Gorivne celice: izlet v prihodnost. Gorivne celice: vrste in princip delovanja

Gorivne celice za pogon avtomobilov so elektrokemični pretvorniki energije, ki jo vsebuje gorivo, neposredno v električno energijo. V gorivni celici vodik-kisik je vodik podvržen reakciji "hladnega zgorevanja" s kisikom, da nastane voda in ustvari električni tok. Gorivne celice ne vsebujejo gibljivih delov, delujejo brez mehanskega trenja, z nizko stopnjo hrupa in brez škodljivih emisij.

Vsebina

Princip delovanja gorivnih celic

Gorivna celica je sestavljena iz dveh elementov (anode in katode), ločenih z elektrolitom ( glej sl. "Načelo delovanja gorivne celice tipa PEM"). Elektrolit je neprepusten za elektrone. Elektrodi sta med seboj povezani z zunanjim električnim tokokrogom.

Avtomobili večinoma uporabljajo gorivne celice s polimerno membrano kot elektrolit, imenovan tudi izmenjava protonov ( REM) (glej sl. "Struktura gorivne celice tipa PEM"). Načelo delovanja gorivnih celic je opisano spodaj na primeru elementov te vrste.

V gorivni celici PEM je vodik usmerjen na anodo, kjer se oksidira. To proizvaja ione H+ (protoni) in elektroni (glej sliko 1, a).

Anoda: 2 N 2 -» 4 N + + 4 e — .

Elektrolit si lahko predstavljamo kot protonsko prevodno polimerno membrano. Elektrolit je prepusten za protone, ne pa tudi za elektrone. Protoni H+, ki nastanejo na anodi, gredo skozi membrano in dosežejo katodo. Da lahko protoni prehajajo skozi membrano, mora biti ta dovolj navlažena. Kisik je usmerjen na katodo, kjer se reducira ( glej sl. b, "Načelo delovanja gorivne celice tipa PEM"). Redukcija nastane zaradi prehoda elektronov od anode do katode skozi zunanji električni krog.

katoda: O 2 + 4 e - -> 2 O 2- .

Na naslednji stopnji reakcije so ioni O 2- reagirajo s protoni in tvorijo vodo.

katoda: 4 H + + 2 O 2- -> 2 H 2 O .

Kot rezultat splošne reakcije, ki poteka v gorivni celici, nastane voda iz vodika in kisika ( glej sl. c, "Načelo delovanja gorivne celice tipa PEM"). Za razliko od reakcije detonacijskega plina, pri kateri vodik in kisik eksplozivno reagirata drug z drugim, tukaj reakcija poteka v obliki "hladnega zgorevanja", saj reakcijski stopnji potekata ločeno na anodi in katodi.

Splošna reakcija: 2 H 2 + O 2 -> 2 H 2 O .

Zgoraj opisane reakcije potekajo na prevlekah katalitskih elektrod. Kot katalizator se največkrat uporablja platina.

Teoretična napetost enega elementa

Teoretična napetost ene gorivne celice vodik-kisik pri 25 °C je 1,23 V. Ta vrednost izhaja iz standardnih elektrodnih potencialov. Vendar v praksi med delovanjem elementa ta napetost ni dosežena; je 0,5-1,0 V. Izgubo napetosti je mogoče pojasniti z notranjim uporom elementa ali omejitvami, ki jih nalaga difuzija plinov ( glej sl. "Električne značilnosti gorivne celice"). V bistvu je napetost odvisna od temperature, stehiometričnega razmerja vodika in kisika do količine proizvedene električne energije, parcialnega tlaka vodika in kisika ter gostote toka.

Avtomobili uporabljajo baterije na gorivne celice z zmogljivostjo od 5 do 100 kW. Za pridobitev visokih napetosti, ki so potrebne za tehnično uporabo celic, so celice zaporedno povezane v baterije (glej sliko 4 "Zgradba sklada gorivnih celic"). Baterije lahko vsebujejo od 40 do 450 celic, tj. njihova največja delovna napetost se giblje od 40 do 450 V.

Visoke vrednosti električnega toka so dosežene zaradi ustrezne površine membrane. Izhodni tok baterij gorivnih celic za avtomobile doseže 500 A.

Načelo delovanja sistema gorivnih celic

Za uporabo sklada gorivnih celic so potrebni podsistemi za dovod vodika in kisika ( glejte sliko 5 "Električni pogon s sistemom gorivnih celic"). Načeloma lahko te sisteme implementira večina različne poti. Tukaj opisana možnost se uporablja v mnogih primerih.

Sistem za oskrbo z vodikom za gorivne celice

Zaloga vodika je shranjena v visokotlačni jeklenki (700 barov). Z reduktorjem se tlak vodika zniža na približno 10 barov in vodik vstopi v plinski injektor.

Injektor je elektromagnetni ventil, ki nastavi tlak vodika na strani anode. Za razliko od injektorji goriva Pri motorjih z notranjim izgorevanjem mora injektor vodika zagotavljati stalen masni pretok. Tipična vrednost porabe vodika pri moči 100 kW je 2,1 g/s. Največji tlak vodika je 2,5 bara.

Delovanje sklada gorivnih celic zahteva stalen pretok vodika na strani anode (merilo homogenizacije). V ta namen je v sistemu organizirana recirkulacija vodika.

Tuji plini, ki poškodujejo anodo, se na strani anode nenehno odstranjujejo skozi elektromagnetni izpustni ventil. S tem preprečimo kopičenje tujih plinov, ki uhajajo iz jeklenke, ali difuzijskih plinov (dušik, vodna para) s strani katode. Ventil je nameščen na izhodu baterije, na strani anode. Za odvajanje odvečne vode na anodni poti se uporablja ventil, ki je odprt pri ničelnem električnem toku.

Vodik, ki neizogibno uhaja med odvajanjem, je močno razredčen z zrakom ali katalitično pretvorjen v vodo.

Oskrba gorivnih celic s kisikom

Kisik, potreben za elektrokemično reakcijo, jemljemo iz okoliškega zraka. Potreben masni pretok kisika do 100 g/s, odvisno od zahtevane moči baterije, zagotavlja kompresor. Kisik se stisne s kompresorjem na največ 2,5 bara in se dovaja na katodno stran gorivne celice. Tlak v gorivni celici uravnava dinamični ventil za regulacijo tlaka, ki je nameščen v poti izpušnih plinov na izstopu iz gorivne celice.

Da bi zagotovili zadostno vlaženje polimerne membrane, se zrak, ki se dovaja v element, vlaži z dodatno membrano ali z vbrizgavanjem kondenzirane vode.

Toplotna bilanca gorivnih celic

Električna učinkovitost gorivne celice predstavljajo približno 50 %. Z drugimi besedami, proces kemične pretvorbe energije ustvari približno enako količino toplotne energije kot količina električne energije. To toploto je treba odvajati. Delovna temperatura gorivnih celic PEM je približno 85 °C, kar je nižje od temperature motorjev z notranjim zgorevanjem. Kljub večjemu izkoristku je treba pri uporabi gorivnih celic v vozilu povečati hladilnik in ventilator hladilnika.

Ker je uporabljeno hladilno sredstvo v neposrednem stiku z gorivnimi celicami, mora biti električno neprevodno (deionizirano). Kroženje hladilne tekočine zagotavlja električna črpalka. Pretok hladilne tekočine je do 12.000 l/h. Ventil za regulacijo temperature porazdeli pretok hladilne tekočine med radiatorjem in obvodnim prehodom.

Sistem uporablja hladilno tekočino, ki je mešanica deionizirane vode in etilenglikola. Hladilna tekočina mora biti na vozilu deionizirana. V ta namen gre skozi ionski izmenjevalec, napolnjen s posebno smolo, in prečiščen s postopkom, ki odstranjuje ione. Prevodnost hladilne tekočine mora biti manjša od 5 µS/cm.

Učinkovitost sistema gorivnih celic

Poleg zagotavljanja, da je sklop gorivnih celic hitro pripravljen za dobavo energije v najbolj optimalnih delovnih pogojih, je pomembno zagotoviti visoko učinkovitost. sistemi.

Vklopljeno riž. "Učinkovitost sklopa gorivnih celic in sistema gorivnih celic" podana je primerjava učinkovitosti. učinkovite baterije na gorivne celice celoten sistem. Nekaj električne energije porabijo pomožne komponente, kot je kompresor, kar zmanjša splošno učinkovitost. sistemi. Vendar pa imajo sistemi gorivnih celic večjo učinkovitost kot motorji z notranjim zgorevanjem, zlasti pri delovanju v območju delne obremenitve.

Varnost gorivnih celic v vozilu

Za zagotavljanje varnosti je vozilo opremljeno z več senzorji koncentracije vodika. Vodik je plin brez barve in vonja, ki pri prostorninski koncentraciji okoli 4 % spremeni zrak v vnetljivo zmes. Senzorji lahko zaznajo koncentracijo vodika od 1 % dalje.

Princip delovanja vozil na gorivne celice

Vozila na gorivne celice so električna vozila, pri katerih elektriko za pogon električnega pogona proizvaja sistem gorivnih celic.

Iz več razlogov je priporočljivo, da v sistem vključite pogonsko baterijo:

to omogoča shranjevanje energije med regenerativnim zaviranjem;
to pomaga izboljšati dinamične lastnosti pogona;
S spremembo porazdelitve obremenitve med sistemom gorivnih celic in pogonsko baterijo je mogoče učinkovitost še povečati. pogon.

Ker pogonska baterija zagotavlja dodaten vir energije, so takšna vozila znana kot hibridna vozila na gorivne celice. Razmerje med močjo pogonske baterije in skupno močjo (stopnja hibridizacije) se razlikuje glede na sistemsko uporabo.

Običajno se sistemi gorivnih celic uporabljajo kot primarni vir energije za pogon. Ta vozila so znana kot hibridna vozila na gorivne celice ( FCHV). Običajno imajo sistemi gorivnih celic moč od 60 do 100 kW. Trakcijske baterije imajo nazivno moč do 30 kW s kapaciteto 1-2 kWh.

Druga možnost je, da ima pogonska baterija bistveno višjo moč in zmogljivost ter se po potrebi polni iz sistema gorivnih celic. V tem primeru zadošča baterija gorivnih celic z nazivno močjo od 10 do 30 kW. Vozila s to konfiguracijo vira energije so znana kot vozila s podaljšanim dosegom na gorivne celice ( FC-REX).

Porazdelitev električne energije med sistemom gorivnih celic, pogonsko baterijo in električnim pogonom se izvaja z enim ali več DC-DC pretvorniki. Različne konfiguracije takih pretvornikov, katerih izbira je odvisna od aplikacije, so prikazane v riž. ". Konfiguracije pretvornika napetosti v pogonskih sistemih gorivnih celic". Odvisno od konfiguracije je napajalna napetost pogona enaka napetosti enega od obeh virov napajanja ( glej sl. A in b), ali izoliran od napetosti pogonskega akumulatorja in akumulatorja gorivnih celic ( glej sl. z).

Električni pogonski sistem

Električni pogonski sistem vključuje močnostno elektronsko enoto (pretvornik) in elektromotor. Elektromotor je sinhroni ali asinhroni električni stroj, ki ga napaja pretvornik tako, da pridobi zahtevani vrtilni moment. Ker ima električni pogon visoko nazivno moč (približno 100 kW), lahko delovna napetost znaša tudi do 450 V. V avtomobilski industriji se uporabljata izraza "visoka napetost" in "visokonapetostni električni sistem". Visokonapetostni električni sistem je izoliran od ozemljitve vozila.

Ko avto zavira, elektromotor preklopi v generatorski način in ustvarja električni tok. Električna energija je shranjena v pogonski bateriji.

S pomočjo pretvornika se visoka enosmerna napetost pretvori v polifazno izmenično napetost, katere amplituda se prilagaja glede na zahtevani navor. Praviloma so pretvorniki z izhodnimi stopnjami na osnovi bipolarnih tranzistorjev z izoliranimi vrati ( IGBT).

Trakcijski akumulator

Odvisno od stopnje hibridizacije se uporabljajo visokozmogljive ali visokoenergijske baterije z napetostjo od 150 do 400 V. Visoko zmogljiva baterija uporablja nikelj-metal-hidridne ali litij-ionske baterije, medtem ko visokoenergijske baterije samo litijeve -ionske baterije. Sistem za spremljanje pogonske baterije spremlja stanje napolnjenosti in zmogljivost baterije.

DC/DC pretvornik za pogonsko baterijo

Pretvornik enosmerne napetosti pogonskega akumulatorja uravnava polnilni tok pogonskega akumulatorja in izhodni tok (do 300 A ) . Nekatere sistemske konfiguracije omogočajo uporabo tega pretvornika.

Pretvornik enosmerne napetosti baterije gorivne celice

Drug pretvornik DC-DC je pretvornik napetosti baterije gorivne celice, ki regulira izhodni tok do 500 A. Nekatere sistemske konfiguracije ne potrebujejo tega pretvornika.

12V DC pretvornik

Tako kot običajna vozila imajo vozila na gorivne celice električni sistem 12 V. Napetost 12 V se pretvori iz visoke napetosti. V ta namen se uporablja DC-DC pretvornik, povezan med obema sistemoma. Iz varnostnih razlogov je ta pretvornik električno izoliran. Deluje enosmerno ali dvosmerno in ima nazivno moč do 3 kW.

Obeti za pogonske sisteme z gorivnimi celicami

Pogonski sistemi na gorivne celice so že dokazali svojo primernost v vsakodnevni uporabi. Za komercialno uporabo v avtomobilskih pogonskih sistemih pa je treba gorivne celice izboljšati v smislu učinkovitosti in izvedljivosti množične proizvodnje.

Posledica poenostavitve sistema so nižji stroški in povečana zanesljivost. Ena od smeri je razvoj novih polimernih membran za gorivne celice, ki ne zahtevajo vlaženja plinov, ki nastanejo med reakcijo, hkrati pa omogočajo zvišanje delovne temperature.

Poleg tega je treba znatno znižati stroške vseh komponent. V zvezi s tem obstaja velik potencial za zmanjšanje količine platine v katalitičnem sloju gorivne celice.

V naslednjem članku bom govoril o .

ZDA imajo več pobud, namenjenih razvoju vodikovih gorivnih celic, infrastrukture in tehnologije, da bi do leta 2020 vozila na gorivne celice postala praktična in učinkovita. V te namene je bilo namenjenih več kot milijardo dolarjev.

Gorivne celice proizvajajo elektriko tiho in učinkovito, brez onesnaževanja okolju. Za razliko od virov energije, ki uporabljajo fosilna goriva, sta stranska produkta gorivnih celic toplota in voda. Kako deluje?

V tem članku si bomo na kratko ogledali vsako od obstoječih tehnologij goriva danes, govorili pa bomo tudi o zasnovi in delovanju gorivnih celic ter jih primerjali z drugimi oblikami proizvodnje energije. Razpravljali bomo tudi o nekaterih ovirah, s katerimi se soočajo raziskovalci pri ustvarjanju gorivnih celic praktičnih in cenovno dostopnih za potrošnike.

Gorivne celice so naprave za elektrokemično pretvorbo energije. Gorivna celica pretvarja kemikalije, vodik in kisik, v vodo in pri tem proizvaja elektriko.

Druga elektrokemična naprava, ki jo vsi dobro poznamo, je baterija. Baterija ima v sebi vse potrebne kemične elemente in te snovi pretvarja v elektriko. To pomeni, da se baterija sčasoma izprazni in jo zavržete ali pa jo znova napolnite.

V gorivne celice se vanjo nenehno dovajajo kemikalije, tako da nikoli ne "umrejo". Elektrika se bo proizvajala, dokler bo dobavljena kemične snovi do elementa. Večina gorivnih celic, ki so danes v uporabi, uporablja vodik in kisik.

Vodik je najpogostejši element v naši Galaksiji. Vendar pa vodik na Zemlji praktično ne obstaja v svoji elementarni obliki. Inženirji in znanstveniki morajo pridobivati čisti vodik iz vodikovih spojin, vključno s fosilnimi gorivi ali vodo. Za pridobivanje vodika iz teh spojin morate porabiti energijo v obliki toplote ali elektrike.

Izum gorivnih celic

Sir William Grove je leta 1839 izumil prvo gorivno celico. Grove je vedel, da je vodo mogoče razdeliti na vodik in kisik, če skozi njo spustimo električni tok (proces, imenovan elektroliza). Predlagal je, da bi bilo v obratnem vrstnem redu mogoče pridobiti elektriko in vodo. Ustvaril je primitivno gorivno celico in jo poimenoval plinska galvanska baterija. Po eksperimentiranju s svojim novim izumom je Grove dokazal svojo hipotezo. Petdeset let pozneje sta znanstvenika Ludwig Mond in Charles Langer skovala izraz gorivne celice ko poskuša zgraditi praktičen model za proizvodnjo električne energije.

Gorivna celica bo tekmovala s številnimi drugimi napravami za pretvorbo energije, vključno s plinskimi turbinami v mestnih elektrarnah, motorji z notranjim izgorevanjem v avtomobilih in vsemi vrstami baterij. Motorji z notranjim zgorevanjem, tako kot plinske turbine, kurijo različne vrste goriva in uporabljajo tlak, ki nastane zaradi ekspanzije plinov, da delujejo mehansko delo. Baterije pretvarjajo kemično energijo v električna energija, kadar je to potrebno. Gorivne celice morajo te naloge opravljati učinkoviteje.

Gorivna celica zagotavlja DC (enosmerni tok) napetost, ki se lahko uporablja za napajanje električnih motorjev, luči in drugih električnih naprav.

Obstaja več različnih vrst gorivnih celic, od katerih vsaka uporablja različne kemične procese. Gorivne celice so običajno razvrščene glede na njihovo delovna temperatura in vrstaelektrolit, ki jih uporabljajo. Nekatere vrste gorivnih celic so zelo primerne za uporabo v stacionarnih elektrarnah. Drugi so lahko uporabni za majhne prenosne naprave ali za napajanje avtomobilov. Glavne vrste gorivnih celic vključujejo:

Gorivna celica z membrano za izmenjavo polimerov (PEMFC)

PEMFC velja za najverjetnejšega kandidata za transportne aplikacije. PEMFC ima visoko moč in relativno nizko delovno temperaturo (od 60 do 80 stopinj Celzija). Nizke delovne temperature pomenijo, da se lahko gorivne celice hitro segrejejo in začnejo proizvajati elektriko.

Trdne oksidne gorivne celice (SOFC)

Te gorivne celice so najbolj primerne za velike stacionarne generatorje energije, ki bi lahko napajali tovarne ali mesta. Ta vrsta gorivnih celic deluje pri zelo visoke temperature(700 do 1000 stopinj Celzija). Visoka temperatura predstavlja problem zanesljivosti, ker lahko nekatere gorivne celice odpovejo po nekaj ciklih vklopa in izklopa. Vendar so gorivne celice s trdnim oksidom med neprekinjenim delovanjem zelo stabilne. Pravzaprav so SOFC pod določenimi pogoji dokazali najdaljšo življenjsko dobo vseh gorivnih celic. Visoka temperatura ima tudi prednost, da se para, ki jo proizvajajo gorivne celice, lahko pošlje v turbine in proizvede več električne energije. Ta proces se imenuje soproizvodnja toplote in električne energije in izboljša splošno učinkovitost sistema.

Alkalne gorivne celice (AFC)

Je ena najstarejših zasnov gorivnih celic, ki se uporablja že od šestdesetih let prejšnjega stoletja. AFC so zelo dovzetni za kontaminacijo, saj potrebujejo čisti vodik in kisik. Poleg tega so zelo drage, zato te vrste gorivnih celic verjetno ne bodo dali v množično proizvodnjo.

Staljene karbonatne gorivne celice (MCFC)

Tako kot SOFC so tudi te gorivne celice najbolj primerne za velike stacionarne elektrarne in generatorje. Delujejo pri 600 stopinjah Celzija, tako da lahko proizvajajo paro, ki jo je mogoče uporabiti za ustvarjanje še več energije. Imajo nižjo delovno temperaturo kot gorivne celice s trdnim oksidom, kar pomeni, da ne potrebujejo tako toplotno odpornih materialov. Zaradi tega so nekoliko cenejši.

Gorivna celica s fosforno kislino (PAFC)

Gorivna celica s fosforno kislino ima potencial za uporabo v majhnih stacionarnih elektroenergetskih sistemih. Deluje pri višji temperaturi kot gorivne celice z membrano za izmenjavo polimerov, zato traja dlje, da se segreje, zaradi česar ni primeren za uporabo v avtomobilih.

Gorivne celice z direktnim metanolom (DMFC)

Gorivne celice na metanol so po delovni temperaturi primerljive s PEMFC, vendar niso tako učinkovite. Poleg tega DMFC zahtevajo precej velika količina platina deluje kot katalizator, zaradi česar so te gorivne celice drage.

Gorivna celica z membrano za izmenjavo polimerov

Polymer exchange membrane fuel cell (PEMFC) je ena najbolj obetavnih tehnologij gorivnih celic. PEMFC uporablja eno najpreprostejših reakcij vseh gorivnih celic. Poglejmo, iz česa je sestavljen.

1. A vozlišče – negativni pol gorivne celice. Prevaja elektrone, ki se sprostijo iz vodikovih molekul, nato pa jih je mogoče uporabiti v zunanjem vezju. Ima vgravirane kanale, skozi katere se vodikov plin enakomerno porazdeli po površini katalizatorja.

2.TO atoda - pozitivni terminal gorivne celice, ima tudi kanale za distribucijo kisika po površini katalizatorja. Prav tako vodi elektrone nazaj iz zunanjega tokokroga katalizatorja, kjer se lahko združijo z vodikovimi in kisikovimi ioni, da tvorijo vodo.

3.Membrana za izmenjavo elektrolitov in protonov. To je posebej obdelan material, ki prevaja samo pozitivno nabite ione in blokira elektrone. Pri PEMFC mora biti membrana hidrirana, da lahko pravilno deluje in ostane stabilna.

4. katalizator je poseben material, ki spodbuja reakcijo kisika in vodika. Običajno je izdelan iz nanodelcev platine, ki so zelo tanko naneseni na karbon papir ali tkanino. Katalizator ima takšno površinsko strukturo, da je največja površina platine lahko izpostavljena vodiku ali kisiku.

Slika prikazuje vodikov plin (H2), ki vstopa v gorivno celico pod tlakom s strani anode. Ko pride molekula H2 v stik s platino na katalizatorju, se razcepi na dva iona H+ in dva elektrona. Elektroni gredo skozi anodo, kjer se uporabljajo v zunanjem vezju (opravljajo koristno delo, kot je vrtenje motorja) in se vrnejo na katodno stran gorivne celice.

Medtem na katodni strani gorivne celice prehaja kisik (O2) iz zraka skozi katalizator, kjer tvori dva atoma kisika. Vsak od teh atomov ima močno negativni naboj. Ta negativni naboj pritegne dva iona H+ čez membrano, kjer se združita z atomom kisika in dvema elektronoma, ki prihajata iz zunanjega tokokroga, da tvorita molekulo vode (H2O).

Ta reakcija v eni sami gorivni celici proizvede le približno 0,7 voltov. Za dvig napetosti na razumno raven je treba združiti veliko posameznih gorivnih celic, da tvorijo sklad gorivnih celic. Bipolarne plošče se uporabljajo za povezavo ene gorivne celice z drugo in so podvržene oksidaciji za zmanjšanje potenciala. Velika težava bipolarnih plošč je njihova stabilnost. Kovinske bipolarne plošče so lahko korodirane, stranski produkti (železovi in kromovi ioni) pa zmanjšajo učinkovitost membran in elektrod gorivnih celic. Zato nizkotemperaturne gorivne celice uporabljajo lahke kovine, grafit in kompozite ogljika in duroplasta (duroplast je neke vrste plastika, ki ostane trdna tudi, ko je izpostavljena visokim temperaturam) v obliki bipolarne pločevine.

Učinkovitost gorivnih celic

Zmanjšanje onesnaževanja je eden glavnih ciljev gorivnih celic. Če primerjate avtomobil, ki ga poganja gorivna celica, z avtomobilom, ki ga poganja bencinski motor, in avtomobilom, ki ga poganja baterija, lahko vidite, kako bi lahko gorivne celice izboljšale učinkovitost avtomobilov.

Ker imajo vse tri vrste avtomobilov veliko enakih komponent, bomo ta del avtomobila zanemarili in primerjali uporabna dejanja do točke, kjer se proizvaja mehanska energija. Začnimo z avtomobilom na gorivne celice.

Če gorivno celico poganja čisti vodik, je lahko njen izkoristek do 80 odstotkov. Tako pretvori 80 odstotkov energijske vsebnosti vodika v elektriko. Še vedno pa moramo električno energijo pretvoriti v mehansko delo. To dosežemo z elektromotorjem in inverterjem. Tudi izkoristek motor + inverter je približno 80 odstotkov. To daje skupni izkoristek približno 80*80/100=64 odstotkov. Hondino konceptno vozilo FCX naj bi imelo 60-odstotno energetsko učinkovitost.

Če vir goriva ni v obliki čistega vodika, bo vozilo potrebovalo tudi reformer. Reformatorji pretvorijo ogljikovodikova ali alkoholna goriva v vodik. Proizvajajo toploto in poleg vodika proizvajajo CO in CO2. Za čiščenje nastalega vodika uporabljajo različne naprave, vendar je to čiščenje nezadostno in zmanjšuje učinkovitost gorivne celice. Zato so se raziskovalci odločili, da se osredotočijo na gorivne celice Vozilo, ki deluje na čisti vodik, kljub izzivom, povezanim s proizvodnjo in shranjevanjem vodika.

Učinkovitost bencinskega motorja in baterijsko-električnega vozila

Učinkovitost avtomobila na bencin je presenetljivo nizka. Vsa toplota, ki jo radiator porabi ali absorbira, je izgubljena energija. Motor porabi veliko energije tudi za pogon različnih črpalk, ventilatorjev in generatorjev, ki ga ohranjajo v delovanju. Tako je skupni izkoristek bencinskega avtomobilskega motorja približno 20 odstotkov. Tako se le približno 20 odstotkov vsebnosti toplotne energije bencina pretvori v mehansko delo.

Električno vozilo na baterijski pogon ima precej visoko učinkovitost. Baterija je približno 90-odstotno učinkovita (večina baterij proizvaja nekaj toplote ali potrebuje ogrevanje), motor + inverter pa je približno 80-odstotno učinkovit. To daje skupni izkoristek približno 72 odstotkov.

A to še ni vse. Da se električni avto lahko premika, mora najprej nekje proizvesti elektriko. Če bi šlo za elektrarno, ki bi uporabljala proces zgorevanja fosilnih goriv (namesto jedrske, hidroelektrarne, sončne ali vetrne energije), potem bi le približno 40 odstotkov goriva, ki ga porabi elektrarna, pretvorili v električno energijo. Poleg tega postopek polnjenja avtomobila zahteva pretvorbo izmeničnega toka (AC) v enosmerni tok (DC). Ta postopek ima približno 90-odstotno učinkovitost.

Zdaj, če pogledamo celoten cikel, je učinkovitost električnega vozila 72 odstotkov za samo vozilo, 40 odstotkov za elektrarno in 90 odstotkov za polnjenje vozila. To daje skupno učinkovitost 26 odstotkov. Celotna učinkovitost se močno razlikuje glede na to, katera elektrarna se uporablja za polnjenje baterije. Če elektriko avtomobila proizvaja na primer hidroelektrarna, bo izkoristek električnega avtomobila približno 65-odstoten.

Znanstveniki raziskujejo in izboljšujejo modele, da bi še naprej izboljševali učinkovitost gorivnih celic. Eden od novih pristopov bi bila kombinacija vozil na gorivne celice in baterij. V razvoju je konceptno vozilo, ki ga poganja hibridni pogonski sklop, ki ga poganja gorivna celica. Za napajanje avtomobila uporablja litijevo baterijo, medtem ko gorivna celica polni baterijo.

Vozila na gorivne celice so potencialno enako učinkovita kot avtomobil na baterijski pogon, ki se polni iz elektrarne, ki ne uporablja fosilnih goriv. Toda doseganje takšnega potenciala je praktično in praktično na dostopen način se lahko izkaže za težko.

Zakaj uporabljati gorivne celice?

Glavni razlog je vse, kar je povezano z nafto. Amerika mora uvoziti skoraj 60 odstotkov svoje nafte. Do leta 2025 naj bi se uvoz povečal na 68 %. Američani dnevno porabijo dve tretjini nafte za transport. Tudi če bi bil vsak avto na ulici hibridni avtomobil, bi morale ZDA do leta 2025 še vedno porabiti enako količino nafte, kot so jo Američani porabili leta 2000. Pravzaprav Amerika porabi četrtino vse svetovne nafte, čeprav tu živi le 4,6 % svetovnega prebivalstva.

Strokovnjaki pričakujejo, da bodo cene nafte v naslednjih nekaj desetletjih še naprej rasle, saj bo cenejših virov vse manj. Naftne družbe mora razvijati naftna polja v vedno težjih razmerah, kar bo povečalo cene nafte.

Zaskrbljenost sega daleč preko ekonomske varnosti. Veliko denarja, ki prihaja od prodaje nafte, se porabi za podporo mednarodnemu terorizmu, radikalnemu politične stranke, nestabilne razmere v regijah, ki proizvajajo nafto.

Uporaba nafte in drugih fosilnih goriv za pridobivanje energije povzroča onesnaženje. Za vse je najbolje, da najdejo alternativo izgorevanju fosilnih goriv za pridobivanje energije.

Gorivne celice so privlačna alternativa odvisnosti od nafte. Gorivne celice namesto onesnaževanja proizvajajo čisto vodo kot stranski produkt. Medtem ko so se inženirji začasno osredotočili na proizvodnjo vodika iz različnih fosilnih virov, kot sta bencin ali zemeljski plin, se raziskujejo obnovljivi, okolju prijazni načini za proizvodnjo vodika v prihodnosti. Najbolj obetaven bo seveda proces pridobivanja vodika iz vode

Odvisnost od olja in globalno segrevanje- mednarodni problem. Več držav je skupaj vključenih v spodbujanje raziskav in razvoja tehnologije gorivnih celic.

Jasno je, da znanstvenike in proizvajalce čaka še veliko dela, preden gorivne celice postanejo alternativa sodobne metode proizvodnja energije. Vendar pa bi lahko s podporo po vsem svetu in globalnim sodelovanjem izvedljiv energetski sistem na gorivne celice postal resničnost v samo nekaj desetletjih.

Prednosti gorivnih celic/celic

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

Gorivna celica je podobna bateriji, saj proizvaja enosmerni tok s kemično reakcijo. Gorivna celica vključuje anodo, katodo in elektrolit. Vendar pa v nasprotju z baterijami gorivne celice ne morejo shranjevati električne energije in se ne praznijo ali potrebujejo elektrike za ponovno polnjenje. Gorivne celice/celice lahko neprekinjeno proizvajajo elektriko, dokler imajo dovod goriva in zraka.

Za razliko od drugih generatorjev energije, kot so motorji z notranjim zgorevanjem ali turbine na plin, premog, kurilno olje itd., gorivne celice/celice ne zgorevajo goriva. To pomeni brez hrupnih visokotlačnih rotorjev, brez glasnega hrupa izpušnih plinov in brez vibracij. Gorivne celice proizvajajo elektriko s tiho elektrokemično reakcijo. Druga lastnost gorivnih celic/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. Edini emisijski produkt med delovanjem je voda v obliki pare in manjša količina ogljikov dioksid, ki se sploh ne sprosti, če kot gorivo uporabimo čisti vodik. Gorivni elementi/celice se sestavljajo v sklope in nato v posamezne funkcionalne module.

Zgodovina razvoja gorivnih celic/celic

V 50. in 60. letih prejšnjega stoletja je eden najbolj perečih izzivov za gorivne celice nastal zaradi potrebe Nacionalne uprave za letalstvo in vesolje (NASA) po virih energije za dolgotrajne vesoljske misije. Nasina alkalna gorivna celica uporablja vodik in kisik kot gorivo, tako da oba kemična elementa združita v elektrokemični reakciji. Rezultat so trije uporabni stranski produkti reakcije v vesoljskem poletu - elektrika za napajanje vesoljskega plovila, voda za pitje in hladilne sisteme ter toplota za ogrevanje astronavtov.

Odkritje gorivnih celic sega v začetek 19. stoletja. Prvi dokaz o učinku gorivnih celic je bil pridobljen leta 1838.

V poznih tridesetih letih prejšnjega stoletja so se začela dela na gorivnih celicah z alkalnim elektrolitom in do leta 1939 je bila izdelana celica z visokotlačnimi ponikljanimi elektrodami. Med drugo svetovno vojno so bile razvite gorivne celice za podmornice britanske mornarice in leta 1958 je bil predstavljen gorivni sklop, sestavljen iz alkalnih gorivnih celic/celic s premerom nekaj več kot 25 cm.

Zanimanje se je povečalo v 50. in 60. letih prejšnjega stoletja ter tudi v 80. letih prejšnjega stoletja, ko je industrijski svet občutil pomanjkanje naftnih goriv. V istem obdobju so tudi svetovne države postale zaskrbljene nad problemom onesnaženosti zraka in razmišljale o načinih pridobivanja električne energije na okolju prijazen način. Tehnologija gorivnih celic se trenutno hitro razvija.

Princip delovanja gorivnih celic/celic

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

Anoda in katoda sta ločeni z elektrolitom, ki prevaja protone. Ko pride vodik do anode in kisik do katode, kemijska reakcija, zaradi česar nastajajo električni tok, toplota in voda.

Na anodnem katalizatorju molekularni vodik disociira in izgublja elektrone. Vodikovi ioni (protoni) se vodijo skozi elektrolit do katode, medtem ko elektroni prehajajo skozi elektrolit in potujejo skozi zunanji električni tokokrog, 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:

Reakcija na anodi: 2H 2 => 4H+ + 4e -
Reakcija na katodi: O 2 + 4H+ + 4e - => 2H 2 O
Splošna reakcija elementa: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Vrste in vrste gorivnih elementov/celic

Tako kot obstajajo različne vrste motorjev z notranjim zgorevanjem, obstajajo tudi različne vrste gorivnih celic – izbira prave 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.

Gorivne celice/celice iz staljenega karbonata (MCFC)

Gorivne celice s staljenim karbonatnim elektrolitom so visokotemperaturne gorivne celice. Visoka delovna temperatura omogoča neposredno uporabo zemeljskega plina brez procesorja goriva in kurilnega plina z nizko kalorično vrednostjo goriva proizvodnih procesov in iz drugih virov.

Delovanje RCFC se razlikuje 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 visoka stopnja Zaradi mobilnosti ionov v elektrolitu pride do delovanja gorivnih celic 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 (CO 3 2-). 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.

Reakcija na anodi: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Reakcija na katodi: CO 2 + 1/2O 2 + 2e - => CO 3 2-
Splošna reakcija elementa: H 2 (g) + 1/2O 2 (g) + CO 2 (katoda) => H 2 O (g) + CO 2 (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 gradbenih materialov, kot so plošče 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 zahteva precej časa za doseganje optimalnih delovnih pogojev, sistem pa se počasneje odziva na spremembe v porabi energije. Te značilnosti omogočajo uporabo instalacij gorivnih celic s staljenim karbonatnim elektrolitom v pogojih konstantne moči. Visoke temperature preprečujejo, da bi ogljikov monoksid poškodoval gorivno celico.

Gorivne celice s staljenim karbonatnim elektrolitom so primerne za uporabo v velikih stacionarnih napravah. Komercialno se proizvajajo termoelektrarne z električno izhodno močjo 3,0 MW. Razvijajo se naprave z izhodno močjo do 110 MW.

Gorivne celice s fosforno kislino (PAFC)

Gorivne celice s fosforno (ortofosforno) kislino so bile prve gorivne celice za komercialno uporabo.

Gorivne celice na fosforno (ortofosforno) kislino uporabljajo elektrolit na osnovi ortofosforne kisline (H 3 PO 4) 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, v kateri se vodik, doveden na anodo, razdeli na protone in elektrone. Protoni potujejo skozi elektrolit in se na katodi združijo s kisikom iz zraka ter tvorijo vodo. Elektroni se pošljejo skozi zunanji električni tokokrog in tako ustvarijo električni tok. Spodaj so reakcije, ki ustvarjajo električni tok in toploto.

Reakcija na anodi: 2H 2 => 4H + + 4e -
Reakcija na katodi: O 2 (g) + 4H + + 4e - => 2 H 2 O
Splošna reakcija elementa: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

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 pod atmosferskim tlakom.

Visoka zmogljivost termoelektrarn, ki uporabljajo gorivne celice na osnovi fosforne (ortofosforne) kisline pri sočasni proizvodnji toplotne in električne energije, je ena od prednosti tovrstnih gorivnih celic. Enote uporabljajo ogljikov monoksid s koncentracijo približno 1,5%, kar bistveno razširi izbiro goriva. Poleg tega CO 2 ne vpliva na elektrolit in delovanje gorivne celice, ta vrsta celice deluje na reformirano naravno gorivo. Enostavna zasnova, nizka stopnja hlapnosti elektrolita in povečana stabilnost so tudi prednosti te vrste gorivnih celic.

Komercialno se proizvajajo termoelektrarne z električno izhodno močjo do 500 kW. Naprave z močjo 11 MW so opravile ustrezne teste. Razvijajo se naprave z izhodno močjo do 100 MW.

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 predhodne obdelave. Za obvladovanje tako visokih temperatur je uporabljen elektrolit tanek trden kovinski oksid na keramični osnovi, pogosto zlitina itrija in cirkonija, ki je prevodnik kisikovih ionov (O2-).

Trdni elektrolit zagotavlja zaprt prehod plina iz ene elektrode v drugo, medtem ko se tekoči elektroliti nahajajo v poroznem substratu. Nosilec naboja v tovrstnih gorivnih celicah je kisikov ion (O 2-). Na katodi se molekule kisika iz zraka ločijo na kisikov ion in štiri elektrone. Kisikovi ioni prehajajo skozi elektrolit in se združijo z vodikom ter ustvarijo štiri proste elektrone. Elektroni se pošljejo skozi zunanji električni tokokrog, ki ustvarja električni tok in odpadno toploto.

Reakcija na anodi: 2H 2 + 2O 2- => 2H 2 O + 4e -
Reakcija na katodi: O 2 + 4e - => 2O 2-
Splošna reakcija elementa: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Izkoristek proizvedene električne energije je najvišji od vseh gorivnih celic - okoli 60-70%. Visoke delovne temperature omogočajo kombinirano proizvodnjo toplotne in električne energije za ustvarjanje visokotlačne pare. Kombinacija visokotemperaturne gorivne celice s turbino omogoča ustvarjanje hibridne gorivne celice za povečanje učinkovitosti proizvodnje električne energije do 75 %.

Gorivne celice s trdnim oksidom delujejo pri zelo visokih temperaturah (600 °C–1000 °C), kar ima za posledico veliko časa za doseganje optimalnih delovnih pogojev in počasnejši odziv sistema na spremembe v porabi energije. Pri tako visokih delovnih temperaturah ni potreben noben pretvornik za pridobivanje vodika iz goriva, kar omogoča termoelektrarni, da deluje z relativno nečistimi gorivi, ki so posledica uplinjanja premoga ali odpadnih plinov itd. Gorivna celica je odlična tudi za aplikacije z visoko močjo, vključno z industrijskimi in velikimi centralnimi elektrarnami. Komercialno se proizvajajo moduli z električno izhodno močjo 100 kW.

Gorivne celice/celice z direktno oksidacijo metanola (DOMFC)

Tehnologija uporabe gorivnih celic z direktno oksidacijo metanola je v obdobju aktivnega razvoja. Uspešno se je izkazal na področju napajanja mobilnih telefonov, prenosnih računalnikov, pa tudi za ustvarjanje prenosnih napajalnikov. Temu je namenjena prihodnja uporaba teh elementov.

Zasnova gorivnih celic z direktno oksidacijo metanola je podobna gorivnim celicam z membrano za izmenjavo protonov (MEPFC), t.j. Kot elektrolit se uporablja polimer, kot nosilec naboja pa vodikov ion (proton). Vendar tekoči metanol (CH 3 OH) oksidira v prisotnosti vode na anodi, pri čemer se sprostijo CO 2, vodikovi ioni in elektroni, ki se pošljejo skozi zunanji električni tokokrog, pri čemer se ustvari električni tok. Vodikovi ioni prehajajo skozi elektrolit in reagirajo s kisikom iz zraka ter elektroni iz zunanjega tokokroga, da tvorijo vodo na anodi.

Reakcija na anodi: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Reakcija na katodi: 3/2O 2 + 6 H + + 6e - => 3H 2 O
Splošna reakcija elementa: CH 3 OH + 3/2O 2 => CO 2 + 2H 2 O

Prednost te vrste gorivnih celic je njihova majhnost zaradi uporabe tekočega goriva in odsotnost potrebe po uporabi pretvornika.

Alkalne gorivne celice/celice (ALFC)

Alkalne gorivne celice so ene najučinkovitejših celic, 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 SHTE je hidroksilni ion (OH -), ki se premika od katode do anode, kjer reagira z vodikom, pri čemer nastane voda in elektroni. Voda, ki nastane na anodi, se premakne nazaj na katodo in tam spet ustvari hidroksilne ione. Kot rezultat tega niza reakcij, ki potekajo v gorivni celici, nastaneta električna energija in kot stranski produkt toplota:

Reakcija na anodi: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reakcija na katodi: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4 OH -
Splošna reakcija sistema: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Prednost SHTE je, da so te gorivne celice najcenejše za proizvodnjo, 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. SFC delujejo pri razmeroma nizkih temperaturah in so med najučinkovitejšimi gorivnimi celicami – takšne lastnosti lahko posledično prispevajo k hitrejši proizvodnji električne energije in visoki učinkovitosti goriva.

Eden od značilne lastnosti SHTE – visoka občutljivost na CO 2, ki ga lahko vsebuje gorivo ali zrak. CO 2 reagira z elektrolitom, ga hitro zastrupi in močno zmanjša učinkovitost gorivne celice. Zato je uporaba SHTE omejena na zaprte prostore, kot so vesoljska in podvodna vozila, ki morajo delovati na čisti vodik in kisik. Poleg tega so molekule, kot so CO, H 2 O in CH4, ki so varne za druge gorivne celice in celo delujejo kot gorivo za nekatere izmed njih, škodljive za SHFC.

Gorivne celice s polimernim elektrolitom (PEFC)

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

Trdnokislinske gorivne celice/celice (SFC)

V trdnih kislinskih gorivnih celicah elektrolit (CsHSO 4) ne vsebuje vode. Delovna temperatura je torej 100-300°C. Vrtenje oksi anionov SO 4 2- omogoča protonom (rdeče), da se 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 elektrodi, ki sta tesno stisnjeni skupaj, da zagotovita dober stik. Pri segrevanju organska komponenta izhlapi, izstopi skozi pore v elektrodah, pri čemer ohranja sposobnost večkratnih stikov med gorivom (ali kisikom na drugem koncu elementa), elektrolitom in elektrodami.

Različni moduli gorivnih celic. Baterija na gorivne celice

Baterija na gorivne celice
Druga oprema, ki deluje pri visokih temperaturah (vgrajen generator pare, zgorevalna komora, menjalnik toplotnega ravnovesja)
Toplotno odporna izolacija

Modul gorivne celice

Primerjalna analiza vrst in vrst gorivnih celic

Inovativne energetsko učinkovite komunalne toplotne in elektrarne so običajno zgrajene na gorivnih celicah s trdnim oksidom (SOFC), gorivnih celicah s polimernim elektrolitom (PEFC), gorivnih celicah s fosforno kislino (PAFC), gorivnih celicah s protonsko izmenjevalno membrano (PEMFC) in alkalnih gorivnih celicah ( ALFC).. Običajno imajo naslednje značilnosti:

Najprimernejše je treba šteti za trdne oksidne gorivne celice (SOFC), ki:

delujejo pri višjih temperaturah, kar zmanjša potrebo po dragih plemenitih kovinah (kot je platina)
lahko dela za različne vrste ogljikovodikova goriva, predvsem zemeljski plin
imajo daljši zagonski čas in so zato bolj primerni za dolgoročno delovanje
izkazuje visoko učinkovitost proizvodnje električne energije (do 70 %)
Zaradi visokih delovnih temperatur je enote mogoče kombinirati s sistemi za prenos toplote, s čimer dosežemo skupno učinkovitost sistema do 85 %.
imajo skoraj nič emisij, delujejo tiho in imajo nizke obratovalne zahteve v primerjavi z obstoječimi tehnologijami za proizvodnjo električne energije

Tip gorivne celice	Delovna temperatura	Učinkovitost proizvodnje električne energije	Vrsta goriva	Področje uporabe
RKTE	550–700 °C	50-70%		Srednje in velike instalacije
FCTE	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
PEMFC	20-90°C	20-30%	Metanol	Prenosni
SHTE	50–200°C	40-70%	Čisti vodik	Vesoljske raziskave
PETE	30-100°C	35-50%	Čisti vodik	Male instalacije

Ker se male termoelektrarne lahko priključijo na klasično plinovodno omrežje, gorivne celice ne potrebujejo ločen sistem oskrba z vodikom. Pri uporabi malih termoelektrarn, ki temeljijo na trdnih oksidnih gorivnih celicah, se lahko proizvedena toplota integrira v toplotne izmenjevalnike za ogrevanje vode in prezračevalnega zraka, kar poveča splošno učinkovitost sistema. to inovativna tehnologija najbolj primeren za učinkovito proizvodnjo električne energije brez potrebe po dragi infrastrukturi in kompleksni integraciji instrumentov.

Uporaba gorivnih celic/celic

Uporaba gorivnih celic/celic v telekomunikacijskih sistemih

Zaradi hitrega širjenja sistemov brezžično komunikacijo Po vsem svetu in vse večjih družbeno-ekonomskih koristih tehnologije mobilnih telefonov je potreba po zanesljivi in stroškovno učinkoviti rezervni energiji postala kritična. Izgube električne energije v omrežju skozi vse leto zaradi slabih vremenskih razmer, naravnih nesreč ali omejene zmogljivosti omrežja predstavljajo stalen izziv za operaterje omrežij.

Tradicionalne telekomunikacijske rešitve za rezervno napajanje vključujejo baterije (ventilsko regulirane svinčeno-kislinske baterijske celice) za kratkoročno rezervno napajanje ter dizelske in propanske generatorje za dolgoročnejše rezervno napajanje. Baterije so razmeroma poceni vir rezervne energije za 1-2 uri. Vendar pa baterije niso primerne za dolgotrajnejše rezervno napajanje, ker jih je drago vzdrževati, po dolgih obdobjih uporabe postanejo nezanesljive, so občutljive na temperature in po odstranitvi nevarne za okolje. Dizelski in propanski generatorji lahko zagotovijo dolgoročno rezervno napajanje. Vendar so generatorji lahko nezanesljivi, zahtevajo obsežno vzdrževanje in sproščajo visoke ravni onesnaževal in toplogrednih plinov.

Za premagovanje omejitev tradicionalnih rešitev za rezervno napajanje je bila razvita inovativna zelena tehnologija gorivnih celic. Gorivne celice so zanesljive, tihe, vsebujejo manj gibljivih delov kot generator, imajo širši temperaturni razpon delovanja kot baterija: od -40°C do +50°C in posledično zagotavljajo izjemno visoke stopnje prihranka energije. Poleg tega so stroški življenjske dobe takšne napeljave nižji od stroškov generatorja. Nižji stroški gorivnih celic so rezultat samo enega obiska vzdrževanja na leto in znatno višje produktivnosti naprave. Konec koncev je gorivna celica zelena tehnološka rešitev z minimalnim vplivom na okolje.

Instalacije gorivnih celic zagotavljajo rezervno napajanje za kritične komunikacijske omrežne infrastrukture za brezžične, stalne in širokopasovne komunikacije v telekomunikacijskem sistemu, v razponu od 250 W do 15 kW, ponujajo številne neprimerljive inovativne lastnosti:

ZANESLJIVOST– malo gibljivih delov in brez praznjenja v stanju pripravljenosti
VARČEVANJE Z ENERGIJO
TIŠINA – nizka stopnja hrup
TRAJNOST– območje delovanja od -40°C do +50°C
PRILAGODLJIVOST– montaža na prostem in v zaprtih prostorih (posoda/zaščitna posoda)
VISOKA MOČ– do 15 kW
NIZKE ZAHTEVE VZDRŽEVANJA– minimalno letno vzdrževanje
VARČNA- privlačni skupni stroški lastništva
ZELENA ENERGIJA– nizke emisije z minimalnim vplivom na okolje

Sistem ves čas zaznava napetost vodila enosmernega toka in gladko sprejme kritične obremenitve, če napetost vodila enosmernega toka pade pod uporabniško določeno nastavljeno točko. Sistem deluje na vodik, ki se v sklop gorivnih celic dovaja na enega od dveh načinov – bodisi iz industrijskega vira vodika bodisi iz tekočega goriva iz metanola in vode, z uporabo integriranega sistema za reformiranje.

Elektriko proizvaja sklop gorivnih celic v obliki enosmernega toka. Enosmerna moč se prenese v pretvornik, ki pretvori neregulirano enosmerno moč, ki prihaja iz sklada gorivnih celic, v visoko kakovostno regulirano enosmerno moč za zahtevana bremena. Instalacije gorivnih celic lahko zagotavljajo rezervno energijo za več dni, saj je trajanje omejeno le s količino razpoložljivega vodika ali metanola/vode.

Gorivne celice ponujajo vrhunske prihranke energije, izboljšano zanesljivost sistema, bolj predvidljivo delovanje v širokem razponu podnebja in zanesljivo vzdržljivost delovanja v primerjavi s standardnimi industrijskimi ventilsko reguliranimi svinčevimi akumulatorji. Stroški v življenjski dobi so nižji tudi zaradi bistveno nižjih zahtev po vzdrževanju in zamenjavi. Gorivne celice nudijo okoljske koristi končnemu uporabniku, saj so stroški odstranjevanja in tveganja odgovornosti, povezana s svinčeno-kislinskimi celicami, vse večja skrb.

To lahko negativno vpliva na delovanje električnih baterij širok spekter dejavniki, kot so raven napolnjenosti, temperatura, cikli, življenjska doba in druge spremenljivke. Zagotovljena energija se bo razlikovala glede na te dejavnike in je ni enostavno predvideti. Na delovanje gorivne celice z membrano za izmenjavo protonov (PEMFC) ti dejavniki relativno ne vplivajo in lahko zagotavlja kritično moč, dokler je gorivo na voljo. Povečana predvidljivost je pomembna prednost pri prehodu na gorivne celice za kritične aplikacije rezervnega napajanja.

Gorivne celice proizvajajo energijo samo ob dovajanju goriva, podobno kot plinski turbinski generator, vendar nimajo gibljivih delov v območju proizvodnje. Zato za razliko od generatorja niso podvrženi hitri obrabi in ne potrebujejo stalnega vzdrževanja in mazanja.

Gorivo, ki se uporablja za pogon pretvornika goriva s podaljšanim trajanjem, je mešanica goriva metanola in vode. Metanol je široko dostopno, komercialno proizvedeno gorivo, ki se trenutno uporablja na številne načine, vključno s čistili za vetrobransko steklo, plastičnimi steklenicami, dodatki za motorje in emulzijskimi barvami, med drugim. Metanol je enostaven za transport, ga je mogoče mešati z vodo, je dobro biorazgradljiv in ne vsebuje žvepla. Ima nizko zmrzišče (-71°C) in se pri dolgotrajnem skladiščenju ne razgradi.

Uporaba gorivnih celic/celic v komunikacijskih omrežjih

Varnostna komunikacijska omrežja zahtevajo zanesljive rešitve za rezervno napajanje, ki lahko delujejo več ur ali dni. izrednih razmerah, če električno omrežje ni več na voljo.

Z malo gibljivimi deli in brez izgube moči v stanju pripravljenosti ponuja inovativna tehnologija gorivnih celic privlačno rešitev za trenutne sisteme rezervnega napajanja.

Najbolj prepričljiv argument za uporabo tehnologije gorivnih celic v komunikacijskih omrežjih je večja splošna zanesljivost in varnost. Med dogodki, kot so izpadi električne energije, potresi, nevihte in orkani, je pomembno, da sistemi še naprej delujejo in imajo zagotovljeno zanesljivo rezervno napajanje v daljšem časovnem obdobju, ne glede na temperaturo ali starost rezervnega napajalnega sistema.

Linija napajalnih naprav na osnovi gorivnih celic je idealna za podporo tajnih komunikacijskih omrežij. Zahvaljujoč načelom varčevanja z energijo zagotavljajo okolju prijazno, zanesljivo rezervno napajanje s podaljšanim trajanjem (do nekaj dni) za uporabo v območju moči od 250 W do 15 kW.

Uporaba gorivnih celic/celic v podatkovnih omrežjih

Zanesljivo napajanje podatkovnih omrežij, kot so hitra podatkovna omrežja in hrbtenice iz optičnih vlaken, je ključnega pomena po vsem svetu. Informacije, ki se prenašajo po takih omrežjih, vsebujejo kritične podatke za institucije, kot so banke, letalske družbe oz medicinski centri. Izpad električne energije v takšnih omrežjih ne predstavlja le nevarnosti za posredovane informacije, ampak praviloma vodi tudi do znatnih finančnih izgub. Zanesljive, inovativne instalacije gorivnih celic, ki zagotavljajo rezervno napajanje, zagotavljajo zanesljivost, potrebno za zagotavljanje neprekinjenega napajanja.

Enote gorivnih celic, ki jih poganja mešanica tekočega goriva metanola in vode, zagotavljajo zanesljivo rezervno napajanje s podaljšanim trajanjem, do nekaj dni. Poleg tega imajo te enote bistveno manjše zahteve po vzdrževanju v primerjavi z generatorji in baterijami, saj zahtevajo samo en vzdrževalni obisk na leto.

Tipične značilnosti mesta uporabe za uporabo naprav gorivnih celic v podatkovnih omrežjih:

Aplikacije s porabo energije od 100 W do 15 kW
Aplikacije z zahtevano življenjsko dobo baterije > 4 ure
Repetitorji v sistemih z optičnimi vlakni (hierarhija sinhronskih digitalni sistemi, hitri internet, govorna komunikacija po protokolu IP ...)
Omrežna vozlišča za hiter prenos podatkov
Prenosna vozlišča WiMAX

Naprave za rezervno napajanje z gorivnimi celicami ponujajo številne prednosti za ključne infrastrukture podatkovnih omrežij v primerjavi s tradicionalnimi baterijskimi ali dizelskimi generatorji, kar omogoča povečane možnosti uvedbe na kraju samem:

Tehnologija tekočega goriva rešuje problem postavitve vodika in zagotavlja skoraj neomejeno rezervno moč.
Zahvaljujoč tihemu delovanju, nizki teži, odpornosti na temperaturne spremembe in delovanju skoraj brez tresljajev se lahko gorivne celice namestijo zunaj zgradb, v industrijskih zgradbah/zabojnikih ali na strehah.
Priprave na uporabo sistema na lokaciji so hitre in ekonomične, obratovalni stroški pa nizki.
Gorivo je biorazgradljivo in zagotavlja okolju prijazno rešitev za urbana okolja.

Uporaba gorivnih celic/celic v varnostnih sistemih

Najbolj skrbno zasnovani varnostni in komunikacijski sistemi zgradb so zanesljivi le toliko, kolikor je zanesljiv vir električne energije, ki jih podpira. Medtem ko večina sistemov vključuje neko vrsto rezervnega sistema za neprekinjeno napajanje za kratkoročne izgube električne energije, se ne prilagajajo dolgotrajnejšim izpadom električne energije, do katerih lahko pride po naravnih nesrečah ali terorističnih napadih. To bi lahko postalo kritično pomembno vprašanje za številna podjetja in vladne agencije.

Vitalni sistemi, kot so sistemi za spremljanje in nadzor dostopa CCTV (bralniki osebnih izkaznic, naprave za zaklepanje vrat, tehnologija biometrične identifikacije itd.), avtomatski požarni alarmni sistemi in sistemi za gašenje požara, sistemi za nadzor dvigal in telekomunikacijska omrežja, so ogroženi, če ni zanesljivo, dolgotrajno alternativno napajanje.

Dizelski generatorji povzročajo veliko hrupa, težko jih je locirati in imajo dobro znane težave z zanesljivostjo in vzdrževanjem. Nasprotno pa je namestitev gorivnih celic, ki zagotavlja rezervno napajanje, tiha, zanesljiva, proizvaja nič ali zelo nizke emisije in jo je mogoče preprosto namestiti na streho ali zunaj zgradbe. V stanju pripravljenosti se ne izprazni ali izgubi moči. Zagotavlja neprekinjeno delovanje kritičnih sistemov tudi po prenehanju delovanja objekta in izpraznitvi stavbe.

Inovativne instalacije gorivnih celic ščitijo drage naložbe v kritične aplikacije. Zagotavljajo okolju prijazno, zanesljivo rezervno napajanje s podaljšanim trajanjem (do več dni) za uporabo v razponu moči od 250 W do 15 kW, v kombinaciji s številnimi neprimerljivimi lastnostmi in predvsem visokimi ravnmi prihranka energije.

Naprave za rezervno napajanje z gorivnimi celicami ponujajo številne prednosti za uporabo v kritičnih aplikacijah, kot so varnostni sistemi in sistemi za nadzor zgradb, v primerjavi s tradicionalnimi aplikacijami na baterijski ali dizelski generator. Tehnologija tekočega goriva rešuje problem postavitve vodika in zagotavlja skoraj neomejeno rezervno moč.

Uporaba gorivnih celic/celic v komunalnem ogrevanju in proizvodnji električne energije

Gorivne celice s trdnim oksidom (SOFC) zagotavljajo zanesljive, energetsko učinkovite termoelektrarne brez emisij za proizvodnjo električne energije in toplote iz široko dostopnega zemeljskega plina in obnovljivih virov goriva. Te inovativne instalacije se uporabljajo na različnih trgih, od domače proizvodnje električne energije do oddaljenega napajanja, kot tudi pomožnih napajalnikov.

Uporaba gorivnih celic/celic v distribucijskih omrežjih

Male termoelektrarne so zasnovane tako, da delujejo v razpršenem omrežju za proizvodnjo električne energije, ki ga sestavlja veliko število majhnih agregatov namesto ene centralizirane elektrarne.

Spodnja slika prikazuje izgubo učinkovitosti proizvodnje električne energije, ko se ta proizvede v termoelektrarni in prenese v domove prek tradicionalnih omrežij za prenos električne energije, ki so trenutno v uporabi. Izgube učinkovitosti pri centralizirani proizvodnji vključujejo izgube iz elektrarne, nizkonapetostnega in visokonapetostnega prenosa ter izgube pri distribuciji.

Slika prikazuje rezultate integracije malih termoelektrarn: električna energija se proizvaja z do 60-odstotnim proizvodnim izkoristkom na mestu uporabe. Poleg tega lahko gospodinjstvo toploto, ki jo ustvarijo gorivne celice, uporabi za ogrevanje vode in prostora, kar poveča splošno učinkovitost predelave energije goriva in poveča prihranek energije.

Uporaba gorivnih celic za varovanje okolja - izraba pripadajočega naftnega plina

Ena najpomembnejših nalog v naftni industriji je izraba pripadajočega naftnega plina. Obstoječe metode Izraba pripadajočega naftnega plina ima veliko slabosti, med katerimi je predvsem ekonomsko neupravičena. Povezani naftni plin se sežiga, kar povzroča ogromno škodo okolju in zdravju ljudi.

Inovativne termoelektrarne na gorivne celice, ki kot gorivo uporabljajo pripadajoči naftni plin, odpirajo pot radikalni in stroškovno učinkoviti rešitvi problematike izrabe povezanega naftnega plina.

Ena od glavnih prednosti elektrarn na gorivne celice je, da lahko delujejo zanesljivo in stabilno z uporabo povezanega plina. naftni plin spremenljiva sestava. Zaradi brezplamenske kemične reakcije, ki je osnova za delovanje gorivne celice, zmanjšanje odstotka na primer metana povzroči le ustrezno zmanjšanje izhodne moči.
Fleksibilnost glede na električno obremenitev porabnikov, padec, skok obremenitve.
Za postavitev in priključitev termoelektrarn na gorivne celice njihova izvedba ne zahteva kapitalskih stroškov, saj Enote je mogoče enostavno namestiti na nepripravljene lokacije v bližini polj, so enostavne za uporabo, zanesljive in učinkovite.
Visoka avtomatizacija in sodoben daljinski nadzor ne zahteva stalne prisotnosti osebja na inštalaciji.
Enostavnost in tehnična dovršenost zasnove: odsotnost gibljivih delov, trenja in mazalnih sistemov zagotavlja pomembne gospodarske koristi od delovanja naprav gorivnih celic.
Poraba vode: pri temperaturah okolja do +30 °C ni, pri višjih pa zanemarljiva.
Odvod vode: brez.
Poleg tega termoelektrarne na gorivne celice ne povzročajo hrupa, ne vibrirajo, ne proizvajajo škodljivih emisij v ozračje

Gorivna celica je elektrokemična naprava, podobna galvanskemu členu, vendar se od njega razlikuje po tem, da se mu snovi za elektrokemijsko reakcijo dovajajo od zunaj – v nasprotju z omejeno količino 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. S kemično reakcijo pretvarjajo 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 shranjeno električno energijo. Za izumitelja gorivne celice velja William R. Grove, ki jo je izumil davnega leta 1839. Ta gorivna celica je kot elektrolit uporabljala raztopino žveplove kisline, kot gorivo pa vodik, ki je bil združen s kisikom v oksidacijskem sredstvu. 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 na plin, premog, kurilno olje itd., gorivne celice ne kurijo goriva. To pomeni brez hrupnih visokotlačnih rotorjev, brez glasnega hrupa izpušnih plinov, brez tresljajev. 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. Edine emisije iz gorivnih celic so voda v obliki pare in majhna količina ogljikovega dioksida, ki se sploh ne sprošča, če kot gorivo uporabljamo čisti vodik. Gorivne celice sestavljajo v sklope in nato v posamezne funkcionalne module.

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

Gorivna celica proizvaja električni tok s konstantno napetostjo, 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 pogon elektrarn, druge pa za prenosne naprave ali pogon avtomobilov.

1. Alkalne gorivne celice (ALFC)

Alkalne gorivne celice- To je eden prvih razvitih elementov. Alkalne gorivne celice (AFC) so ena najbolj raziskanih tehnologij, ki jo NASA uporablja od sredine 60-ih let 20. stoletja v programih Apollo in Space Shuttle. Na krovu teh vesoljske ladje Gorivne celice proizvajajo električno energijo in pitno vodo.

riž. 3.

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

Alkalne gorivne celice uporabljajo elektrolit, 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 SHTE je hidroksilni ion (OH-), ki se premika od katode do anode, kjer reagira z vodikom, pri čemer nastane voda in elektroni. Voda, ki nastane na anodi, se premakne nazaj na katodo in tam spet ustvari hidroksilne ione. Kot rezultat tega niza reakcij, ki potekajo v gorivni celici, nastaneta električna energija in kot stranski produkt toplota:

Reakcija na anodi: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e

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

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

Prednost SHTE je, da so te gorivne celice najcenejše za proizvodnjo, 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 SHTE delujejo pri relativno nizkih temperaturah in so med najučinkovitejšimi.

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

2. Gorivne celice iz staljenega karbonata (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 industrijskih procesov in drugih virov. Ta postopek se je razvil sredi 60. let dvajsetega stoletja. Od takrat so se proizvodna tehnologija, zmogljivost in zanesljivost izboljšali.

riž. 4.

Delovanje RCFC se razlikuje 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 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.

Reakcija na anodi: 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 zahteva dolgo časa za doseganje optimalnih pogojev delovanja, sistem pa se počasneje odziva na spremembe porabe energije. Te značilnosti omogočajo uporabo instalacij gorivnih celic s staljenim karbonatnim elektrolitom v pogojih konstantne moči. Visoke temperature preprečujejo poškodbe gorivne celice z ogljikovim monoksidom, "zastrupitev" itd.

Gorivne celice s staljenim karbonatnim elektrolitom so primerne za uporabo v velikih stacionarnih napravah. Komercialno se proizvajajo termoelektrarne z izhodno električno močjo 2,8 MW. Razvijajo se naprave z izhodno močjo do 100 MW.

3. Gorivne celice na fosforno kislino (PAFC)

Gorivne celice na osnovi fosforne (ortofosforne) kisline postale prve gorivne celice za komercialno uporabo. Ta postopek je bil razvit sredi 60. let dvajsetega stoletja, testi so bili opravljeni od 70. let dvajsetega stoletja. Rezultat je bila povečana stabilnost in zmogljivost ter nižji stroški.

riž. 5.

Gorivne celice na fosforno (ortofosforno) kislino uporabljajo elektrolit na osnovi ortofosforne kisline (H3PO4) v koncentracijah 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 (PEMFC), v katerih se vodik, doveden na anodo, razdeli na protone in elektrone. Protoni potujejo skozi elektrolit in se na katodi združijo s kisikom iz zraka ter tvorijo vodo. Elektroni se pošljejo skozi zunanji električni tokokrog in tako ustvarijo električni tok. Spodaj so reakcije, ki ustvarjajo električni tok in toploto.

Reakcija na anodi: 2H2 => 4H+ + 4e

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

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

Visoka zmogljivost termoelektrarn, ki uporabljajo gorivne celice na osnovi fosforne (ortofosforne) kisline pri sočasni proizvodnji toplotne in električne energije, je ena od prednosti tovrstnih gorivnih celic. Enote uporabljajo ogljikov monoksid s koncentracijo približno 1,5%, kar bistveno razširi izbiro goriva. Enostavna zasnova, nizka stopnja hlapnosti elektrolita in povečana stabilnost so tudi prednosti takšnih gorivnih celic.

Komercialno se proizvajajo termoelektrarne z električno izhodno 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 (PEMFC)

Gorivne celice z membrano za izmenjavo protonov veljajo za najbolj najboljši tip gorivne celice za pridobivanje energije za vozila, ki lahko nadomestijo bencinske in dizelske motorje z notranjim zgorevanjem. Te gorivne celice je NASA najprej uporabila za program Gemini. Razvite in demonstrirane so bile instalacije na osnovi MOPFC z močjo od 1 W do 2 kW.

riž. 6.

Elektrolit v teh gorivnih celicah je trdna polimerna membrana (tanek film iz plastike). Ko je nasičen z vodo, ta polimer omogoča protonom prehod, vendar ne prevaja elektronov.

Gorivo je vodik, nosilec naboja pa vodikov ion (proton). Na anodi se vodikova molekula razcepi na vodikov ion (proton) in elektrone. Vodikovi ioni prehajajo skozi elektrolit do katode, elektroni pa se 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, da tvori vodo. Na elektrodah pride do naslednjih reakcij: Reakcija na anodi: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4eReakcija na katodi: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH Celotna reakcija celice: 2H2 + O2 => 2H2O V primerjavi z drugimi vrstami gorivne celice, 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 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 trdim elektrolitom je lažje zadržati pline na katodi in anodi, zato je proizvodnja takšnih gorivnih celic cenejša. Pri uporabi trdnega elektrolita ni težav, kot sta orientacija in manj težav zaradi pojava korozije, kar poveča vzdržljivost elementa in njegovih sestavnih delov.

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 predhodne obdelave. Za obvladovanje tako visokih temperatur je uporabljen elektrolit tanek trden kovinski oksid na keramični osnovi, pogosto zlitina itrija in cirkonija, ki je prevodnik kisikovih ionov (O2-). Tehnologija uporabe trdnih oksidnih gorivnih celic se razvija od poznih 50-ih let 20. stoletja in ima dve konfiguraciji: planarno in cevasto.

Trdni elektrolit zagotavlja zaprt prehod plina iz ene elektrode v drugo, medtem ko se tekoči elektroliti nahajajo v poroznem substratu. Nosilec naboja v tovrstnih gorivnih celicah je kisikov ion (O2-). Na katodi se molekule kisika iz zraka ločijo na kisikov ion in štiri elektrone. Kisikovi ioni prehajajo skozi elektrolit in se združijo z vodikom ter ustvarijo štiri proste elektrone. Elektroni se pošljejo skozi zunanji električni tokokrog, ki ustvarja električni tok in odpadno toploto.

riž. 8.

Reakcija na anodi: 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 toplotne in električne energije za ustvarjanje visokotlačne pare. Kombinacija visokotemperaturne gorivne celice s turbino omogoča ustvarjanje hibridne gorivne celice 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 in počasnejši odziv sistema na spremembe v porabi energije. Pri tako visokih delovnih temperaturah ni potreben noben pretvornik za pridobivanje vodika iz goriva, kar omogoča termoelektrarni, da deluje z relativno nečistimi gorivi, ki so posledica uplinjanja premoga ali odpadnih plinov itd. Gorivna celica je odlična tudi za aplikacije z visoko močjo, vključno z industrijskimi in velikimi centralnimi elektrarnami. Komercialno se proizvajajo moduli z električno izhodno močjo 100 kW.

6. Gorivne celice z direktno oksidacijo metanola (DOMFC)

Gorivne celice z direktno oksidacijo metanola Uspešno se uporabljajo na področju napajanja mobilnih telefonov, prenosnih računalnikov, pa tudi za ustvarjanje prenosnih virov energije, čemur je namenjena prihodnja uporaba takšnih elementov.

Zasnova gorivnih celic z direktno oksidacijo metanola je podobna zasnovi gorivnih celic s protonsko izmenjevalno membrano (MEPFC), 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 se ustvari električni tok. Vodikovi ioni prehajajo skozi elektrolit in reagirajo s kisikom iz zraka ter elektroni iz zunanjega tokokroga, da tvorijo vodo na anodi.

Reakcija na anodi: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6eReakcija na katodi: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O Splošna reakcija elementa: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O Razvoj takega gorivnih celic izvajajo od začetka 90. let 20. stoletja in njihovo specifično moč in izkoristek so povečali na 40 %.

Ti elementi so bili testirani v temperaturnem območju 50-120°C. Zaradi nizkih delovnih temperatur in odsotnosti potrebe po pretvorniku so takšne gorivne celice najboljši kandidat za oboje. Mobilni telefoni in drugih potrošnih dobrinah, pa tudi v avtomobilskih motorjih. Njihova prednost je tudi majhnost.

7. Gorivne celice s polimernim elektrolitom (PEFC)

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

8. Gorivne celice s trdno kislino (SFC)

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 elektrodi, ki sta tesno stisnjeni skupaj, da zagotovita dober stik. Pri segrevanju organska komponenta izhlapi, izstopi skozi pore v elektrodah, pri čemer ohranja sposobnost večkratnih stikov med gorivom (ali kisikom na drugem koncu elementa), 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	Področje uporabe
				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.

Gorivna celica je naprava, ki učinkovito proizvaja toploto in enosmerni tok z elektrokemično reakcijo in uporablja gorivo, bogato z vodikom. Njegov princip delovanja je podoben principu delovanja baterije. Strukturno je gorivna celica predstavljena z elektrolitom. Kaj je tako posebnega na njem? 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 električne energije je v tem, da med delovanjem ne izgorevajo goriva. Zaradi te lastnosti ne potrebujejo visokotlačnih rotorjev in ne oddajajo glasnega hrupa ali 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. Emisijski produkt med delovanjem celice je majhna količina vode v obliki pare in ogljikovega dioksida, ki se ne sprosti, če kot gorivo uporabljamo čisti vodik.

Zgodovina videza

V petdesetih in šestdesetih letih prejšnjega stoletja je Nasina nastajajoča potreba po virih energije za dolgoročne vesoljske misije povzročila enega najbolj kritičnih izzivov za gorivne celice, ki so obstajali v tistem času. Alkalne celice kot gorivo uporabljajo kisik in vodik, ki se z elektrokemično reakcijo pretvorita v stranske produkte, uporabne med poletom v vesolje – 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. Celice z ponikljanimi elektrodami pod visokim pritiskom 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 onesnaženostjo zraka in okoljskimi vprašanji v prizadevanju za razvoj okolju prijaznega varne načine prejemanje električne energije. Tehnologija proizvodnje gorivnih celic je trenutno v fazi aktivnega razvoja.

Načelo delovanja

Toploto in elektriko proizvajajo gorivne celice kot rezultat elektrokemične reakcije, ki vključuje katodo, anodo in elektrolit.

Katoda in anoda sta ločeni s protonsko prevodnim elektrolitom. Ko kisik vstopi v katodo in vodik v anodo, se začne kemična reakcija, ki povzroči toploto, tok in vodo.

Disociira na anodnem katalizatorju, kar vodi do izgube elektronov. Vodikovi ioni vstopajo v katodo skozi elektrolit, hkrati pa elektroni prehajajo skozi zunanjo električno omrežje in ustvari enosmerni tok, ki se uporablja za napajanje opreme. Molekula kisika na katodnem katalizatorju se združi z elektronom in prihajajočim protonom, pri čemer na koncu nastane voda, 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 običajno 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 pretvorbe 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 z membrano za izmenjavo protonov PEMFC.

Protonsko prevodna polimerna membrana je zasnovana tako, da ločuje dve elektrodi - katodo in anodo. Vsak od njih je predstavljen z ogljikovo matriko z nanešenim 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, pri čemer na koncu nastane voda, ki je edini produkt reakcije.

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

Prednosti vodikovih gorivnih celic

Med njimi so:

Povečana specifična toplotna kapaciteta.
Širok razpon delovne temperature.
Brez vibracij, hrupa ali toplotnih madežev.
Zanesljivost hladnega zagona.
Brez samopraznjenja, kar zagotavlja dolgotrajno shranjevanje energije.
Neomejena avtonomija zahvaljujoč možnosti prilagajanja energijske intenzivnosti s spreminjanjem števila vložkov goriva.
Zagotavlja skoraj vsako energetsko intenzivnost s spreminjanjem zmogljivosti shranjevanja vodika.
Dolga življenjska doba.
Tiho in okolju prijazno delovanje.
Visoka stopnja energijska intenzivnost.
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 uvedbo tehnologije v aktivno uporabo Potrebne so nove ideje, pri čemer veliko upov polagamo na koncept biogorivnih celic in nanotehnologije. Nekatera podjetja so relativno nedavno izdala učinkovite katalizatorje na osnovi različnih kovin, hkrati pa 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 sestaviti vodikovo gorivno celico?

Gorivno celico nizke moči lahko ustvarite sami v običajnem domačem ali šolskem laboratoriju. Uporabljeni materiali so stara plinska maska, kosi pleksi stekla in vodna raztopina. etilni alkohol in alkalije.

Telo vodikove gorivne celice ustvarite z lastnimi rokami iz pleksi stekla z debelino najmanj pet milimetrov. Pregrade med predelki so lahko tanjše - približno 3 milimetre. Pleksi steklo se lepi s posebnim lepilom iz kloroforma ali dikloroetana in ostružkov pleksi stekla. Vsa dela se izvajajo samo pri delujočem pokrovu.

V zunanjo steno ohišja izvrtamo luknjo s premerom 5-6 centimetrov, v katero vstavimo gumijasti zamašek in stekleno odtočno cev. Aktivno oglje iz plinske maske se vlije v drugi in četrti prekat ohišja gorivne celice - uporabljalo se 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 z žicami, spajkanimi na njih, so nameščene na plast premoga, skozi katero bo odveden 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 raztopimo v 200 gramih vode.

Pred testiranjem vodikove gorivne celice se v prvo komoro vlije gorivo, v tretjo pa elektrolit. Odčitek voltmetra, priključenega na elektrode, se mora razlikovati od 0,7 do 0,9 volta. Da bi zagotovili neprekinjeno delovanje elementa, je treba izrabljeno gorivo odstraniti, novo gorivo pa natočiti skozi gumijasto cev. S stiskanjem cevi se uravnava dovod goriva. Takšne vodikove gorivne celice, sestavljene doma, imajo malo moči.