih celic raziskanih zalog platine zmanjkalo v 15-20 letih. Toda znanstveniki po vsem svetu poskušajo nadomestiti platino z drugimi materiali. Mimogrede, nekateri so dosegli dobre rezultate. Tako so kitajski znanstveniki nadomestili platino s kalcijevim oksidom (vir: www.cheburek.net).

UPORABA GORIVNIH CELIC

Gorivna celica v avtomobilski tehnologiji je bila prvič testirana leta 1959. Traktor Alice-Chambers je za delovanje uporabljal 1008 baterij. Gorivo je bila mešanica plinov, predvsem propana in kisika.

Vir: http://www.planetseed.com/

Od sredine 60-ih, na vrhuncu "vesoljske dirke", so se ustvarjalci vesoljskih plovil začeli zanimati za gorivne celice. Delo na tisoče znanstvenikov in inženirjev je omogočilo doseči novo raven in leta 1965. Gorivne celice so testirali v ZDA na vesoljskem plovilu Gemini 5, kasneje pa še na plovilu Apollo za polete na Luno in v okviru programa Shuttle. V ZSSR so gorivne celice razvili v NPO Kvant, tudi za uporabo v vesolju (vir: http://www.powerinfo.ru/).

Ker je končni produkt zgorevanja vodika v gorivnih celicah voda, veljajo za najčistejše glede na vpliv na okolju. Zato so gorivne celice začele pridobivati ​​svojo priljubljenost v ozadju splošnega zanimanja za ekologijo.

Že zdaj so proizvajalci avtomobilov, kot so Honda, Ford, Nissan in Mercedes-Benz, ustvarili vozila s pogonom na vodikove gorivne celice.

Mercedes-Benz - Ener-G-Force, ki ga poganja vodik

Pri uporabi avtomobilov na vodik je problem s shranjevanjem vodika rešen. Izgradnja vodikovih polnilnic bo omogočila točenje goriva kjerkoli. Poleg tega je polnjenje avtomobila z vodikom hitrejše kot polnjenje električnega avtomobila na bencinski črpalki. Toda pri izvajanju tovrstnih projektov so se soočili s problemom, kot so električna vozila. Ljudje so pripravljeni »presedlati« na avto na vodik, če za to obstaja infrastruktura. In bencinske črpalke se bodo začele graditi, če bo zadostno število odjemalcev. Zato smo spet prišli do dileme jajca in piščanca.

Gorivne celice se pogosto uporabljajo v mobilnih telefonih in prenosnih računalnikih. Minili so časi, ko se je telefon polnil enkrat na teden. Zdaj se telefon polni, skoraj vsak dan, prenosnik pa deluje brez omrežja 3-4 ure. Zato so se proizvajalci mobilne tehnologije odločili sintetizirati gorivne celice s telefoni in prenosniki za polnjenje in delo. Na primer, Toshiba leta 2003 predstavil končni prototip metanolne gorivne celice. Daje moč približno 100mW. Eno polnjenje 2 kock koncentriranega (99,5 %) metanola zadostuje za 20 ur delovanja MP3 predvajalnika. Spet ista "Toshiba" je pokazala napajalni element za prenosni računalnik 275x75x40 mm, ki omogoča, da računalnik deluje 5 ur z enim polnjenjem.

Toda nekateri proizvajalci so šli dlje. PowerTrekk je izdal istoimenski polnilec. PowerTrekk je prvi vodni polnilnik na svetu. Uporaba je zelo enostavna. PowerTrekk potrebuje vodo, da zagotovi takojšnje napajanje prek kabla USB. Ta gorivna celica vsebuje silicijev prah in natrijev silicid (NaSi), ko se pomeša z vodo, ta kombinacija ustvarja vodik. Vodik se zmeša z zrakom v sami gorivni celici in pretvori vodik v elektriko prek svoje membranske izmenjave protonov, brez ventilatorjev ali črpalk. Takšen prenosni polnilec lahko kupite za 149 € (

gorivne celice- to je elektrokemična naprava, podobna galvanskemu členu, vendar se od njega razlikuje po tem, da se snovi za elektrokemijsko reakcijo vanj dovajajo od zunaj - za razliko od omejene količine energije, ki je shranjena v galvanskem členu ali bateriji.

riž. 1. Nekatere gorivne celice

Gorivne celice pretvarjajo kemično energijo goriva v električno energijo, pri čemer obidejo neučinkovite procese zgorevanja, ki potekajo z velikimi izgubami. Zaradi kemične reakcije pretvorijo vodik in kisik v elektriko. Kot rezultat tega procesa nastane voda in sprosti se velika količina toplote. Gorivna celica je zelo podobna bateriji, ki jo je mogoče napolniti in nato uporabiti za shranjevanje električne energije. Izumitelj gorivne celice je William R. Grove, ki jo je izumil davnega leta 1839. V tej gorivni celici je bila kot elektrolit uporabljena raztopina žveplove kisline, kot gorivo pa je bil uporabljen vodik, ki se je povezal s kisikom v oksidacijskem mediju. Do nedavnega so gorivne celice uporabljali le v laboratorijih in na vesoljskih plovilih.

riž. 2.

Za razliko od drugih generatorjev energije, kot so motorji z notranjim zgorevanjem ali turbine, ki jih poganja plin, premog, nafta itd., gorivne celice ne kurijo goriva. To pomeni brez hrupnih visokotlačnih rotorjev, brez glasnega hrupa izpušnih plinov in brez vibracij. Gorivne celice proizvajajo elektriko s tiho elektrokemično reakcijo. Druga značilnost gorivnih celic je, da pretvorijo kemično energijo goriva neposredno v elektriko, toploto in vodo.

Gorivne celice so zelo učinkovite in ne proizvajajo velikih količin toplogrednih plinov, kot so ogljikov dioksid, metan in dušikov oksid. Edina produkta, ki ju izpustijo gorivne celice, sta voda v obliki pare in majhna količina ogljikovega dioksida, ki pa se sploh ne izpusti, če kot gorivo uporabljamo čisti vodik. Gorivne celice sestavljajo v sklope in nato v ločene funkcionalne module.

Gorivne celice nimajo gibljivih delov (vsaj ne znotraj same celice) in zato ne upoštevajo Carnotovega zakona. To pomeni, da bodo imeli več kot 50-odstotni izkoristek in so še posebej učinkoviti pri nizkih obremenitvah. Tako so vozila na gorivne celice lahko (in že dokazano so) učinkovitejša pri porabi goriva kot običajna vozila v dejanskih voznih razmerah.

Gorivna celica ustvarja enosmerni električni tok, ki se lahko uporablja za pogon elektromotorja, razsvetljave in drugih električnih sistemov v vozilu.

Obstaja več vrst gorivnih celic, ki se razlikujejo po uporabljenih kemičnih procesih. Gorivne celice so običajno razvrščene glede na vrsto elektrolita, ki ga uporabljajo.

Nekatere vrste gorivnih celic so obetavne za uporabo v elektrarnah, druge pa za prenosne naprave ali za pogon avtomobilov.

1. Alkalne gorivne celice (AFC)

Alkalne gorivne celice- To je eden prvih razvitih elementov. Alkalne gorivne celice (ALFC) so ena najbolj raziskanih tehnologij, ki jih NASA uporablja od sredine šestdesetih let prejšnjega stoletja v programih Apollo in Space Shuttle. Na krovu teh vesoljskih plovil gorivne celice proizvajajo elektriko in pitno vodo.

riž. 3.

Alkalne gorivne celice so eden najučinkovitejših elementov, ki se uporabljajo za proizvodnjo električne energije, saj izkoristek proizvodnje električne energije doseže do 70 %.

Alkalne gorivne celice uporabljajo elektrolit, to je vodno raztopino kalijevega hidroksida, ki je v porozni, stabilizirani matriki. Koncentracija kalijevega hidroksida se lahko spreminja glede na delovno temperaturo gorivne celice, ki sega od 65°C do 220°C. Nosilec naboja v SFC je hidroksidni ion (OH-), ki se premika od katode do anode, kjer reagira z vodikom, da proizvede vodo in elektrone. Voda, proizvedena na anodi, se premakne nazaj na katodo in tam ponovno ustvari hidroksidne ione. Kot rezultat tega niza reakcij, ki potekajo v gorivni celici, se proizvaja elektrika in kot stranski produkt toplota:

Anodna reakcija: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e

Reakcija na katodi: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH

Splošna reakcija sistema: 2H2 + O2 => 2H2O

Prednost SFC je, da so te gorivne celice najcenejše za izdelavo, saj je katalizator, potreben na elektrodah, lahko katera koli izmed snovi, ki so cenejše od tistih, ki se uporabljajo kot katalizatorji za druge gorivne celice. Poleg tega SFC delujejo pri relativno nizkih temperaturah in so med najučinkovitejšimi.

Ena od značilnih lastnosti SFC je njegova visoka občutljivost na CO2, ki ga lahko vsebuje gorivo ali zrak. CO2 reagira z elektrolitom, ga hitro zastrupi in močno zmanjša učinkovitost gorivne celice. Zato je uporaba SFC omejena na zaprte prostore, kot so vesoljska in podvodna vozila, delujejo na čisti vodik in kisik.

2. Gorivne celice iz karbonatne taline (MCFC)

Gorivne celice s staljenim karbonatnim elektrolitom so visokotemperaturne gorivne celice. Visoka delovna temperatura omogoča neposredno uporabo zemeljskega plina brez procesorja goriva in nizkokalorične kurilne vrednosti iz procesnih goriv in drugih virov. Ta postopek je bil razvit sredi šestdesetih let prejšnjega stoletja. Od takrat so se proizvodna tehnologija, zmogljivost in zanesljivost izboljšali.

riž. 4.

Delovanje RCFC je drugačno od drugih gorivnih celic. Te celice uporabljajo elektrolit iz mešanice staljenih karbonatnih soli. Trenutno se uporabljata dve vrsti mešanic: litijev karbonat in kalijev karbonat ali litijev karbonat in natrijev karbonat. Za taljenje karbonatnih soli in doseganje visoke stopnje mobilnosti ionov v elektrolitu delujejo gorivne celice s staljenim karbonatnim elektrolitom pri visokih temperaturah (650°C). Učinkovitost se giblje med 60-80%.

Pri segrevanju na temperaturo 650°C postanejo soli prevodnik za karbonatne ione (CO32-). Ti ioni potujejo od katode do anode, kjer se združijo z vodikom in tvorijo vodo, ogljikov dioksid in proste elektrone. Ti elektroni se pošljejo skozi zunanje električno vezje nazaj na katodo, pri čemer se kot stranski produkt ustvari električni tok in toplota.

Anodna reakcija: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e

Reakcija na katodi: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-

Splošna reakcija elementa: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(katoda) => H2O(g) + CO2(anoda)

Visoke delovne temperature gorivnih celic s staljenim karbonatnim elektrolitom imajo določene prednosti. Prednost je možnost uporabe standardnih materialov (inox pločevina in nikelj katalizator na elektrodah). Odpadna toplota se lahko uporabi za proizvodnjo visokotlačne pare. Tudi visoke reakcijske temperature v elektrolitu imajo svoje prednosti. Uporaba visokih temperatur traja dolgo časa, da se dosežejo optimalni pogoji delovanja, sistem pa se počasneje odziva na spremembe v porabi energije. Te lastnosti omogočajo uporabo sistemov gorivnih celic s staljenim karbonatnim elektrolitom v pogojih konstantne moči. Visoke temperature preprečujejo poškodbe gorivne celice z ogljikovim monoksidom, "zastrupitev" itd.

Gorivne celice iz staljenega karbonata so primerne za uporabo v velikih stacionarnih napravah. Termoelektrarne z izhodno električno močjo 2,8 MW so industrijsko proizvedene. Razvijajo se naprave z izhodno močjo do 100 MW.

3. Gorivne celice na osnovi fosforne kisline (PFC)

Gorivne celice na osnovi fosforne (ortofosforne) kisline postale prve gorivne celice za komercialno uporabo. Ta postopek je bil razvit sredi 60-ih let XX stoletja, testi so bili opravljeni od 70-ih let XX stoletja. Posledično sta se povečali stabilnost in zmogljivost ter znižali stroški.

riž. 5.

Gorivne celice na osnovi fosforne (ortofosforne) kisline uporabljajo elektrolit na osnovi ortofosforne kisline (H3PO4) s koncentracijo do 100 %. Ionska prevodnost fosforne kisline je nizka pri nizkih temperaturah, zato se te gorivne celice uporabljajo pri temperaturah do 150-220 °C.

Nosilec naboja v tovrstnih gorivnih celicah je vodik (H+, proton). Podoben proces poteka v gorivnih celicah z membrano za izmenjavo protonov (MEFC), v katerih se vodik, doveden na anodo, razdeli na protone in elektrone. Protoni prehajajo skozi elektrolit in se združijo s kisikom iz zraka na katodi, da tvorijo vodo. Elektroni so usmerjeni vzdolž zunanjega električnega tokokroga in nastane električni tok. Spodaj so reakcije, ki ustvarjajo elektriko in toploto.

Anodna reakcija: 2H2 => 4H+ + 4e

Reakcija na katodi: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O

Splošna reakcija elementa: 2H2 + O2 => 2H2O

Izkoristek gorivnih celic na osnovi fosforne (ortofosforne) kisline je pri pridobivanju električne energije več kot 40 %. Pri kombinirani proizvodnji toplote in električne energije je skupni izkoristek približno 85 %. Poleg tega je glede na delovne temperature mogoče odpadno toploto uporabiti za ogrevanje vode in ustvarjanje pare pri atmosferskem tlaku.

Visoka zmogljivost termoelektrarn na gorivne celice na osnovi fosforne (ortofosforne) kisline pri soproizvodnji toplote in električne energije je ena od prednosti tovrstnih gorivnih celic. Rastline uporabljajo ogljikov monoksid v koncentraciji približno 1,5%, kar močno razširi izbiro goriva. Enostavna konstrukcija, nizka hlapnost elektrolita in povečana stabilnost so tudi prednosti takšnih gorivnih celic.

Industrijsko se proizvajajo termoelektrarne z izhodno električno močjo do 400 kW. Naprave z močjo 11 MW so opravile ustrezne teste. Razvijajo se naprave z izhodno močjo do 100 MW.

4. Gorivne celice z membrano za izmenjavo protonov (MOFEC)

Gorivne celice z membrano za izmenjavo protonov veljajo za najboljšo vrsto gorivnih celic za proizvodnjo električne energije vozil, ki lahko nadomestijo bencinske in dizelske motorje z notranjim zgorevanjem. Te gorivne celice je NASA najprej uporabila za program Gemini. Razvite in prikazane so instalacije na MOPFC z močjo od 1 W do 2 kW.

riž. 6.

Elektrolit v teh gorivnih celicah je trdna polimerna membrana (tanek plastični film). Ko je impregniran z vodo, ta polimer prepušča protone, vendar ne prevaja elektronov.

Gorivo je vodik, nosilec naboja pa vodikov ion (proton). Na anodi se vodikova molekula loči na vodikov ion (proton) in elektrone. Vodikovi ioni prehajajo skozi elektrolit do katode, medtem ko se elektroni premikajo po zunanjem krogu in proizvajajo električno energijo. Kisik, ki ga vzamemo iz zraka, se dovaja na katodo in se združuje z elektroni in vodikovimi ioni ter tvori vodo. Na elektrodah pride do naslednjih reakcij: Anodna reakcija: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4eKatodna reakcija: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH Celotna celična reakcija: 2H2 + O2 => 2H2O V primerjavi z drugimi vrstami gorivnih celic, gorivne celice z membrano za izmenjavo protonov proizvede več energije za dano prostornino ali težo gorivne celice. Ta lastnost jim omogoča, da so kompaktni in lahki. Poleg tega je delovna temperatura nižja od 100°C, kar omogoča hiter začetek delovanja. Te značilnosti, kot tudi sposobnost hitrega spreminjanja izhodne energije, so le nekatere, zaradi katerih so te gorivne celice glavni kandidati za uporabo v vozilih.

Druga prednost je, da je elektrolit trdna in ne tekočina. S trdnim elektrolitom je lažje zadrževati pline na katodi in anodi, zato so takšne gorivne celice cenejše za izdelavo. Pri uporabi trdnega elektrolita ni težav kot je orientacija, manj pa je težav zaradi pojava korozije, kar poveča vzdržljivost celice in njenih komponent.

riž. 7.

5. Gorivne celice s trdnim oksidom (SOFC)

Trdne oksidne gorivne celice so gorivne celice z najvišjo delovno temperaturo. Delovna temperatura se lahko spreminja od 600°C do 1000°C, kar omogoča uporabo različnih vrst goriva brez posebne predpriprave. Za obvladovanje teh visokih temperatur je uporabljeni elektrolit tanek trden kovinski oksid na osnovi keramike, pogosto zlitina itrija in cirkonija, ki je prevodnik kisikovih (O2-) ionov. Tehnologija uporabe gorivnih celic s trdnim oksidom se razvija od poznih petdesetih let prejšnjega stoletja in ima dve konfiguraciji: planarno in cevasto.

Trdni elektrolit zagotavlja hermetični prehod plina iz ene elektrode v drugo, medtem ko se tekoči elektroliti nahajajo v poroznem substratu. Nosilec naboja v gorivnih celicah tega tipa je kisikov ion (О2-). Na katodi se molekule kisika ločijo od zraka na kisikov ion in štiri elektrone. Kisikovi ioni prehajajo skozi elektrolit in se združijo z vodikom, da tvorijo štiri proste elektrone. Elektroni so usmerjeni skozi zunanji električni tokokrog, ki ustvarja električni tok in odpadno toploto.

riž. 8.

Anodna reakcija: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e

Reakcija na katodi: O2 + 4e- => 2O2-

Splošna reakcija elementa: 2H2 + O2 => 2H2O

Izkoristek proizvodnje električne energije je najvišji od vseh gorivnih celic – okoli 60 %. Poleg tega visoke delovne temperature omogočajo kombinirano proizvodnjo toplote in električne energije za ustvarjanje visokotlačne pare. Kombinacija visokotemperaturne gorivne celice s turbino ustvari hibridno gorivno celico za povečanje učinkovitosti proizvodnje električne energije do 70 %.

Gorivne celice s trdnim oksidom delujejo pri zelo visokih temperaturah (600 °C-1000 °C), zaradi česar je potreben precejšen čas za doseganje optimalnih delovnih pogojev, sistem pa se počasneje odziva na spremembe v porabi energije. Pri tako visokih delovnih temperaturah ni potreben pretvornik za pridobivanje vodika iz goriva, kar omogoča termoelektrarni, da deluje z relativno nečistimi gorivi iz uplinjanja premoga ali odpadnih plinov ipd. Poleg tega je ta gorivna celica odlična za aplikacije z visoko močjo, vključno z industrijskimi in velikimi centralnimi elektrarnami. Industrijsko izdelani moduli z izhodno električno močjo 100 kW.

6. Gorivne celice z direktno oksidacijo metanola (DOMTE)

Gorivne celice z direktno oksidacijo metanola se uspešno uporabljajo na področju napajanja mobilnih telefonov, prenosnih računalnikov, pa tudi za izdelavo prenosnih napajalnikov, čemur je namenjena prihodnja uporaba tovrstnih elementov.

Zgradba gorivnih celic z direktno oksidacijo metanola je podobna zgradbi gorivnih celic z membrano za izmenjavo protonov (MOFEC), t.j. kot elektrolit se uporablja polimer, kot nosilec naboja pa vodikov ion (proton). Toda tekoči metanol (CH3OH) oksidira v prisotnosti vode na anodi, pri čemer se sprostijo CO2, vodikovi ioni in elektroni, ki se pošljejo skozi zunanji električni tokokrog, pri čemer nastane električni tok. Vodikovi ioni prehajajo skozi elektrolit in reagirajo s kisikom iz zraka ter elektroni iz zunanjega tokokroga, da tvorijo vodo na anodi.

Anodna reakcija: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6eKatodna reakcija: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O Skupna reakcija elementov: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O 1990 in njihova specifična moč in učinkovitost sta se povečala do 40 %.

Ti elementi so bili testirani v temperaturnem območju 50-120°C. Zaradi nizkih delovnih temperatur in brez potrebe po pretvorniku so te gorivne celice najboljši kandidati za uporabo v mobilnih telefonih in drugih potrošniških izdelkih ter v avtomobilskih motorjih. Njihova prednost so tudi majhne dimenzije.

7. Gorivne celice s polimernim elektrolitom (PETE)

V primeru gorivnih celic s polimernim elektrolitom je polimerna membrana sestavljena iz polimernih vlaken z vodnimi območji, v katerih poteka prevajanje vodnih ionov H2O+ (proton, rdeče) je pritrjen na molekulo vode. Molekule vode predstavljajo problem zaradi počasne izmenjave ionov. Zato je potrebna visoka koncentracija vode tako v gorivu kot na izpušnih elektrodah, kar omejuje delovno temperaturo na 100°C.

8. Gorivne celice s trdno kislino (SCFC)

V trdnih kislinskih gorivnih celicah elektrolit (CsHSO4) ne vsebuje vode. Delovna temperatura je torej 100-300°C. Vrtenje oksianionov SO42 omogoča, da se protoni (rdeči) premikajo, kot je prikazano na sliki. Običajno je trdna kislinska gorivna celica sendvič, v katerem je zelo tanka plast trdne kislinske spojine stisnjena med dve tesno stisnjeni elektrodi, da se zagotovi dober stik. Pri segrevanju organska komponenta izhlapi in odide skozi pore v elektrodah, pri čemer ohrani sposobnost številnih stikov med gorivom (ali kisikom na drugem koncu celice), elektrolitom in elektrodami.

riž. 9.

9. Primerjava najpomembnejših lastnosti gorivnih celic

Značilnosti gorivnih celic

Tip gorivne celice	Delovna temperatura	Učinkovitost proizvodnje električne energije	Vrsta goriva	Obseg
				Srednje in velike instalacije
			čisti vodik	instalacije
			čisti vodik	Male instalacije
			Večina ogljikovodikovih goriv	Male, srednje in velike instalacije
				Prenosni instalacije
			čisti vodik	Vesolje raziskal
			čisti vodik	Male instalacije

riž. 10.

10. Uporaba gorivnih celic v avtomobilih

riž. enajst.

riž. 12.