Vodikove gorive ćelije: od letova Apolla do automobila. Vodikove gorive ćelije i energetski sustavi.

Izrada, montaža, ispitivanje i testiranje gorivih (vodikovih) ćelija/ćelija
Proizvedeno u tvornicama u SAD-u i Kanadi

Gorivne (vodikove) ćelije/ćelije

Tvrtka Intech GmbH / LLC Intech GmbH je na tržištu inženjerskih usluga od 1997. godine, službeno dugi niz godina raznih industrijska oprema, Vašoj pozornosti predstavlja različite gorivne (vodikove) elemente/ćelije.

Gorivna ćelija/ćelija je

Prednosti gorivih ćelija/ćelija

Gorivna ćelija/ćelija je uređaj koji učinkovito proizvodi istosmjernu struju i toplinu iz goriva bogatog vodikom električnim putem kemijska reakcija.

Goriva ćelija slična je bateriji po tome što proizvodi istosmjernu struju putem kemijske reakcije. Gorivna ćelija uključuje anodu, katodu i elektrolit. Međutim, za razliku od baterija, gorivne ćelije ne mogu pohranjivati ​​električnu energiju i ne prazne niti zahtijevaju električnu energiju za ponovno punjenje. Gorive ćelije/ćelije mogu neprekidno stvarati električnu energiju sve dok imaju opskrbu gorivom i zrakom.

Za razliku od drugih generatora energije, kao što su motori s unutarnjim izgaranjem ili turbine na plin, ugljen, loživo ulje itd., gorivne ćelije/ćelije ne izgaraju gorivo. To znači da nema bučnih rotora visokotlačni, glasna buka ispuha, vibracije. Gorivne ćelije/ćelije proizvode električnu energiju tihom elektrokemijskom reakcijom. Još jedna značajka gorivih ćelija/ćelija je da pretvaraju kemijsku energiju goriva izravno u električnu energiju, toplinu i vodu.

Gorivne ćelije su vrlo učinkovite i ne proizvode velike količine stakleničkih plinova kao što su ugljični dioksid, metan i dušikov oksid. Jedini produkti emisije tijekom rada su voda u obliku pare i mala količina ugljičnog dioksida, koji se uopće ne oslobađa ako se kao gorivo koristi čisti vodik. Gorivi elementi/ćelije sastavljaju se u sklopove, a zatim u pojedinačne funkcionalne module.

Povijest razvoja gorivih ćelija/ćelija

U 1950-im i 1960-im, jedan od najhitnijih izazova za gorive ćelije nastao je iz potrebe Zemaljska uprava u aeronautici i istraživanju svemir SAD (NASA) u izvorima energije za dugoročne svemirske misije. NASA-ina alkalna goriva ćelija koristi vodik i kisik kao gorivo kombinirajući dva kemijska elementa u elektrokemijskoj reakciji. Rezultat su tri korisna nusproizvoda reakcije u svemirskom letu - električna energija u struju svemirska letjelica, vodu za piće i rashladne sustave te toplinu za grijanje astronauta.

Otkriće gorivih ćelija seže u početak 19. stoljeća. Prvi dokaz o učinku gorivih ćelija dobiven je 1838. godine.

U kasnim 1930-ima započeo je rad na gorivim ćelijama s alkalnim elektrolitom i do 1939. izgrađena je ćelija koja koristi visokotlačne poniklane elektrode. Tijekom Drugog svjetskog rata razvijene su gorivne ćelije/ćelije za podmornice britanske mornarice, a 1958. uveden je sklop goriva koji se sastojao od alkalnih gorivih ćelija/ćelija promjera nešto više od 25 cm.

Interes je porastao u 1950-im i 1960-im, kao iu 1980-im, kada je industrijski svijet iskusio nestašicu naftnih goriva. Tijekom istog razdoblja, zemlje svijeta također su postale zabrinute zbog problema zagađenja zraka i razmatrale načine zaštite okoliša neto primitak struja. Tehnologija gorivih ćelija trenutno je u brzom razvoju.

Princip rada gorivih ćelija/ćelija

Gorivne ćelije/ćelije proizvode električnu energiju i toplinu zahvaljujući elektrokemijskoj reakciji koja se odvija pomoću elektrolita, katode i anode.

Anoda i katoda odvojene su elektrolitom koji provodi protone. Nakon što vodik doteče do anode, a kisik do katode, počinje kemijska reakcija uslijed koje nastaju električna struja, toplina i voda.

Na anodnom katalizatoru molekularni vodik disocira i gubi elektrone. Ioni vodika (protoni) provode se kroz elektrolit do katode, dok elektroni prolaze kroz elektrolit i putuju kroz vanjski električni krug, stvarajući istosmjernu struju koja se može koristiti za napajanje opreme. Na katodnom katalizatoru, molekula kisika spaja se s elektronom (koji se dovodi iz vanjskih komunikacija) i nadolazećim protonom, te tvori vodu, koja je jedini proizvod reakcije (u obliku pare i/ili tekućine).

Ispod je odgovarajuća reakcija:

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

Vrste i raznolikost gorivih elemenata/ćelija

Baš kao što postoje različite vrste motora s unutarnjim izgaranjem, postoje različite vrste gorivih ćelija - odabir prave vrste gorivih ćelija ovisi o njihovoj primjeni.

Gorivne ćelije dijele se na visokotemperaturne i niskotemperaturne. Niskotemperaturne gorive ćelije zahtijevaju relativno čisti vodik kao gorivo. To često znači da je potrebna obrada goriva za pretvaranje primarnog goriva (kao što je prirodni plin) u čisti vodik. Ovaj proces troši dodatnu energiju i zahtijeva posebnu opremu. Visokotemperaturne gorive ćelije ne trebaju ovaj dodatni postupak, jer mogu izvršiti "unutarnju konverziju" goriva na povišene temperature, što znači da nema potrebe za ulaganjem novca u vodikovu infrastrukturu.

Otopljene karbonatne gorive ćelije/ćelije (MCFC)

Gorive ćelije s rastaljenim karbonatnim elektrolitom su visokotemperaturne gorive ćelije. Visoka radna temperatura omogućuje izravnu upotrebu prirodnog plina bez procesora goriva i niske razine plina kalorijska vrijednost goriva iz proizvodnih procesa i drugih izvora.

Rad RCFC-a razlikuje se od ostalih gorivih ćelija. Ove ćelije koriste elektrolit napravljen od mješavine rastaljenih karbonatnih soli. Trenutno se koriste dvije vrste smjesa: litijev karbonat i kalijev karbonat ili litijev karbonat i natrijev karbonat. Za topljenje karbonatnih soli i postizanje visokog stupnja pokretljivosti iona u elektrolitu, gorivne ćelije s rastaljenim karbonatnim elektrolitom rade na visoke temperature(650°C). Učinkovitost varira između 60-80%.

Kada se zagriju na temperaturu od 650°C, soli postaju vodič za karbonatne ione (CO 3 2-). Ti ioni prelaze s katode na anodu, gdje se spajaju s vodikom u vodu, ugljični dioksid i slobodne elektrone. Ti se elektroni šalju kroz vanjski električni krug natrag na katodu, generirajući električnu struju i toplinu kao nusproizvod.

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-
Opća reakcija elementa: H 2 (g) + 1/2O 2 (g) + CO 2 (katoda) => H 2 O (g) + CO 2 (anoda)

Visoke radne temperature gorivih ćelija s rastaljenim karbonatnim elektrolitom imaju određene prednosti. Na visokim temperaturama dolazi do unutarnjeg reformiranja prirodni gas, čime se eliminira potreba za procesorom goriva. Osim toga, prednosti uključuju mogućnost korištenja standardnih građevinskih materijala kao što su limovi od nehrđajućeg čelika i katalizator od nikla na elektrodama. Otpadna toplina može se koristiti za stvaranje pare pod visokim pritiskom za razne industrijske i komercijalne svrhe.

Visoke reakcijske temperature u elektrolitu također imaju svoje prednosti. Korištenje visokih temperatura zahtijeva značajno vrijeme za postizanje optimalnih radnih uvjeta, a sustav sporije reagira na promjene u potrošnji energije. Ove karakteristike dopuštaju korištenje instalacija gorivih ćelija s rastaljenim karbonatnim elektrolitom u uvjetima konstantne snage. Visoke temperature sprječavaju ugljikov monoksid da ošteti gorivnu ćeliju.

Gorivne ćelije s rastaljenim karbonatnim elektrolitom prikladne su za korištenje u velikim stacionarnim instalacijama. Komercijalno se proizvode termoelektrane s električnom izlaznom snagom od 3,0 MW. U razvoju su postrojenja izlazne snage do 110 MW.

Gorivne ćelije/ćelije fosforne kiseline (PAFC)

Gorivne ćelije s fosfornom (ortofosfornom) kiselinom bile su prve gorivne ćelije za komercijalnu upotrebu.

Gorivne ćelije fosforne (ortofosforne) kiseline koriste elektrolit na bazi ortofosforne kiseline (H 3 PO 4) koncentracije do 100%. Ionska vodljivost ortofosforne kiseline niska je pri niske temperature, zbog toga se ove gorive ćelije koriste na temperaturama do 150–220°C.

Nositelj naboja u gorivim ćelijama ove vrste je vodik (H+, proton). Sličan proces događa se u gorivim ćelijama membrane za izmjenu protona, u kojima se vodik koji se dovodi na anodu dijeli na protone i elektrone. Protoni putuju kroz elektrolit i spajaju se s kisikom iz zraka na katodi stvarajući vodu. Elektroni se šalju kroz vanjski električni krug, stvarajući tako električnu struju. Ispod su reakcije koje stvaraju električnu struju i toplinu.

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

Učinkovitost gorivih ćelija na bazi fosforne (ortofosforne) kiseline je veća od 40% pri proizvodnji električne energije. Uz kombiniranu proizvodnju toplinske i električne energije, ukupna učinkovitost je oko 85%. Osim toga, s obzirom na radne temperature, otpadna toplina može se koristiti za zagrijavanje vode i stvaranje pare pod atmosferskim tlakom.

Visoki učinak termoelektrana koje koriste gorivne ćelije na bazi fosforne (ortofosforne) kiseline u kombiniranoj proizvodnji toplinske i električne energije jedna je od prednosti ove vrste gorivih ćelija. Jedinice koriste ugljični monoksid s koncentracijom od oko 1,5%, što značajno proširuje izbor goriva. Osim toga, CO 2 ne utječe na elektrolit i rad gorive ćelije; ova vrsta ćelije radi s reformiranim prirodnim gorivom. Jednostavan dizajn, nizak stupanj volatilnosti elektrolita i povećana stabilnost također su prednosti ove vrste gorivih ćelija.

Komercijalno se proizvode termoelektrane s električnom izlaznom snagom do 500 kW. Instalacije od 11 MW prošle su odgovarajuće testove. Razvijaju se postrojenja izlazne snage do 100 MW.

Gorivne ćelije s čvrstim oksidom (SOFC)

Gorivne ćelije s krutim oksidom su gorive ćelije s najvišom radnom temperaturom. Radna temperatura može varirati od 600°C do 1000°C, što omogućuje korištenje različitih vrsta goriva bez posebne prethodne obrade. Za podnošenje tako visokih temperatura korišteni elektrolit je tanki čvrsti metalni oksid na keramičkoj bazi, često legura itrija i cirkonija, koji je vodič iona kisika (O2-).

Kruti elektrolit osigurava nepropusni prijelaz plina s jedne elektrode na drugu, dok se tekući elektroliti nalaze u poroznoj podlozi. Nositelj naboja u gorivim ćelijama ovog tipa je ion kisika (O 2-). Na katodi se molekule kisika iz zraka razdvajaju na ion kisika i četiri elektrona. Ioni kisika prolaze kroz elektrolit i spajaju se s vodikom, stvarajući četiri slobodna elektrona. Elektroni se šalju kroz vanjski električni krug, generirajući električnu struju i otpadnu toplinu.

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

Učinkovitost proizvedene električne energije najveća je od svih gorivih ćelija - oko 60-70%. Visoke radne temperature omogućuju kombiniranu proizvodnju toplinske i električne energije za stvaranje pare pod visokim pritiskom. Kombinacija visokotemperaturne gorivne ćelije s turbinom omogućuje stvaranje hibridne gorivne ćelije za povećanje učinkovitosti proizvodnje električne energije do 75%.

Gorivne ćelije s krutim oksidom rade na vrlo visokim temperaturama (600°C–1000°C), što rezultira značajnim vremenom za postizanje optimalnih radnih uvjeta i sporijom reakcijom sustava na promjene u potrošnji energije. Na tako visokim radnim temperaturama nije potreban pretvarač za regeneraciju vodika iz goriva, što omogućuje termoelektrani da radi s relativno nečistim gorivima koja su rezultat rasplinjavanja ugljena ili otpadnih plinova itd. Gorivne ćelije su također izvrsne za aplikacije velike snage, uključujući industrijske i velike centralne elektrane. Komercijalno se proizvode moduli s električnom izlaznom snagom od 100 kW.

Gorive ćelije izravne oksidacije metanola (DOMFC)

Tehnologija korištenja gorivih ćelija s izravnom oksidacijom metanola prolazi kroz razdoblje aktivnog razvoja. Uspješno se dokazao u području napajanja mobilnih telefona, prijenosnih računala, kao i za izradu prijenosnih izvora napajanja. To je ono na što je usmjerena buduća upotreba ovih elemenata.

Dizajn gorivih ćelija s izravnom oksidacijom metanola sličan je gorivim ćelijama s membranom za izmjenu protona (MEPFC), tj. Kao elektrolit se koristi polimer, a kao nositelj naboja vodikov ion (proton). Međutim, tekući metanol (CH 3 OH) oksidira u prisutnosti vode na anodi, oslobađajući CO 2, ione vodika i elektrone, koji se šalju kroz vanjski električni krug, stvarajući tako električnu struju. Vodikovi ioni prolaze kroz elektrolit i reagiraju s kisikom iz zraka i elektronima iz vanjskog kruga stvarajući vodu 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
Opća reakcija elementa: CH 3 OH + 3/2O 2 => CO 2 + 2H 2 O

Prednost ove vrste gorivih ćelija je njihova mala veličina, zbog korištenja tekućeg goriva, te nepostojanje potrebe za korištenjem pretvarača.

Alkalne gorive ćelije/ćelije (ALFC)

Alkalne gorivne ćelije jedne su od najučinkovitijih ćelija koje se koriste za proizvodnju električne energije, s učinkovitošću proizvodnje električne energije koja doseže do 70%.

Alkalne gorivne ćelije koriste elektrolit, vodenu otopinu kalijevog hidroksida, sadržanu u poroznoj, stabiliziranoj matrici. Koncentracija kalijevog hidroksida može varirati ovisno o radnoj temperaturi gorive ćelije, koja se kreće od 65°C do 220°C. Nositelj naboja u SHTE je hidroksilni ion (OH -), koji se kreće od katode do anode, gdje reagira s vodikom, proizvodeći vodu i elektrone. Voda proizvedena na anodi vraća se natrag na katodu, ponovno tamo stvarajući hidroksilne ione. Kao rezultat ovog niza reakcija koje se odvijaju u gorivnoj ćeliji, proizvodi se električna energija i, kao nusprodukt, toplina:

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

Prednost SHTE je u tome što su te gorivne ćelije najjeftinije za proizvodnju, budući da katalizator koji je potreban na elektrodama može biti bilo koja od tvari koje su jeftinije od onih koje se koriste kao katalizatori za druge gorivne ćelije. SFC rade na relativno niskim temperaturama i među najučinkovitijim su gorivim ćelijama - takve karakteristike mogu posljedično doprinijeti bržoj proizvodnji energije i visokoj učinkovitosti goriva.

Jedan od karakteristične značajke SHTE – visoka osjetljivost na CO 2 koji se može nalaziti u gorivu ili zraku. CO 2 reagira s elektrolitom, brzo ga truje i uvelike smanjuje učinkovitost gorivne ćelije. Stoga je uporaba SHTE-a ograničena na zatvorene prostore, kao što su svemirska i podvodna vozila, ona moraju raditi na čisti vodik i kisik. Štoviše, molekule kao što su CO, H 2 O i CH4, koje su sigurne za druge gorive ćelije, a čak djeluju i kao gorivo za neke od njih, štetne su za SHFC.

Gorive ćelije s polimernim elektrolitom (PEFC)

U slučaju gorivih ćelija s polimernim elektrolitom, polimerna membrana sastoji se od polimernih vlakana s vodenim područjima u kojima postoji vodljivost vodenih iona H2O+ (proton, crveno) se veže za molekulu vode). Molekule vode predstavljaju problem zbog spore izmjene iona. Stoga je potrebna visoka koncentracija vode iu gorivu i na izlaznim elektrodama, ograničavajući radnu temperaturu na 100°C.

Gorivne ćelije/ćelije sa čvrstom kiselinom (SFC)

U gorivim ćelijama s čvrstom kiselinom elektrolit (CsHSO 4) ne sadrži vodu. Radna temperatura je dakle 100-300°C. Rotacija oksi aniona SO 4 2- omogućuje protonima (crveno) da se kreću kao što je prikazano na slici. Obično je gorivna ćelija s čvrstom kiselinom sendvič u kojem je vrlo tanak sloj spoja s čvrstom kiselinom umetnut između dvije elektrode koje su čvrsto stisnute jedna uz drugu kako bi se osigurao dobar kontakt. Zagrijavanjem organska komponenta isparava, izlazi kroz pore u elektrodama, održavajući sposobnost višestrukih kontakata između goriva (ili kisika na drugom kraju elementa), elektrolita i elektroda.

Inovativne energetski učinkovite gradske toplinske i elektrane obično se grade na gorivnim ćelijama s čvrstim oksidom (SOFC), gorivnim ćelijama s polimernim elektrolitom (PEFC), gorivnim ćelijama s fosfornom kiselinom (PAFC), gorivnim ćelijama s membranom za izmjenu protona (PEMFC) i alkalnim gorivnim ćelijama ( ALFC). Obično imaju sljedeće karakteristike:

Najprikladnije treba smatrati čvrste oksidne gorive ćelije (SOFC), koje:

• rade na višim temperaturama, smanjujući potrebu za skupim plemenitim metalima (kao što je platina)
• može raditi za različite vrste ugljikovodična goriva, uglavnom prirodni plin
• imaju dulje vrijeme pokretanja i stoga su prikladniji za dugoročno djelovanje
• pokazati visoku učinkovitost proizvodnje električne energije (do 70%)
• Zbog visokih radnih temperatura, jedinice se mogu kombinirati sa sustavima za prijenos topline, čime se ukupna učinkovitost sustava povećava do 85%
• imaju gotovo nulte emisije, rade tiho i imaju niske radne zahtjeve u usporedbi s postojećim tehnologijama za proizvodnju električne energije

Budući da se male termoelektrane mogu spojiti na konvencionalnu plinsku mrežu, gorivne ćelije ne zahtijevaju poseban sustav za opskrbu vodikom. Pri korištenju malih termoelektrana temeljenih na gorivnim ćelijama s čvrstim oksidom, proizvedena toplina može se integrirati u izmjenjivače topline za zagrijavanje vode i ventilacijskog zraka, čime se povećava ukupna učinkovitost sustava. Ovaj inovativna tehnologija najprikladniji za učinkovitu proizvodnju električne energije bez potrebe za skupom infrastrukturom i složenom integracijom instrumenata.

Primjena gorivih ćelija/ćelija

Primjena gorivih ćelija/ćelija u telekomunikacijskim sustavima

Zbog brzog širenja bežičnih komunikacijskih sustava diljem svijeta, kao i sve većih socio-ekonomskih prednosti tehnologije mobilnih telefona, potreba za pouzdanom i ekonomičnom rezervnom snagom postala je kritična. Gubici električne energije u mreži tijekom cijele godine zbog loših vremenskih uvjeta, prirodnih katastrofa ili ograničenog kapaciteta mreže predstavljaju stalni izazov za operatere mreže.

Tradicionalna rješenja za rezervno napajanje telekomunikacija uključuju baterije (ventilski regulirane olovne baterije) za kratkoročno rezervno napajanje i generatore na dizel i propan za dugotrajnije rezervno napajanje. Baterije su relativno jeftin izvor rezervne energije za 1 - 2 sata. Međutim, baterije nisu prikladne za dugotrajnije rezervno napajanje jer su skupe za održavanje, postaju nepouzdane nakon dugih razdoblja korištenja, osjetljive su na temperature i opasne su za okoliš nakon odlaganja. Generatori na dizel i propan mogu pružiti dugoročnu rezervu energije. Međutim, generatori mogu biti nepouzdani, zahtijevaju opsežno održavanje i ispuštaju visoke razine zagađivača i stakleničkih plinova.

Kako bi se prevladala ograničenja tradicionalnih rješenja za rezervno napajanje, razvijena je inovativna zelena tehnologija gorivih ćelija. Gorivne ćelije su pouzdane, tihe, sadrže manje pokretnih dijelova od generatora, imaju širi raspon radnih temperatura od baterije: od -40°C do +50°C i, kao rezultat toga, pružaju iznimno visoke razine uštede energije. Osim toga, životni vijek takve instalacije manji je od troškova generatora. Niži troškovi gorivih ćelija rezultat su samo jednog posjeta održavanju godišnje i znatno veće produktivnosti postrojenja. Uostalom, gorive ćelije predstavljaju ekološki prihvatljivo tehnološko rješenje s minimalnim utjecajem na okoliš.

Instalacije gorivih ćelija osiguravaju rezervno napajanje za kritične komunikacijske mrežne infrastrukture za bežične, trajne i širokopojasne komunikacije u telekomunikacijskom sustavu, u rasponu od 250 W do 15 kW, nude mnoge inovativne značajke bez premca:

• POUZDANOST– malo pokretnih dijelova i bez pražnjenja u stanju mirovanja
• UŠTEDA ENERGIJE
• TIŠINA– niska razina buke
• ODRŽIVOST– područje rada od -40°C do +50°C
• PRILAGODLJIVOST– montaža na otvorenom i u zatvorenom prostoru (kontejner/zaštitna posuda)
• VISOKA SNAGA, VISOKI NAPON– do 15 kW
• MALI ZAHTJEV ODRŽAVANJA– minimalno godišnje održavanje
• EKONOMIČAN- atraktivan ukupni trošak vlasništva
• ZELENA ENERGIJA– niske emisije uz minimalan utjecaj na okoliš

Sustav u svakom trenutku osjeća napon istosmjerne sabirnice i glatko prihvaća kritična opterećenja ako napon istosmjerne sabirnice padne ispod korisnički definirane zadane vrijednosti. Sustav radi na vodiku, koji se dovodi u sklop gorivih ćelija na jedan od dva načina - ili iz industrijskog izvora vodika ili iz tekućeg goriva od metanola i vode, korištenjem integriranog sustava reformiranja.

Električnu energiju proizvodi niz gorivih ćelija u obliku istosmjerne struje. Istosmjerna snaga se prenosi na pretvarač, koji pretvara nereguliranu istosmjernu struju koja dolazi iz sklopa gorivih ćelija u visokokvalitetnu reguliranu istosmjernu struju za potrebna opterećenja. Instalacije gorivih ćelija mogu osigurati pričuvnu energiju za mnogo dana jer je trajanje ograničeno samo količinom vodika ili goriva metanol/voda.

Gorivne ćelije nude vrhunsku uštedu energije, poboljšanu pouzdanost sustava, predvidljivije performanse u širokom rasponu klimatskih uvjeta i pouzdanu radnu trajnost u usporedbi sa standardnim industrijskim ventilom reguliranim olovnim baterijskim paketima. Životni troškovi također su niži zbog znatno nižih zahtjeva za održavanjem i zamjenom. Gorivne ćelije krajnjem korisniku nude prednosti za okoliš budući da su troškovi zbrinjavanja i rizici odgovornosti povezani s olovno-kiselim ćelijama sve veća briga.

Za karakteristike izvedbe električne baterije može negativno utjecati širok raspon čimbenika kao što su razina napunjenosti, temperatura, ciklusi, životni vijek i druge varijable. Dobivena energija varirat će ovisno o tim čimbenicima i nije je lako predvidjeti. Ti čimbenici relativno ne utječu na izvedbu gorivne ćelije s membranom za izmjenu protona (PEMFC) i može osigurati kritičnu snagu sve dok je gorivo dostupno. Povećana predvidljivost važna je prednost pri prelasku na gorive ćelije za kritične aplikacije rezervnog napajanja.

Gorivne ćelije proizvode energiju samo kada se dovodi gorivo, slično generatoru plinske turbine, ali nemaju pokretnih dijelova u području proizvodnje. Stoga, za razliku od generatora, nisu podložni brzom trošenju i ne zahtijevaju stalno održavanje i podmazivanje.

Gorivo koje se koristi za pogon pretvarača goriva s produljenim trajanjem je mješavina goriva metanola i vode. Metanol je široko dostupno, komercijalno proizvedeno gorivo koje trenutno ima mnoge namjene, uključujući pranje vjetrobranskog stakla, plastične boce, aditivi za motore, emulzijske boje. Metanol se lako prenosi, može se miješati s vodom, ima dobru biorazgradivost i ne sadrži sumpor. Ima nisku točku smrzavanja (-71°C) i ne raspada se tijekom dugotrajnog skladištenja.

Primjena gorivih ćelija/ćelija u komunikacijskim mrežama

Sigurnosne komunikacijske mreže zahtijevaju pouzdana rješenja za rezervno napajanje koja mogu raditi satima ili danima. hitne situacije, ako električna mreža više nije dostupna.

S malo pokretnih dijelova i bez gubitka snage u stanju pripravnosti, inovativna tehnologija gorivih ćelija nudi privlačno rješenje za trenutne rezervne sustave napajanja.

Najuvjerljiviji argument za korištenje tehnologije gorivih ćelija u komunikacijskim mrežama je povećana ukupna pouzdanost i sigurnost. Tijekom događaja kao što su nestanci struje, potresi, oluje i uragani, važno je da sustavi nastave raditi i da im se osigura pouzdano rezervno napajanje tijekom duljeg vremenskog razdoblja, bez obzira na temperaturu ili starost rezervnog sustava napajanja.

Linija energetskih uređaja temeljenih na gorivim ćelijama idealna je za podršku tajnim komunikacijskim mrežama. Zahvaljujući svojim načelima dizajna za uštedu energije, oni pružaju ekološki prihvatljivo, pouzdano rezervno napajanje s produljenim trajanjem (do nekoliko dana) za upotrebu u rasponu snage od 250 W do 15 kW.

Primjena gorivih ćelija/ćelija u podatkovnim mrežama

Pouzdano napajanje podatkovnih mreža, kao što su podatkovne mreže velike brzine i optičke okosnice, od ključne je važnosti u cijelom svijetu. Informacije koje se prenose preko takvih mreža sadrže ključne podatke za institucije kao što su banke, zrakoplovne tvrtke ili medicinski centri. Nestanak struje u takvim mrežama ne samo da predstavlja opasnost za informacije koje se prenose, već, u pravilu, dovodi i do značajnih financijskih gubitaka. Pouzdane, inovativne instalacije gorivih ćelija koje osiguravaju rezervno napajanje osiguravaju pouzdanost potrebnu za osiguravanje neprekinutog napajanja.

Jedinice gorivih ćelija, koje pokreće mješavina tekućeg goriva metanola i vode, pružaju pouzdanu pomoćnu snagu s produljenim trajanjem, do nekoliko dana. Osim toga, ove jedinice imaju značajno smanjene zahtjeve za održavanjem u usporedbi s generatorima i baterijama, zahtijevajući samo jedan posjet održavanju godišnje.

Tipične karakteristike mjesta primjene za korištenje instalacija gorivih ćelija u podatkovnim mrežama:

• Prijave s potrošnjom energije od 100 W do 15 kW
• Aplikacije sa zahtjevima trajanja baterije > 4 sata
• Repetitori u optičkim sustavima (hijerarhija sinkronih digitalnih sustava, brzi internet, glas preko IP-a...)
• Mrežni čvorovi za brzi prijenos podataka
• WiMAX prijenosni čvorovi

Instalacije rezervnog napajanja gorivih ćelija nude brojne prednosti za kritične podatkovne mrežne infrastrukture u usporedbi s tradicionalnim baterijskim ili dizelskim generatorima, omogućujući povećane mogućnosti postavljanja na licu mjesta:

1. Tehnologija tekućeg goriva rješava problem postavljanja vodika i pruža gotovo neograničenu pomoćnu snagu.
2. Zahvaljujući tihom radu, maloj težini, otpornosti na temperaturne promjene i radu praktički bez vibracija, gorivne ćelije mogu se ugraditi izvan zgrada, u industrijske zgrade/kontejnere ili na krovove.
3. Pripreme za korištenje sustava na licu mjesta su brze i ekonomične, a operativni troškovi niski.
4. Gorivo je biorazgradivo i pruža ekološki prihvatljivo rješenje za urbane sredine.

Primjena gorivih ćelija/ćelija u sigurnosnim sustavima

Najpažljivije dizajnirani sigurnosni i komunikacijski sustavi zgrade pouzdani su samo onoliko koliko je pouzdano napajanje koje ih podržava. Iako većina sustava uključuje neku vrstu rezervnog sustava neprekidnog napajanja za kratkotrajne gubitke struje, oni ne prihvaćaju dugotrajne prekide napajanja do kojih može doći nakon prirodnih katastrofa ili terorističkih napada. Ovo bi moglo biti kritično pitanje za mnoge korporativne i državne agencije.

Vitalni sustavi kao što su CCTV sustavi za nadzor i kontrolu pristupa (čitači osobnih kartica, uređaji za zaključavanje vrata, tehnologija biometrijske identifikacije itd.), automatski sustavi za dojavu požara i gašenje požara, sustavi za kontrolu dizala i telekomunikacijske mreže, u opasnosti su u nedostatku pouzdano, dugotrajno alternativno napajanje.

Diesel generatori stvaraju mnogo buke, teško ih je postaviti i imaju dobro poznate probleme s pouzdanošću i tehničko održavanje. Nasuprot tome, instalacija gorivih ćelija koja osigurava pomoćno napajanje je tiha, pouzdana, proizvodi nulte ili vrlo niske emisije i može se lako postaviti na krov ili izvan zgrade. Ne prazni se niti gubi snagu u stanju mirovanja. Osigurava nastavak rada kritičnih sustava, čak i nakon prestanka rada objekta i napuštanja zgrade.

Inovativne instalacije gorivih ćelija štite skupa ulaganja u kritične primjene. Oni pružaju ekološki prihvatljivo, pouzdano rezervno napajanje s produženim trajanjem (do mnogo dana) za upotrebu u rasponu snage od 250 W do 15 kW, u kombinaciji s brojnim značajkama bez premca i, posebno, visokim razinama uštede energije.

Instalacije za pomoćno napajanje gorivim ćelijama nude brojne prednosti za korištenje u kritičnim aplikacijama kao što su sigurnosni i sustavi upravljanja zgradama u odnosu na tradicionalne aplikacije na baterije ili dizel generatore. Tehnologija tekućeg goriva rješava problem postavljanja vodika i pruža gotovo neograničenu pomoćnu snagu.

Primjena gorivih ćelija/ćelija u komunalnom grijanju i proizvodnji električne energije

Gorivne ćelije s čvrstim oksidom (SOFC) osiguravaju pouzdane, energetski učinkovite termoelektrane bez emisija za proizvodnju električne energije i topline iz široko dostupnog prirodnog plina i obnovljivih izvora goriva. Ove inovativne instalacije koriste se na raznim tržištima, od kućne proizvodnje električne energije do daljinskog napajanja, kao i pomoćnih izvora napajanja.

Ove jedinice koje štede energiju proizvode toplinu za grijanje prostora i grijanje vode, kao i električnu energiju koja se može koristiti u kući i vraćati natrag u mrežu. Distribuirani izvori proizvodnje električne energije mogu uključivati ​​fotonaponske (solarne) ćelije i mikrovjetroturbine. Ove tehnologije su vidljive i nadaleko poznate, ali njihov rad ovisi o vremenskim uvjetima i ne mogu konstantno proizvoditi električnu energiju tijekom cijele godine. Termoelektrane mogu varirati u snazi ​​od manje od 1 kW do 6 MW ili više.

Primjena gorivih ćelija/ćelija u distribucijskim mrežama

Male termoelektrane projektirane su za rad u distribuiranoj mreži za proizvodnju električne energije koja se sastoji od velikog broja malih agregata umjesto jedne centralizirane elektrane.

Donja slika prikazuje gubitak u učinkovitosti proizvodnje električne energije kada se ona proizvodi u termoelektrani i prenosi u domove putem tradicionalnih mreža za prijenos električne energije koje se trenutno koriste. Gubici učinkovitosti u centraliziranoj proizvodnji uključuju gubitke iz elektrane, niskonaponske i visokonaponske prijenose te gubitke u distribuciji.

Na slici su prikazani rezultati integracije malih termoelektrana: električna energija se proizvodi uz proizvodnu učinkovitost do 60% na mjestu korištenja. Osim toga, toplinu koju stvaraju gorivne ćelije kućanstvo može koristiti za zagrijavanje vode i prostora, čime se povećava ukupna učinkovitost prerade energije goriva i povećava ušteda energije.

Korištenje gorivih ćelija za zaštitu okoliša - iskorištavanje pratećeg naftnog plina

Jedan od najvažnijih zadataka u naftnoj industriji je iskorištavanje pratećeg naftnog plina. Postojeće metode Korištenje pratećeg naftnog plina ima dosta nedostataka, od kojih je glavni taj što nisu ekonomski isplativi. Povezani naftni plin se spaljuje, što uzrokuje golemu štetu okolišu i ljudskom zdravlju.

Inovativne termoelektrane s gorivnim ćelijama koje kao gorivo koriste prateći naftni plin otvaraju put radikalnom i ekonomičnom rješenju problema iskorištavanja pratećeg naftnog plina.

1. Jedna od glavnih prednosti instalacija gorivih ćelija je da mogu pouzdano i stabilno raditi na prateći naftni plin promjenjivog sastava. Zbog kemijske reakcije bez plamena koja je u osnovi rada gorive ćelije, smanjenje postotka, na primjer, metana uzrokuje samo odgovarajuće smanjenje izlazne snage.
2. Fleksibilnost u odnosu na električno opterećenje potrošača, pad, udar opterećenja.
3. Za ugradnju i spajanje termoelektrana na gorivne ćelije njihova implementacija ne zahtijeva kapitalne troškove, jer Jedinice se mogu lako instalirati na nepripremljenim mjestima u blizini polja, jednostavne su za korištenje, pouzdane i učinkovite.
4. Visoka automatizacija i moderno daljinsko upravljanje ne zahtijevaju stalnu prisutnost osoblja na instalaciji.
5. Jednostavnost i tehnička savršenost dizajna: odsutnost pokretnih dijelova, sustava trenja i podmazivanja osigurava značajnu ekonomske koristi od rada instalacija gorivih ćelija.
6. Potrošnja vode: nikakva pri temperaturama okoline do +30 °C, a zanemariva pri višim temperaturama.
7. Izlaz vode: nema.
8. Osim toga, termoelektrane koje koriste gorive ćelije ne stvaraju buku, ne vibriraju,

Sir William Grove znao je mnogo o elektrolizi, pa je pretpostavio da bi proces (koji razdvaja vodu na komponente vodik i kisik propuštanjem struje kroz nju) mogao proizvesti , ako se provodi obrnuto. Nakon što je napravio izračune na papiru, došao je do eksperimentalne faze i mogao dokazati svoje ideje. Dokazanu hipotezu razvili su znanstvenici Ludwig Mond i njegov pomoćnik Charles Langre, unaprijedili tehnologiju i davne 1889. godine dali joj ime koje je sadržavalo dvije riječi - "gorivna ćelija".

Sada je ova fraza čvrsto ušla u svakodnevni život vozača. Zasigurno ste više puta čuli izraz "gorivne ćelije". U vijestima na internetu i na TV-u sve više bljeskaju nove riječi. Obično se odnose na priče o najnovijim hibridnim vozilima ili razvojnim programima za ta hibridna vozila.

Primjerice, prije 11 godina u Sjedinjenim Državama pokrenut je program “The Hydrogen Fuel Initiative”. Program je imao za cilj razviti tehnologije vodikovih gorivih ćelija i infrastrukturnih tehnologija potrebnih kako bi vozila s gorivim ćelijama postala praktična i ekonomski održiva do 2020. Usput, tijekom tog vremena za program je izdvojeno više od milijardu dolara, što ukazuje na ozbiljnu okladu na koju su se američke vlasti stavile.

S druge strane oceana proizvođači automobila također nisu spavali, već su započeli ili nastavili s istraživanjem automobila s gorivnim ćelijama. , te čak nastavio raditi na stvaranju pouzdane tehnologije gorivih ćelija.

Najveći uspjeh na tom polju od svih svjetskih proizvođača automobila postigla su dva japanska proizvođača automobila i. Njihovi modeli s gorivim ćelijama već su ušli u masovnu proizvodnju, dok su im konkurenti odmah iza.

Stoga su gorivne ćelije u automobilskoj industriji tu da ostanu. Razmotrimo načela rada tehnologije i njezinu primjenu u modernim automobilima.

Princip rada gorive ćelije

Zapravo, . S tehničkog stajališta, gorivu ćeliju možemo definirati kao elektrokemijski uređaj za pretvorbu energije. Pretvara čestice vodika i kisika u vodu, proizvodeći pritom istosmjernu struju.

Postoje mnoge vrste gorivih ćelija, neke se već koriste u automobilima, a druge su u fazi istraživanja. Većina njih koristi vodik i kisik kao glavne kemijski elementi potrebno za pretvorbu.

Sličan se postupak događa i u običnoj bateriji, jedina je razlika što ona već ima sve potrebno kemijske tvari potreban za pretvorbu "na brodu", dok se goriva ćelija može "puniti" iz vanjski izvor, zahvaljujući kojima se može nastaviti proces “proizvodnje” električne energije. Osim vodene pare i električne energije, još jedan nusproizvod postupka je proizvedena toplina.

Gorivna ćelija s membranom za izmjenu protona vodik-kisik sadrži polimernu membranu koja provodi proton i odvaja dvije elektrode, anodu i katodu. Svaka elektroda je obično ugljična ploča (matrica) obložena katalizatorom - platinom ili legurom metala platinske skupine i drugih sastava.

Na anodnom katalizatoru molekularni vodik disocira i gubi elektrone. Vodikovi kationi se provode kroz membranu do katode, ali elektroni se daju u vanjski krug, budući da membrana ne dopušta prolazak elektrona.

Na katodnom katalizatoru, molekula kisika spaja se s elektronom (koji se dovodi iz vanjskih komunikacija) i nadolazećim protonom te tvori vodu, koja je jedini proizvod reakcije (u obliku pare i/ili tekućine).

wikipedia.org

Primjena u automobilima

Od svih vrsta gorivih ćelija, gorivne ćelije temeljene na membranama za izmjenu protona ili kako ih na zapadu nazivaju Polymer Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC), čini se da su najbolji kandidati za upotrebu u vozilima. Glavni razlozi za to su njegova velika gustoća snage i relativno niska radna temperatura, što opet znači da ne zahtijeva puno vremena da se gorivne ćelije stave u rad. Brzo će se zagrijati i početi proizvoditi potrebnu količinu električne energije. Također koristi jednu od najjednostavnijih reakcija bilo koje vrste gorive ćelije.

Prvi vozilo ova tehnologija je napravljena davne 1994. godine kada je Mercedes-Benz predstavio MB100 temeljen na NECAR1 (novi električni automobil 1). Osim niske snage (samo 50 kilovata), najveća mana ovog koncepta bila je ta što je gorivna ćelija zauzimala cijeli volumen teretnog prostora kombija.

Štoviše, iz perspektive pasivne sigurnosti, bila je to užasna ideja za masovnu proizvodnju, s obzirom na potrebu da se na brod ugradi masivni spremnik ispunjen zapaljivim vodikom pod pritiskom.

Tijekom sljedećeg desetljeća tehnologija se razvijala i jedan od posljednjih Mercedesovih koncepata gorivih ćelija imao je izlaznu snagu od 115 KS. (85 kW) i dometom od oko 400 kilometara prije punjenja gorivom. Naravno, Nijemci nisu bili jedini pioniri u razvoju gorivih ćelija budućnosti. Ne zaboravite na dva Japanca, Toyotu i . Jedan od najvećih automobilskih igrača je Honda, koja je predstavila serijski automobil pokretan vodikovim gorivnim ćelijama. Prodaja FCX Clarityja u Sjedinjenim Američkim Državama počela je u ljeto 2008., a nešto kasnije prodaja se preselila u Japan.

Toyota je otišla još dalje s Miraijem, čiji je napredni sustav vodikovih gorivih ćelija očito sposoban futurističkom automobilu dati domet od 520 km s jednim spremnikom koji se može napuniti za manje od pet minuta, jednako kao i obični spremnik. Podaci o potrošnji goriva začudit ​​će svakog skeptika, čak i za auto s klasičnom elektranom troši 3,5 litara bez obzira na uvjete u kojima se automobil koristi, u gradu, na autocesti ili u kombiniranom ciklusu.

Prošlo je osam godina. Honda je dobro iskoristila ovo vrijeme. Druga generacija Honde FCX Clarity je sada u prodaji. Njegove baterije gorivih ćelija su 33% kompaktnije od onih na prvom modelu, a gustoća snage povećana je za 60%. Honda kaže da su gorive ćelije i integrirani pogonski sklop u Clarity Fuel Cell po veličini usporedivi s V6 motorom, ostavljajući dovoljno unutarnjeg prostora za pet putnika i njihovu prtljagu.

Procijenjeni domet je 500 km, a početna cijena novog proizvoda trebala bi biti fiksna na 60 tisuća dolara. Skup? Naprotiv, vrlo je jeftino. Početkom 2000. automobili sa sličnim tehnologijama koštali su 100.000 dolara.

Automobil na vodeni pogon uskoro bi mogao postati stvarnost, a vodikove gorive ćelije bit će ugrađene u mnoge domove...

Tehnologija vodikovih gorivih ćelija nije nova. Počelo je 1776. godine, kada je Henry Cavendish prvi otkrio vodik dok je otapao metale u razrijeđenim kiselinama. Prvu vodikovu gorivu ćeliju izumio je William Grove već 1839. godine. Od tada su se vodikove gorivne ćelije postupno poboljšavale i sada se ugrađuju u svemirske letjelice, opskrbljuju ih energijom i služe kao izvor vode. Danas je tehnologija vodikovih gorivih ćelija na rubu dostizanja masovnog tržišta, u automobilima, domovima i prijenosnim uređajima.

U vodikovim gorivim ćelijama kemijska energija (u obliku vodika i kisika) pretvara se izravno (bez izgaranja) u električnu energiju. Gorivna ćelija sastoji se od katode, elektrode i anode. Vodik se dovodi do anode, gdje se razdvaja na protone i elektrone. Protoni i elektroni imaju različite putove do katode. Protoni se kreću kroz elektrodu do katode, a elektroni prolaze oko gorivih ćelija kako bi došli do katode. Ovo kretanje stvara naknadno iskoristivu električnu energiju. S druge strane, vodikovi protoni i elektroni spajaju se s kisikom u vodu.

Elektrolizatori su jedan od načina ekstrakcije vodika iz vode. Proces je u osnovi suprotan od onoga što se događa s vodikovom gorivnom ćelijom. Elektrolizator se sastoji od anode, elektrokemijske ćelije i katode. Voda i napon se stavljaju na anodu, koja razdvaja vodu na vodik i kisik. Vodik prolazi kroz elektrokemijsku ćeliju do katode, a kisik se dovodi izravno na katodu. Od tamo se vodik i kisik mogu ekstrahirati i pohraniti. Tijekom vremena kada nije potrebna proizvodnja električne energije, akumulirani plin može se ukloniti iz skladišta i vratiti natrag kroz gorivu ćeliju.

Ovaj sustav kao gorivo koristi vodik, zbog čega vjerojatno postoje mnogi mitovi o njegovoj sigurnosti. Nakon eksplozije Hindenburga, mnogi ljudi daleko od znanosti, pa čak i neki znanstvenici počeli su vjerovati da je uporaba vodika vrlo opasna. No nedavna istraživanja pokazala su da je uzrok ove tragedije bio povezan s vrstom materijala koji je korišten u konstrukciji, a ne s vodikom koji je upumpavan unutra. Nakon testiranja sigurnosti skladištenja vodika otkriveno je da skladištenje vodika u gorivim ćelijama je sigurnije nego skladištenje benzina u spremniku goriva automobila.

Koliko koštaju moderne vodikove gorivne ćelije?? Tvrtke trenutno nude vodik sustavi goriva proizvodeći energiju po cijeni od oko 3000 dolara po kilovatu. Marketinškim istraživanjem utvrđeno je da će potrošači na tržištu masovne energije biti spremni prijeći na ovu vrstu goriva kada cijena padne na 1500 dolara po kilovatu.

Vozila s vodikovim gorivnim ćelijama još su uvijek skuplja od vozila s motorom s unutarnjim izgaranjem, ali proizvođači istražuju načine kako dovesti cijenu na usporedivu razinu. U nekim udaljenim područjima gdje nema električnih vodova, korištenje vodika kao goriva ili neovisno napajanje doma električnom energijom trenutno može biti ekonomičnije od, na primjer, izgradnje infrastrukture za tradicionalne izvore energije.

Zašto vodikove gorivne ćelije još uvijek nisu u širokoj upotrebi? Trenutačno je njihova visoka cijena glavni problem za širenje vodikovih gorivih ćelija. Vodikovi sustavi goriva trenutno jednostavno nemaju masovnu potražnju. Međutim, znanost ne stoji mirno iu bliskoj budućnosti automobil na vodu mogao bi postati prava stvarnost.

Kemijski procesi u gorivnoj ćeliji

Gorivne ćelije koriste elektrokemijski proces za spajanje vodika s kisikom dobivenim iz zraka. Kao u baterije Gorivne ćelije koriste elektrode (krute električne vodiče) u elektrolitu (elektro vodljivi medij). Kada molekule vodika dođu u dodir s negativnom elektrodom (anodom), one se razdvajaju na protone i elektrone. Protoni prolaze kroz membranu za izmjenu protona (POEM) do pozitivne elektrode (katode) gorive ćelije, proizvodeći električnu energiju. Događa se kemijski spoj molekule vodika i kisika stvarajući vodu kao nusprodukt ove reakcije. Jedina vrsta emisija iz gorivih ćelija je vodena para.
Električna energija koju proizvode gorive ćelije može se koristiti u električnom pogonskom sklopu vozila (sastoji se od pretvarača električne energije i asinkroni motor izmjenična struja) za proizvodnju mehaničke energije za pogon vozila. Zadatak pretvarača električne energije je pretvaranje istosmjerne struje koju proizvode gorive ćelije u izmjeničnu struju koja pokreće pogonski motor vozila.

Dijagram gorive ćelije s membranom za izmjenu protona:
1 - anoda;
2 - membrana za izmjenu protona (PEM);
3 - katalizator (crveno);
4 - katoda

Goriva ćelija s membranom protonske izmjene (PEMFC) koristi jednu od najjednostavnijih reakcija od bilo koje gorive ćelije.

Gorivna ćelija s jednom ćelijom

Pogledajmo kako radi goriva ćelija. Anoda, negativni terminal gorive ćelije, provodi elektrone koji su oslobođeni od molekula vodika tako da se mogu koristiti u vanjskom električnom krugu. Da biste to učinili, u njega su ugravirani kanali koji ravnomjerno raspoređuju vodik po cijeloj površini katalizatora. Katoda (pozitivni pol gorive ćelije) ima ugravirane kanale koji distribuiraju kisik po površini katalizatora. Također vodi elektrone natrag iz vanjske petlje (kruga) do katalizatora, gdje se mogu spojiti s vodikovim ionima i kisikom u vodu. Elektrolit je membrana za izmjenu protona. Ovo je poseban materijal sličan običnoj plastici, ali ima sposobnost propuštanja pozitivno nabijenih iona i blokiranja prolaska elektrona.
Katalizator je poseban materijal koji olakšava reakciju između kisika i vodika. Katalizator se obično izrađuje od platinastog praha nanesenog u vrlo tankom sloju na karbonski papir ili tkaninu. Katalizator mora biti hrapav i porozan kako bi njegova površina mogla doći u maksimalan kontakt s vodikom i kisikom. Strana katalizatora obložena platinom nalazi se ispred membrane za izmjenu protona (PEM).
Plinoviti vodik (H2) dovodi se u gorivnu ćeliju pod pritiskom iz anode. Kada molekula H2 dođe u kontakt s platinom na katalizatoru, ona se podijeli na dva dijela, dva iona (H+) i dva elektrona (e–). Elektroni se provode kroz anodu, gdje prolaze kroz vanjsku petlju (strujni krug) obavljajući koristan rad (kao što je pogon elektromotora) i vraćaju se na stranu katode gorive ćelije.
U međuvremenu, na strani katode gorive ćelije, plinoviti kisik (O2) prolazi kroz katalizator, gdje formira dva atoma kisika. Svaki od ovih atoma ima snažan negativan naboj, koji privlači dva H+ iona preko membrane, gdje se spajaju s atomom kisika i dva elektrona iz vanjskog kruga u molekulu vode (H 2 O).
Ova reakcija u jednoj gorivnoj ćeliji proizvodi približno 0,7 W snage. Da bi se snaga podigla na potrebnu razinu, mnogo pojedinačnih gorivih ćelija mora se kombinirati u skup gorivih ćelija.
POM gorive ćelije rade na relativno niskim temperaturama (oko 80°C), što znači da se mogu brzo podići na radnu temperaturu i ne zahtijevaju skupe sustave hlađenja. Stalna poboljšanja tehnologije i materijala korištenih u tim ćelijama približila su njihovu snagu do te mjere da baterija takvih gorivih ćelija, zauzimajući mali dio prtljažnika automobila, može osigurati energiju potrebnu za pogon automobila.
Tijekom proteklih godina većina vodećih svjetskih proizvođača automobila uložila je velika sredstva u razvoj dizajna vozila koja koriste gorive ćelije. Mnogi su već demonstrirali vozila na gorive ćelije sa zadovoljavajućom snagom i performansama, iako su bila prilično skupa.
Poboljšanje dizajna takvih automobila je vrlo intenzivno.

Vozilo na gorive ćelije koristi elektranu smještenu ispod poda vozila

Vozilo NECAR V temelji se na Mercedes-Benz A klase, a cijela elektrana zajedno s gorivnim ćelijama nalazi se ispod poda automobila. Ovo dizajnersko rješenje omogućuje smještaj četiri putnika i prtljage u automobilu. Ovdje se kao gorivo za automobil ne koristi vodik, već metanol. Metanol se pomoću reformera (uređaja koji pretvara metanol u vodik) pretvara u vodik neophodan za napajanje gorive ćelije. Korištenje reformatora u automobilu omogućuje korištenje gotovo svih ugljikovodika kao goriva, što vam omogućuje punjenje automobila s gorivnim ćelijama pomoću postojeće mreže benzinskih postaja. U teoriji, gorivne ćelije ne proizvode ništa osim struje i vode. Pretvaranje goriva (benzina ili metanola) u vodik potreban za gorivu ćeliju donekle smanjuje ekološku privlačnost takvog automobila.
Honda, koja se bavi gorivim ćelijama od 1989., proizvela je malu seriju automobila Honda FCX-V4 s gorivim ćelijama za izmjenu protona 2003. tip membrane od Ballarda. Te gorivne ćelije generiraju 78 kW električne energije, a za pogon pogonskih kotača koriste se vučni elektromotori snage 60 kW i okretnog momenta od 272 Nm 40% manje, što mu osigurava izvrsnu dinamiku, a opskrba stlačenim vodikom omogućuje pretrčavanje do 355 km.

Honda FCX za vožnju koristi električnu energiju koju generiraju gorivne ćelije.
Honda FCX prvo je vozilo s gorivnim ćelijama na svijetu koje je dobilo državni certifikat u Sjedinjenim Državama. Automobil je certificiran prema standardima ZEV - Zero Emission Vehicle. Honda još neće prodavati ove automobile, ali uzima na leasing oko 30 automobila po jedinici. Kaliforniji i Tokiju, gdje već postoji infrastruktura za punjenje vodikom.

General Motorsovo konceptno vozilo Hy Wire ima pogon na gorive ćelije

General Motors provodi opsežna istraživanja razvoja i stvaranja vozila s gorivnim ćelijama.

Šasija automobila Hy Wire

Konceptnom automobilu GM Hy Wire izdano je 26 patenata. Osnova automobila je funkcionalna platforma debljine 150 mm. Unutar platforme nalaze se spremnici vodika, pogonski sklop s gorivnim ćelijama i sustavi upravljanja vozilom koji koriste najnoviju tehnologiju vožnje po žici. Šasija vozila Hy Wire tanka je platforma na kojoj se nalaze svi glavni elementi strukture vozila: spremnici vodika, gorivne ćelije, baterije, elektromotori i sustavi upravljanja. Ovakav pristup dizajnu omogućuje promjenu karoserije automobila tijekom rada. Tvrtka također testira prototip automobila na gorive ćelije i projektira tvornicu za proizvodnju gorivih ćelija.

Dizajn "sigurnog" spremnika za ukapljeni vodik:
1 - uređaj za punjenje;
2 - vanjski spremnik;
3 - nosači;
4 - senzor razine;
5 - unutarnji spremnik;
6 - linija za punjenje;
7 - izolacija i vakuum;
8 - grijač;
9 - montažna kutija

BMW veliku pozornost posvećuje problemu korištenja vodika kao goriva za automobile. Zajedno s tvrtkom Magna Steyer, poznatom po svom radu na korištenju ukapljenog vodika u istraživanju svemira, BMW je razvio spremnik goriva za ukapljeni vodik koji se može koristiti u automobilima.

Ispitivanja su potvrdila sigurnost korištenja spremnika goriva na tekući vodik

Tvrtka je provela niz testova sigurnosti konstrukcije standardnim metodama i potvrdila njezinu pouzdanost.
Godine 2002. na sajmu automobila u Frankfurtu na Majni (Njemačka) prikazan je Mini Cooper Hydrogen koji kao gorivo koristi ukapljeni vodik. Spremnik goriva ovog automobila zauzima isti prostor kao i obični spremnik goriva. Vodik se u ovom automobilu ne koristi za gorive ćelije, već kao gorivo za motor s unutarnjim izgaranjem.

Prvi serijski automobil na svijetu s gorivnom ćelijom umjesto baterije

Godine 2003. BMW je najavio proizvodnju prvog serijskog automobila s gorivnom ćelijom, BMW 750 hL. Umjesto tradicionalne baterije koristi se baterija gorivih ćelija. Ovaj automobil ima 12-cilindrični motor s unutarnjim izgaranjem koji radi na vodik, a gorivna ćelija služi kao alternativa konvencionalnoj bateriji, omogućujući klima uređaju i ostalim potrošačima električne energije rad kada je automobil dugo parkiran bez rada motora.

Punjenje vodikom vrši robot, vozač nije uključen u ovaj proces

Ista tvrtka BMW razvila je i robotske točionice goriva koje omogućuju brzo i sigurno punjenje automobila tekućim vodikom.
Pojava u posljednjih nekoliko godina velikog broja razvoja usmjerenih na stvaranje automobila koji koriste alternativna goriva i alternativne pogonske sklopove sugerira da će motori s unutarnjim izgaranjem, koji su dominirali automobilima u prošlom stoljeću, s vremenom ustupiti mjesto čistijim, učinkovitijim i tišim dizajnima. Njihovo široko usvajanje trenutačno nije ograničeno tehničkim, već prije ekonomskim i društvenim problemima. Za njihovu široku primjenu potrebno je stvoriti određenu infrastrukturu za razvoj proizvodnje alternativnih goriva, stvaranje i distribuciju novih benzinskih postaja te prevladati niz psiholoških barijera. Korištenje vodika kao goriva za vozila zahtijevat će rješavanje problema skladištenja, isporuke i distribucije, uz uvođenje ozbiljnih sigurnosnih mjera.
Teoretski, vodik je dostupan u neograničena količina, ali je njegova proizvodnja vrlo energetski intenzivna. Osim toga, da bi se automobili prebacili na vodikovo gorivo, potrebno je napraviti dvije velike promjene u elektroenergetskom sustavu: prvo prebaciti njegov rad s benzina na metanol, a zatim, kroz određeno vrijeme, na vodik. Proći će neko vrijeme dok se ovaj problem ne riješi.

Goriva ćelija- što je? Kada i kako se pojavio? Zašto je to potrebno i zašto se o njima tako često govori ovih dana? Koje su njegove primjene, karakteristike i svojstva? Nezaustavljiv napredak zahtijeva odgovore na sva ova pitanja!

Što je gorivna ćelija?

Goriva ćelija- ovo je kemijski izvor struje ili elektrokemijski generator, ovo je uređaj za pretvaranje kemijske energije u električnu energiju. U suvremenom životu kemijski izvori energije koriste se posvuda, a to su baterije za mobilne telefone, prijenosna računala, dlanovnike, kao i baterije u automobilima, besprekidni izvori napajanja itd. Sljedeća faza u razvoju ovog područja bit će široka distribucija gorivih ćelija i to je nepobitna činjenica.

Povijest gorivih ćelija

Povijest gorivih ćelija još je jedna priča o tome kako su svojstva materije, jednom otkrivena na Zemlji, našla široku primjenu daleko u svemiru, a na prijelazu tisućljeća vratila se s neba na Zemlju.

Sve je počelo 1839, kada je njemački kemičar Christian Schönbein objavio principe gorive ćelije u Filozofskom časopisu. Iste godine, Englez i diplomant Oxforda, William Robert Grove, dizajnirao je galvanski članak, kasnije nazvan Groveov galvanski članak, koji je također priznat kao prvi gorivni članak. Naziv "gorivne ćelije" izum je dobio u godini njegove obljetnice - 1889. Ludwig Mond i Karl Langer su autori pojma.

Nešto ranije, 1874., Jules Verne je u svom romanu Tajanstveni otok predvidio trenutnu energetsku situaciju, napisavši da će se “voda jednog dana koristiti kao gorivo, koristit će se vodik i kisik od kojih se ona sastoji”.

U međuvremenu, nova tehnologija napajanje se postupno usavršavalo, a od 50-ih godina 20. stoljeća nije prošla ni godina bez najava najnovijih izuma na ovom području. Godine 1958. prvi traktor s pogonom na gorive ćelije pojavio se u Sjedinjenim Državama, 1959. godine. pušteno je napajanje od 5kW za aparat za zavarivanje itd. U 70-ima je vodikova tehnologija uzletjela u svemir: pojavili su se zrakoplovi i raketni motori na vodik. U 60-ima je RSC Energia razvila gorivne ćelije za sovjetski lunarni program. Program Buran također nije mogao bez njih: razvijene su alkalne gorivne ćelije od 10 kW. A pred kraj stoljeća, gorivne ćelije prešle su nultu visinu iznad razine mora - na temelju njih, napajanje Njemačka podmornica. Povratak na Zemlju, prva lokomotiva puštena je u rad u Sjedinjenim Državama 2009. godine. Naravno, na gorive ćelije.

U svoj divnoj povijesti gorivih ćelija, zanimljivo je da je kotač i dalje izum čovječanstva koji nema analoga u prirodi. Činjenica je da su gorivne ćelije po svom dizajnu i principu rada slične biološkoj ćeliji, koja je u biti minijaturna vodikovo-kisikova gorivna ćelija. Kao rezultat toga, čovjek je ponovno izmislio nešto što priroda koristi milijunima godina.

Princip rada gorivih ćelija

Princip rada gorivih ćelija očit je čak i iz školski plan i program u kemiji i upravo je to bilo postavljeno u eksperimentima Williama Grovea 1839. godine. Stvar je u tome što je proces elektrolize vode (disocijacija vode) reverzibilan. Baš kao što je istina da kada električna struja prolazi kroz vodu, potonja se dijeli na vodik i kisik, tako vrijedi i obrnuto: vodik i kisik mogu se spojiti da bi proizveli vodu i električnu energiju. U Groveovom pokusu dvije su elektrode stavljene u komoru u koju su pod pritiskom dovedene ograničene količine čistog vodika i kisika. Zbog malih volumena plina, kao i zbog kemijskih svojstava ugljičnih elektroda, u komori se odvijala spora reakcija uz oslobađanje topline, vode i što je najvažnije stvaranje potencijalne razlike između elektroda.

Najjednostavnija gorivna ćelija sastoji se od posebne membrane koja se koristi kao elektrolit, s obje strane koje su nanesene praškaste elektrode. Vodik ide na jednu stranu (anoda), a kisik (zrak) ide na drugu (katoda). Na svakoj elektrodi odvijaju se različite kemijske reakcije. Na anodi se vodik raspada na mješavinu protona i elektrona. U nekim gorivim ćelijama, elektrode su okružene katalizatorom, obično napravljenim od platine ili drugih plemenitih metala, koji potiče reakciju disocijacije:

2H 2 → 4H + + 4e -

gdje je H2 dvoatomna molekula vodika (oblik u kojem je vodik prisutan kao plin); H + - ionizirani vodik (proton); e - - elektron.

Na katodnoj strani gorivne ćelije, protoni (koji su prošli kroz elektrolit) i elektroni (koji su prošli kroz vanjsko opterećenje) rekombiniraju se i reagiraju s kisikom dovedenim na katodu i formiraju vodu:

4H + + 4e - + O 2 → 2H 2 O

Totalna reakcija u gorivnoj ćeliji piše ovako:

2H 2 + O 2 → 2H 2 O

Rad gorivne ćelije temelji se na tome da elektrolit propušta protone (prema katodi), a elektrone ne. Elektroni se kreću prema katodi duž vanjskog vodljivog kruga. Ovo kretanje elektrona je električna struja koja se može koristiti za pogon vanjskog uređaja spojenog na gorivnu ćeliju (opterećenje, poput žarulje):

U svom radu koriste gorivne ćelije vodikovo gorivo i kisika. Najlakše je s kisikom - uzima se iz zraka. Vodik se može dobaviti izravno iz određenog spremnika ili izoliranjem od vanjskog izvora goriva (zemni plin, benzin ili metilni alkohol – metanol). U slučaju vanjskog izvora, mora se kemijski pretvoriti da bi se ekstrahirao vodik. Trenutno većina tehnologija gorivih ćelija koje se razvijaju za prijenosne uređaje koriste metanol.

Karakteristike gorivih ćelija

Gorivne ćelije analogne su postojećim baterijama u smislu da u oba slučaja Električna energija dobiven iz kemikalije. Ali postoje i temeljne razlike:

• rade samo dok se gorivo i oksidans dovode iz vanjskog izvora (tj. ne mogu pohranjivati ​​električnu energiju),

  kemijski sastav elektrolita se ne mijenja tijekom rada (gorivu ćeliju nije potrebno puniti),

  potpuno su neovisni o električnoj energiji (dok konvencionalne baterije pohranjuju energiju iz mreže).

Svaka goriva ćelija stvara napon 1V. Povezivanjem u seriju postiže se veći napon. Povećanje snage (struje) ostvaruje se paralelnim spajanjem kaskada serijski spojenih gorivih ćelija.

U gorivim ćelijama ne postoji striktno ograničenje učinkovitosti, poput toplinskih motora (učinkovitost Carnotovog ciklusa je najveća moguća učinkovitost među svim toplinskim strojevima s istim minimalnim i maksimalnim temperaturama).

Visoka efikasnost postiže izravnom pretvorbom energije goriva u električnu energiju. Kada dizelski generatorski setovi prvo sagore gorivo, nastala para ili plin okreću turbinu ili osovinu motora s unutarnjim izgaranjem, koja zauzvrat okreće električni generator. Rezultat je učinkovitost od najviše 42%, ali češće je oko 35-38%. Štoviše, zbog brojnih poveznica, kao i zbog termodinamičkih ograničenja maksimalne učinkovitosti toplinskih strojeva, postojeća učinkovitost vjerojatno neće biti još veća. Za postojeće gorivne ćelije Učinkovitost je 60-80%,

Učinkovitost gotovo ne ovisi o faktoru opterećenja,

Kapacitet je nekoliko puta veći nego u postojećim baterijama,

Kompletan nema emisija štetnih za okoliš. Oslobađaju se samo čista vodena para i toplinska energija (za razliku od dizel generatora koji imaju zagađujuće ispušne plinove i potrebno ih je ukloniti).

Vrste gorivih ćelija

Gorive ćelije razvrstan prema sljedećim karakteristikama:

prema korištenom gorivu,

radnim tlakom i temperaturom,

prema prirodi primjene.

Općenito se razlikuju: vrste gorivih ćelija:

Gorivne ćelije s čvrstim oksidom (SOFC);

Goriva ćelija s gorivom ćelijom s membranom za izmjenu protona (PEMFC);

Reverzibilne gorive ćelije (RFC);

Goriva ćelija s izravnim metanolom (DMFC);

Gorivne ćelije rastaljenog karbonata (MCFC);

Gorivne ćelije s fosfornom kiselinom (PAFC);

Alkalne gorivne ćelije (AFC).

Jedna vrsta gorive ćelije koja radi na normalnim temperaturama i tlakovima koristeći vodik i kisik je ćelija s membranom za ionsku izmjenu. Nastala voda ne otapa čvrsti elektrolit, teče prema dolje i lako se uklanja.

Problemi s gorivim ćelijama

Glavni problem gorivih ćelija vezan je uz potrebu za “zapakiranim” vodikom koji se može slobodno kupiti. Očito, problem bi se s vremenom trebao riješiti, ali za sada situacija izmami blagi osmijeh: što je prvo - kokoš ili jaje? Gorivne ćelije još nisu dovoljno razvijene za izgradnju tvornica vodika, ali je njihov napredak nezamisliv bez tih tvornica. Ovdje bilježimo problem izvora vodika. Trenutačno se vodik proizvodi iz prirodnog plina, no rastući troškovi energije također će povećati cijenu vodika. Istovremeno, u vodiku iz prirodnog plina neizbježna je prisutnost CO i H 2 S (sumporovodika) koji truju katalizator.

Uobičajeni platinasti katalizatori koriste vrlo skup i nezamjenjiv metal - platinu. Međutim ovaj problem Problem se planira riješiti pomoću katalizatora na bazi enzima, koji su jeftine i lako proizvedene tvari.

Generirana toplina također predstavlja problem. Učinkovitost će se naglo povećati ako se proizvedena toplina usmjeri u koristan kanal - proizvodnju Termalna energija za sustave opskrbe toplinom, koristi se kao otpadna toplina u apsorpciji rashladni strojevi i tako dalje.

Metanolske gorive ćelije (DMFC): stvarne primjene

Najveći praktični interes danas predstavljaju direktne gorivne ćelije na bazi metanola (Direct Methanol Fuel Cell, DMFC). Prijenosno računalo Portege M100 koje radi na DMFC gorivu ćeliju izgleda ovako:

Tipični krug DMFC ćelija sadrži, uz anodu, katodu i membranu, nekoliko dodatnih komponenti: uložak goriva, senzor metanola, cirkulacijsku pumpu goriva, zračnu pumpu, izmjenjivač topline itd.

Vrijeme rada, primjerice, prijenosnog računala u usporedbi s baterijama planira se povećati 4 puta (do 20 sati), mobilnog telefona - do 100 sati u aktivnom načinu rada i do šest mjeseci u stanju pripravnosti. Ponovno punjenje će se izvršiti dodavanjem dijela tekućeg metanola.

Glavni zadatak je pronaći opcije za korištenje otopine metanola s najvećom koncentracijom. Problem je što je metanol prilično jak otrov, smrtonosan u dozama od nekoliko desetaka grama. Ali koncentracija metanola izravno utječe na trajanje rada. Ako se ranije koristila 3-10% otopina metanola, tada su se već pojavili mobilni telefoni i PDA uređaji koji koriste 50% otopinu, a 2008. godine, u laboratorijskim uvjetima, stručnjaci iz MTI MicroFuel Cells i, nešto kasnije, Toshiba dobili su gorive ćelije koje rade na čistom metanolu.

Gorive ćelije su budućnost!

Konačno, o očitoj budućnosti gorivih ćelija svjedoči i činjenica da je međunarodna organizacija IEC (International Electrotechnical Commission), koja utvrđuje industrijske standarde za elektroničke uređaje, već najavila stvaranje radne skupine za razvoj međunarodne norme za minijaturne gorivne ćelije .