Palivové články Palivové články sú klasifikované ako chemické zdroje energie. Vykonávajú priamu premenu palivovej energie na elektrickú energiu a obchádzajú neefektívne spaľovacie procesy s veľkými stratami. Toto elektrochemické zariadenie priamo generuje elektrickú energiu v dôsledku vysoko účinného „studeného“ spaľovania paliva.
Biochemici zistili, že biologický vodíkovo-kyslíkový palivový článok je „zabudovaný“ do každej živej bunky (pozri kapitolu 2).
Zdrojom vodíka v tele sú potraviny - tuky, bielkoviny a uhľohydráty. V žalúdku, črevách, bunkách sa nakoniec rozloží na monoméry, ktoré potom po sérii chemických transformácií poskytnú vodík pripojený k molekule nosiča.
Kyslík zo vzduchu vstupuje do krvného obehu cez pľúca, kombinuje sa s hemoglobínom a je prenášaný do všetkých tkanív. Kombinácia vodíka s kyslíkom tvorí základ bioenergetiky tela. Tu sa v miernych podmienkach (izbová teplota, normálny tlak, vodné prostredie) chemická energia s vysokou účinnosťou premieňa na tepelnú, mechanickú (pohyb svalov), elektrinu (elektrický lúč), svetlo (hmyz vyžarujúci svetlo).
Človek opäť zopakoval zariadenie na získavanie energie vytvorenej prírodou. Táto skutočnosť zároveň hovorí o perspektívach smeru. Všetky procesy v prírode sú veľmi racionálne, preto kroky smerom k skutočnému využívaniu palivových článkov dávajú nádej v energetickú budúcnosť.
Objav v roku 1838 vodíkovo-kyslíkového palivového článku patrí anglickému vedcovi W. Groveovi. Pri skúmaní rozkladu vody na vodík a kyslík zistil vedľajší účinok - elektrolyzér produkoval elektrický prúd.
Čo horí v palivovom článku?
Fosílne palivá (uhlie, plyn a ropa) sa skladajú predovšetkým z uhlíka. Pri spaľovaní strácajú atómy paliva elektróny a kyslíkové atómy vzduchu ich získavajú. V procese oxidácie sa teda atómy uhlíka a kyslíka kombinujú a vytvárajú produkty spaľovania - molekuly oxidu uhličitého. Tento proces prebieha energicky: atómy a molekuly látok zapojených do spaľovania získavajú vysoké rýchlosti, čo vedie k zvýšeniu ich teploty. Začnú vyžarovať svetlo - objaví sa plameň.
Chemická reakcia spaľovania uhlíka je:
C + O2 = CO2 + teplo
V procese spaľovania sa chemická energia premieňa na tepelnú energiu výmenou elektrónov medzi atómami paliva a oxidačného činidla. Táto výmena je chaotická.
Spaľovanie je výmena elektrónov medzi atómami a elektrický prúd je riadený pohyb elektrónov. Ak sú elektróny nútené vykonávať prácu v priebehu chemickej reakcie, teplota spaľovacieho procesu sa zníži. V palivových článkoch sa elektróny odoberajú z reaktantov na jednej elektróde, vzdávajú sa svojej energie vo forme elektrického prúdu a spájajú sa s reaktantmi v druhej.
Základom akéhokoľvek HIT sú dve elektródy spojené elektrolytom. FC pozostáva z anódy, katódy a elektrolytu (pozri kap. 2). Oxiduje sa na anóde, t.j. sa vzdáva elektrónov, redukčného činidla (palivo CO alebo H2), voľné elektróny z anódy vstupujú do vonkajšieho obvodu a kladné ióny sú držané na rozhraní anóda-elektrolyt (CO +, H +). Z druhého konca reťazca sa elektróny približujú ku katóde, kde prebieha redukčná reakcia (pridanie elektrónov oxidačným činidlom O2–). Potom sú ióny oxidačného činidla prenesené elektrolytom na katódu.
V TE sú spojené tri fázy fyzikálnochemického systému:
plyn (palivo, oxidačné činidlo);
elektrolyt (iónový vodič);
kovová elektróda (elektrónový vodič).
V palivových článkoch sa energia redoxnej reakcie premieňa na elektrickú energiu a procesy oxidácie a redukcie sú priestorovo oddelené elektrolytom. Elektródy a elektrolyt sa nezúčastňujú na reakcii, ale v skutočných štruktúrach sa časom kontaminujú nečistotami z paliva. Elektrochemické spaľovanie môže prebiehať pri nízkych teplotách a prakticky bez strát. Na obr. p087 ukazuje situáciu, v ktorej zmes plynov (CO a H2) vstupuje do palivového článku, t.j. môže spaľovať plynné palivá (pozri kapitolu 1). TE sa teda ukazuje ako „všežravý“.
Použitie palivových článkov je komplikované skutočnosťou, že na ne musí byť palivo „pripravené“. V prípade FC sa vodík vyrába premenou fosílnych palív alebo splyňovaním uhlia. Štrukturálny diagram elektrárne založenej na FC okrem batérií FC, meniča DC-AC (pozri kap. 3) a pomocného zariadenia preto obsahuje jednotku na výrobu vodíka.
Dva smery vývoja TE
Existujú dve oblasti použitia FC: autonómna a veľká energetika.
Pri autonómnom použití sú hlavnými špecifickými charakteristikami a jednoduchosťou použitia. Náklady na vyrobenú energiu nie sú hlavným ukazovateľom.
Pri veľkovýrobe energie je účinnosť rozhodujúcim faktorom. Rastliny by navyše mali byť trvanlivé, neobsahovať drahé materiály a používať prírodné palivo s minimálnymi nákladmi na prípravu.
Najväčšie výhody sľubuje použitie palivových článkov v aute. Tu, ako nikde inde, ovplyvní kompaktnosť palivového článku. Pri priamom príjme elektriny z paliva bude jeho ekonomika asi 50%.
Prvýkrát myšlienku použitia palivových článkov vo veľkoplošnej energetike sformuloval nemecký vedec W. Oswald v roku 1894. Neskôr sa vyvinula myšlienka vytvorenia efektívnych zdrojov autonómnej energie na základe palivového článku.
Potom sa uskutočnili opakované pokusy o použití uhlia ako účinnej látky v palivových článkoch. V tridsiatych rokoch minulého storočia vytvoril nemecký výskumník E. Bauer laboratórny prototyp FC s pevným elektrolytom na priamu anodickú oxidáciu uhlia. Súčasne boli študované kyslíkovo-vodíkové palivové články.
V roku 1958 v Anglicku F. Bacon vytvoril prvú 5-kW kyslíkovo-vodíkovú továreň. Ale bolo to ťažkopádne kvôli použitiu vysokého tlaku plynu (2 ... 4 MPa).
Od roku 1955 vyvíja K. Kordesh v USA nízkoteplotné kyslíkovo-vodíkové palivové články. Použili uhlíkové elektródy s platinovými katalyzátormi. V Nemecku pracoval E. Yust na tvorbe neplatinových katalyzátorov.
Po roku 1960 boli vytvorené ukážkové a reklamné ukážky. Prvá praktická aplikácia TE bola nájdená na vesmírnej lodi Apollo. Boli to hlavné elektrárne na napájanie palubného zariadenia a astronautom poskytovali vodu a teplo.
Hlavnými oblasťami použitia autonómnych inštalácií s palivovými článkami boli vojenské a námorné aplikácie. Koncom 60. rokov objem výskumu tepelnej energie klesol a po 80. rokoch sa vo vzťahu k veľkej energetike opäť zvýšil.
Spoločnosť VARTA vyvinula FC pomocou obojstranných plynových difúznych elektród. Elektródy tohto typu sa nazývajú "Janus". Spoločnosť Siemens vyvinula elektródy s hustotou výkonu až 90 W / kg. V USA prácu na kyslíkovo-vodíkových článkoch vykonáva spoločnosť United Technology Corp.
V rozsiahlej energetike je veľmi sľubné využitie palivových článkov na veľkokapacitné skladovanie energie, napríklad na výrobu vodíka (pozri kapitolu 1). (slnko a vietor) sú difúzne (pozri kap. 4). Ich seriózne použitie, ktoré je v budúcnosti nevyhnutné, je nemysliteľné bez priestranných batérií, ktoré uchovávajú energiu v tej či onej forme.
Problém akumulácie je dnes relevantný: denné a týždenné výkyvy v záťaži energetických sústav výrazne znižujú ich účinnosť a vyžadujú takzvané flexibilné kapacity. Jednou z možností zariadenia na skladovanie elektrochemickej energie je palivový článok v kombinácii s elektrolyzérmi a držiakmi plynu *.
* Držiak plynu [plyn + angličtina. držiak] - skladovanie veľkého množstva plynu.
Prvá generácia TE
Najväčšiu technologickú dokonalosť dosiahli strednoteplotné palivové články prvej generácie pracujúce pri teplotách 200 ... 230 ° C na kvapalné palivo, zemný plyn alebo priemyselný vodík *. Elektrolytom v nich je kyselina fosforečná, ktorá vypĺňa poréznu uhlíkovú matricu. Elektródy sú vyrobené z uhlíka a katalyzátorom je platina (platina sa používa v množstve rádovo niekoľko gramov na kilowatt energie).
* Technický vodík je produktom premeny fosílnych palív obsahujúcich menšie prímesi oxidu uhoľnatého.
Jedna taká elektráreň bola uvedená do prevádzky v štáte Kalifornia v roku 1991. Skladá sa z osemnástich batérií s hmotnosťou 18 ton a je uložený v puzdre s priemerom niečo málo cez 2 m a výškou asi 5 m. Bol zvážený postup výmeny batérie pomocou rámovej konštrukcie pohybujúcej sa po koľajniciach. von.
Dve elektrárne v americkom TE boli dodané do Japonska. Prvý z nich bol uvedený na trh začiatkom roku 1983. Ukazovatele výkonnosti stanice boli v súlade s vypočítanými. Pracovala so záťažou 25 až 80% nominálnej hodnoty. Účinnosť dosiahla 30 ... 37% - to je blízko k moderným veľkým tepelným elektrárňam. Doba jeho spustenia zo studeného stavu je od 4 hodín do 10 minút a zmena výkonu z nuly na plný stav trvá iba 15 s.
Malé kogeneračné zariadenia s výkonom 40 kW, z ktorých každé má mieru využitia paliva asi 80%, sa v súčasnej dobe testujú v rôznych častiach USA. Môžu ohriať vodu až na 130 ° C a sú umiestnené v práčovniach, športových komplexoch, na komunikačných miestach atď. Asi stovka inštalácií už fungovala spolu státisíce hodín. Ekologická čistota elektrární na báze palivových článkov umožňuje ich umiestnenie priamo v mestách.
Prvá palivová elektráreň v New Yorku s výkonom 4,5 MW sa rozkladá na ploche 1,3 hektára. Teraz pre nové elektrárne s dvaapolkrát väčším výkonom je potrebná lokalita s rozmermi 30x60 m. Vo výstavbe je niekoľko demonštračných elektrární s výkonom 11 MW. Pozoruhodná je doba výstavby (7 mesiacov) a plocha (30x60 m), ktorú elektráreň zaberá. Odhadovaná životnosť nových elektrární je 30 rokov.
Druhá a tretia generácia TE
Najlepšie vlastnosti majú už navrhnuté modulárne zariadenia s výkonom 5 MW so stredoteplotnými palivovými článkami druhej generácie. Pracujú pri teplotách 650 ... 700 ° C. Ich anódy sú vyrobené zo spekaných častíc niklu a chrómu, katódy sú zo spekaného a oxidovaného hliníka a elektrolyt je tavenina zo zmesi uhličitanov lítneho a draselného. Zvýšená teplota pomáha vyriešiť dva hlavné elektrochemické problémy:
znížiť „otravu“ katalyzátora oxidom uhoľnatým;
na zvýšenie účinnosti procesu redukcie oxidátora na katóde.
Vysokoteplotné palivové články tretej generácie s elektrolytom tuhého oxidu (hlavne oxidom zirkoničitým) budú ešte efektívnejšie. Ich pracovná teplota je až 1 000 ° С. Účinnosť elektrární s takýmito palivovými článkami sa blíži 50%. Tu sú ako palivo vhodné aj produkty splyňovania tuhého uhlia s výrazným obsahom oxidu uhoľnatého. Rovnako dôležité je, že odpadové teplo z vysokoteplotných závodov je možné použiť na výrobu pary, ktorá poháňa turbíny generátorov energie.
Vestingaus sa zaoberá palivovými článkami na tuhé oxidy od roku 1958. Vyvíja elektrárne s výkonom 25 ... 200 kW, v ktorých je možné použiť plynné palivo z uhlia. Na testovanie sa pripravujú experimentálne inštalácie s výkonom niekoľkých megawattov. Ďalšia americká firma Engelgurd navrhuje palivové články s výkonom 50 kW, ktoré sú poháňané metanolom s kyselinou fosforečnou ako elektrolytom.
Do výroby palivových článkov sa zapája stále viac spoločností z celého sveta. Americká United Technology a japonská Toshiba vytvorili medzinárodnú spoločnosť Fuel Cells Corporation. V Európe sa palivovým článkom zaoberá belgicko-holandské konzorcium Elenko, západonemecká firma Siemens, taliansky Fiat a britský Jonson Metju.
Viktor LAVRUS.
Ak sa vám tento materiál páčil, ponúkame vám podľa názoru našich čitateľov výber najlepších materiálov na našich stránkach. Výber - TOP o technológiách šetrných k životnému prostrediu, novej vede a vedeckých objavoch - nájdete tam, kde vám to najviac vyhovujeMobilná elektronika sa každý rok, ak nie mesiac, stáva prístupnejšou a rozšírenejšou. Tu nájdete prenosné počítače, PDA, digitálne fotoaparáty, mobilné telefóny a mnoho ďalších užitočných a nie veľmi užitočných zariadení. A všetky tieto zariadenia neustále získavajú nové funkcie, výkonnejšie procesory, väčšie farebné obrazovky, bezdrôtové pripojenie a zároveň sa zmenšujú. Na rozdiel od polovodičových technológií však napájacie technológie tohto mobilného zverinca nie sú vôbec skokové.
Konvenčné nabíjateľné batérie a batérie zjavne nestačia na to, aby poháňali najnovšie pokroky v elektronickom priemysle na nejaký významný čas. A bez spoľahlivých, vysokokapacitných batérií sa stratí celý zmysel pre mobilitu a bezdrôtovosť. Počítačový priemysel teda na tomto probléme stále aktívnejšie pracuje alternatívne napájacie zdroje... A najsľubnejší smer tu dnes je palivové články.
Základný princíp palivových článkov objavil britský vedec Sir William Grove v roku 1839. Je známy ako otec „palivového článku“. William Grove vyrobil elektrinu zmenou na extrakciu vodíka a kyslíka. Po odpojení batérie od elektrolytického článku Grove prekvapilo, že elektródy začali absorbovať vyvíjaný plyn a vytvárať prúd. Otvorenie procesu elektrochemické „studené“ spaľovanie vodíka sa stala významnou udalosťou v energetickom sektore a neskôr takí známi elektrochemici ako Ostwald a Nernst zohrali dôležitú úlohu pri rozvoji teoretických základov a praktickej implementácie palivových článkov a predpovedali im veľkú budúcnosť.
Ja sám termín „palivový článok“ sa objavili neskôr - v roku 1889 to navrhli Ludwig Mond a Charles Langer, ktorí sa pokúšali vytvoriť zariadenie na výrobu elektriny zo vzduchu a uhlia.
Pri normálnom spaľovaní v kyslíku sa organické palivo oxiduje a chemická energia paliva sa neefektívne premieňa na tepelnú energiu. Ukázalo sa však, že je možné, aby oxidačná reakcia, napríklad vodíka s kyslíkom, prebiehala v prostredí elektrolytu a v prítomnosti elektród sa získal elektrický prúd. Napríklad dodaním vodíka k elektróde v alkalickom prostredí získame elektróny:
2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-
ktoré prechádzajú vonkajším obvodom a vstupujú do opačnej elektródy, do ktorej vstupuje kyslík a kde prebieha reakcia: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-
Je vidieť, že výsledná reakcia 2H2 + O2 → H2O je rovnaká ako pri konvenčnom spaľovaní, ale v palivovom článku alebo inak - v elektrochemický generátor, elektrický prúd sa získava s vysokou účinnosťou a čiastočne teplom. Všimnite si toho, že uhlie, oxid uhoľnatý, alkoholy, hydrazín a ďalšie organické látky môžu byť tiež použité ako palivo v palivových článkoch a ako oxidačné činidlá môžu byť použité vzduch, peroxid vodíka, chlór, bróm, kyselina dusičná atď.
Vývoj palivových článkov energicky pokračoval v zahraničí aj v Rusku a potom v ZSSR. Medzi vedcami, ktorí výrazne prispeli k štúdiu palivových článkov, zaznamenávame V. Jaco, P. Yablochkov, F. Bacon, E. Bauer, E. Yusti, K. Kordesh. V polovici minulého storočia začala nová búrka problémov s palivovými článkami. Je to čiastočne spôsobené vznikom nových myšlienok, materiálov a technológií v dôsledku obranného výskumu.
Jeden z vedcov, ktorí urobili veľký krok vo vývoji palivových článkov, bol P. M. Spiridonov. Spiridonovove vodíkovo-kyslíkové prvky poskytla prúdovú hustotu 30 mA / cm2, čo bolo v tom čase považované za veľký úspech. V štyridsiatych rokoch O. Davtyan vytvoril zariadenie na elektrochemické spaľovanie generátorového plynu získavaného splyňovaním uhlia. Na každý kubický meter objemu prvku dostal Davtyan 5 kW výkonu.
To bolo prvý palivový článok na tuhý elektrolyt... Mala vysokú účinnosť, ale postupom času sa elektrolyt zhoršoval a bolo potrebné ho zmeniť. Následne Davtyan na konci päťdesiatych rokov vytvoril výkonnú inštaláciu, ktorá uvádza traktor do pohybu. V tých istých rokoch anglický inžinier T. Bacon navrhol a postavil batériu palivových článkov s celkovým výkonom 6 kW a účinnosťou 80%, pracujúcich na čistý vodík a kyslík, ale pomer výkonu a hmotnosti batéria sa ukázala byť príliš malá - také články neboli vhodné na praktické použitie a boli príliš drahé.
V nasledujúcich rokoch čas samotárov plynul. Tvorcovia vesmírnych lodí sa začali zaujímať o palivové články. Od polovice 60. rokov sa do výskumu palivových článkov investovali milióny dolárov. Práca tisícov vedcov a inžinierov umožnila dosiahnuť novú úroveň a v roku 1965. Palivové články boli testované v USA na kozmickej lodi Gemini-5, neskôr na vesmírnej lodi Apollo na lety na Mesiac a v rámci programu Shuttle.
V ZSSR boli palivové články vyvinuté v NPO Kvant, tiež na použitie vo vesmíre. V tých rokoch sa už objavili nové materiály - tuhé polymérne elektrolyty na báze iónomeničových membrán, nové typy katalyzátorov, elektródy. Napriek tomu bola hustota pracovného prúdu malá - v rozmedzí 100-200 mA / cm2 a obsah platiny na elektródach bol niekoľko g / cm2. Problémy s trvanlivosťou, stabilitou a bezpečnosťou boli mnohé.
Ďalšia etapa rýchleho vývoja palivových článkov sa začala v 90. rokoch. minulého storočia a pokračuje aj teraz. Je to spôsobené potrebou nových efektívnych zdrojov energie v spojení na jednej strane s globálnym environmentálnym problémom zvyšujúcich sa emisií skleníkových plynov zo spaľovania fosílnych palív a na strane druhej s vyčerpávaním takéhoto paliva rezervy. Pretože konečným produktom spaľovania vodíka v palivovom článku je voda, považujú sa z hľadiska vplyvu na životné prostredie za najčistejšie. Hlavný problém spočíva iba v nájdení efektívnej a lacnej metódy výroby vodíka.
Miliardové finančné investície do vývoja palivových článkov a vodíkových generátorov by mali viesť k technologickému prelomu a stať sa realitou v každodennom živote: v bunkách pre mobilné telefóny, v automobiloch, v elektrárňach. Už teraz takí automobiloví giganti ako Ballard, Honda, Daimler Chrysler, General Motors predvádzajú autá a autobusy poháňané palivovými článkami s výkonom 50 kW. Rozvinulo sa niekoľko spoločností ukážkové elektrárne na palivové články s tuhým oxidovým elektrolytom s výkonom až 500 kW... Napriek významnému prelomu v zlepšovaní vlastností palivových článkov je stále potrebné vyriešiť mnoho problémov spojených s ich nákladmi, spoľahlivosťou a bezpečnosťou.
V palivovom článku je na rozdiel od batérií a akumulátorov palivo aj oxidačné činidlo dodávané zvonku. Palivový článok je iba sprostredkovateľom reakcie a za ideálnych podmienok by mohol fungovať takmer navždy. Krása tejto technológie spočíva v tom, že prvok v skutočnosti spaľuje palivo a priamo premieňa uvoľnenú energiu na elektrickú energiu. Pri priamom spaľovaní paliva sa oxiduje kyslíkom a teplo uvoľnené počas tohto procesu sa používa na vykonávanie užitočných prác.
V palivovom článku, podobne ako v batériách, sú reakcie oxidácie paliva a redukcie kyslíka priestorovo oddelené a proces „spaľovania“ prebieha iba vtedy, ak článok dodáva prúd záťaži. Je to ako dieselový elektrický generátor, iba bez nafty a generátora... A tiež bez dymu, hluku, prehrievania a s oveľa vyššou účinnosťou. To je vysvetlené skutočnosťou, že po prvé neexistujú žiadne prechodné mechanické zariadenia a za druhé, palivový článok nie je tepelným motorom, a preto nedodržiava Carnotov zákon (to znamená, že jeho účinnosť nie je určená teplotný rozdiel).
Kyslík sa používa ako oxidačné činidlo v palivových článkoch. Navyše, keďže je vo vzduchu dostatok kyslíka, nie je potrebné sa starať o dodávku oxidačného činidla. Palivo je vodík. V palivovom článku teda prebieha reakcia:
2H2 + O2 → 2H2O + elektrina + teplo.
Výsledkom je užitočná energia a vodná para. Najjednoduchšia vo svojej štruktúre je palivový článok s membránou na výmenu protónov(pozri obrázok 1). Funguje to nasledovne: vodík vstupujúci do prvku sa pôsobením katalyzátora rozkladá na elektróny a kladne nabité vodíkové ióny H +. Potom príde na rad špeciálna membrána, ktorá v bežnej batérii plní úlohu elektrolytu. Vďaka svojmu chemickému zloženiu umožňuje protónom prejsť cez seba, ale zachováva si elektróny. Elektróny nahromadené na anóde teda vytvárajú nadbytočný negatívny náboj a vodíkové ióny vytvárajú na katóde kladný náboj (napätie v článku je asi 1 V).
Na dosiahnutie vysokého výkonu je palivový článok zostavený z viacerých článkov. Ak je prvok zahrnutý v záťaži, elektróny ním budú prúdiť na katódu, čím sa vytvorí prúd a dokončí sa proces oxidácie vodíka kyslíkom. Ako katalyzátor v takýchto palivových článkoch sa spravidla používajú platinové mikročastice nanesené na uhlíkových vláknach. Vďaka svojej štruktúre je taký katalyzátor vysoko priepustný pre plyn a elektrinu. Membrána je obvykle vyrobená z polyméru obsahujúceho síru, Nafion. Hrúbka membrány sa rovná desatinám milimetra. Pri reakcii sa samozrejme uvoľňuje aj teplo, ale nie je ho tak veľa, takže prevádzková teplota sa udržiava v rozmedzí 40-80 ° C.
Obr. Ako funguje palivový článok
Existujú aj iné typy palivových článkov, ktoré sa líšia hlavne typom použitého elektrolytu. Takmer všetky z nich vyžadujú ako palivo vodík, a preto vyvstáva logická otázka: kde ho vziať. Samozrejme by bolo možné použiť stlačený vodík z valcov, ale potom okamžite nastanú problémy súvisiace s prepravou a skladovaním tohto vysoko horľavého plynu pod vysokým tlakom. Vodík je samozrejme možné použiť vo viazanej forme ako v kovových hydridových batériách. Problém jeho výroby a prepravy však stále zostáva, pretože infraštruktúra vodíkového tankovania neexistuje.
Existuje však aj riešenie - ako zdroj vodíka je možné použiť kvapalné uhľovodíkové palivo. Napríklad etylalkohol alebo metylalkohol. Je pravda, že tu je už potrebné špeciálne prídavné zariadenie - konvertor paliva, ktorý pri vysokej teplote premieňa alkoholy na zmes plynných H2 a CO2 (pre metanol to bude niekde okolo 240 ° C). Ale v tomto prípade je už ťažšie premýšľať o prenosnosti - také zariadenia je dobré používať ako stacionárne alebo, ale pre kompaktné mobilné zariadenia potrebujete niečo menej ťažkopádne.
A tu sa dostávame presne k zariadeniu, ktorého vývoj vykonávajú takmer všetci najväčší výrobcovia elektroniky strašnou silou - metanolový palivový článok(Obrázok 2).
Obr. Ako funguje metanolový palivový článok
Zásadný rozdiel medzi vodíkovými a metanolovými palivovými článkami spočíva v použitom katalyzátore. Katalyzátor v metanolovom palivovom článku umožňuje odstránenie protónov priamo z molekuly alkoholu. Problém paliva je teda vyriešený - metylalkohol sa masívne vyrába pre chemický priemysel, ľahko sa skladuje a prepravuje a na nabitie metanolového palivového článku stačí jednoducho vymeniť palivovú kazetu. Existuje však jedna významná nevýhoda - metanol je toxický. Účinnosť metanolového palivového článku je navyše výrazne nižšia ako účinnosť vodíkového palivového článku.
Ryža. 3. Metanolový palivový článok
Najlákavejšou možnosťou je použiť ako palivo etylalkohol, pretože výroba a distribúcia alkoholických nápojov akéhokoľvek zloženia a sily je na celom svete dobre zavedená. Účinnosť etanolových palivových článkov je však, bohužiaľ, ešte nižšia ako metanolu.
Ako je uvedené v dlhoročnom vývoji v oblasti palivových článkov, boli postavené rôzne druhy palivových článkov. Palivové články sú klasifikované podľa elektrolytu a typu paliva.
1. Pevný polymérny vodíkovo-kyslíkový elektrolyt.
2. Palivové články z tuhého polyméru a metanolu.
3. Bunky na alkalickom elektrolyte.
4. Palivové články kyseliny fosforečnej.
5. Palivové články na báze roztavených uhličitanov.
6. Palivové články z tuhého oxidu.
V ideálnom prípade je účinnosť palivových článkov veľmi vysoká, ale v reálnych podmienkach existujú straty spojené s nerovnovážnymi procesmi, ako napríklad: ohmické straty v dôsledku špecifickej vodivosti elektrolytu a elektród, polarizácia aktivácie a koncentrácie, difúzne straty. Výsledkom je, že časť energie generovanej v palivových článkoch sa premieňa na teplo. Snahy špecialistov sú zamerané na zníženie týchto strát.
Hlavným zdrojom ohmických strát, ako aj dôvodom vysokých nákladov na palivové články, sú perfluórované sulfonátové katexové membrány. Teraz prebieha hľadanie alternatívnych, lacnejších protónových polymérov. Pretože vodivosť týchto membrán (pevných elektrolytov) dosahuje prijateľnú hodnotu (10 Ohm / cm) iba za prítomnosti vody, plyny dodávané do palivového článku musia byť dodatočne zvlhčené v špeciálnom zariadení, čo tiež zvyšuje náklady na systému. V katalytických plynných difúznych elektródach sa používa hlavne platina a niektoré ďalšie vzácne kovy, ktoré za ne zatiaľ nenašli náhradu. Aj keď je obsah platiny v palivových článkoch niekoľko mg / cm2, pri veľkých batériách jeho množstvo dosahuje desiatky gramov.
Pri návrhu palivových článkov sa venuje veľká pozornosť systému odstraňovania tepla, pretože pri vysokých prúdových hustotách (až 1 A / cm2) dochádza k samovoľnému zahrievaniu systému. Na chladenie sa používa voda cirkulujúca v palivovom článku špeciálnymi kanálmi a pri nízkom výkone je vháňaný vzduch.
Moderný elektrochemický generátorový systém je okrem samotného palivového článku „zarastený“ mnohými pomocnými zariadeniami, ako sú: čerpadlá, kompresor na prívod vzduchu, prívod vodíka, plynový zvlhčovač, chladiaca jednotka, únik plynu riadiaci systém, menič jednosmerného prúdu na striedavý prúd, riadiaci procesor a ďalšie. To všetko vedie k tomu, že náklady na systém palivových článkov v rokoch 2004-2005 boli 2–3 000 USD / kW. Podľa odborníkov budú palivové články k dispozícii na použitie v dopravných a stacionárnych elektrárňach za cenu 50-100 dolárov / kW.
Na zavedenie palivových článkov do každodenného života spolu so znížením nákladov na komponenty je potrebné očakávať nové originálne nápady a prístupy. Veľké nádeje sa vkladajú najmä do používania nanomateriálov a nanotechnológií. Niekoľko spoločností napríklad nedávno oznámilo vytvorenie ultraúčinných katalyzátorov, najmä pre kyslíkovú elektródu založenú na zhlukoch nanočastíc rôznych kovov. Okrem toho boli hlásené konštrukcie bez membránových palivových článkov, v ktorých je kvapalné palivo (napríklad metanol) privádzané do palivového článku spolu s oxidačným činidlom. Zaujímavý je tiež rozvinutý koncept biopalivových článkov pracujúcich v znečistených vodách a spotrebúvajúcich rozpustený atmosférický kyslík ako okysličovadlo a organické nečistoty ako palivo.
Podľa odborníkov vstúpia palivové články na masový trh v najbližších rokoch. Vývojári skutočne jeden po druhom prekonávajú technické problémy, hlásia úspechy a predstavujú prototypy palivových článkov. Spoločnosť Toshiba napríklad predviedla hotový prototyp metanolového palivového článku. Má veľkosť 22 x 56 x 4,5 mm a dáva výkon asi 100 mW. Jedna náplň do 2 kociek koncentrovaného (99,5%) metanolu vystačí na 20 hodín prevádzky MP3 prehrávača. Spoločnosť Toshiba uviedla na trh komerčný palivový článok na napájanie mobilných telefónov. Tá istá Toshiba opäť predviedla batériu pre notebooky s rozmermi 275 x 75 x 40 mm, ktorá umožňuje počítaču pracovať 5 hodín od jedného tankovania.
Za Toshibou nezaostáva ani ďalšia japonská spoločnosť Fujitsu. V roku 2004 predstavila aj prvok, ktorý pôsobí na 30% vodný roztok metanolu. Tento palivový článok bežal na jednu 300 ml náplň 10 hodín a súčasne dodával 15 wattov energie.
Spoločnosť Casio vyvíja palivový článok, v ktorom sa metanol v miniatúrnom konvertore paliva najskôr premení na zmes plynov H2 a CO2 a potom sa zavedie do palivového článku. Počas ukážky prototyp Casio napájal notebook 20 hodín.
Samsung sa preslávil aj v oblasti palivových článkov - v roku 2004 predviedol svoj 12W prototyp určený na napájanie prenosného počítača. Samsung má vo všeobecnosti v úmysle použiť palivové články predovšetkým v smartfónoch štvrtej generácie.
Musím povedať, že japonské spoločnosti vo všeobecnosti veľmi dôkladne pristúpili k vývoju palivových článkov. V roku 2003 spojili spoločnosti ako Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony a Toshiba svoje sily a vyvinuli jednotný štandard palivových článkov pre prenosné počítače, mobilné telefóny, PDA a ďalšie elektronické zariadenia. Americké spoločnosti, ktorých je na tomto trhu tiež veľa, väčšinou pracujú na základe zmlúv s armádou a vyvíjajú palivové články na elektrifikáciu amerických vojakov.
Nemci nie sú pozadu - Smart Fuel Cell predáva palivové články na pohon mobilnej kancelárie. Zariadenie sa nazýva Smart Fuel Cell C25, má rozmery 150x112x65mm a na jedno doplnenie paliva dokáže dodať až 140 watthodín. To stačí na napájanie prenosného počítača približne 7 hodín. Potom je možné kazetu vymeniť a môžete pokračovať v práci. Rozmery metanolovej kazety sú 99 x 63 x 27 mm a hmotnosť 150 g. Samotný systém váži 1,1 kg, takže ho nemôžete nazvať úplne prenosným, ale napriek tomu je to úplne hotové a pohodlné zariadenie. Spoločnosť tiež vyvíja palivový modul na napájanie profesionálnych videokamier.
Palivové články už vo všeobecnosti vstúpili na trh mobilnej elektroniky. Zostáva na výrobcoch, aby vyriešili posledné technické problémy pred spustením sériovej výroby.
Najprv je potrebné vyriešiť problém miniaturizácie palivových článkov. Koniec koncov, čím menší je palivový článok, tým menší výkon bude schopný dodať - preto sa neustále vyvíjajú nové katalyzátory a elektródy, aby sa maximalizoval pracovný povrch s malými rozmermi. Tu nám príde veľmi vhod najnovší vývoj v oblasti nanotechnológií a nanomateriálov (napríklad nanorúrok). Úspechy mikroelektromechaniky sa stále viac používajú na miniaturizáciu potrubia prvkov (palivové a vodné čerpadlá, chladiace systémy a premena paliva).
Druhým hlavným problémom, ktorý treba riešiť, sú náklady. Skutočne veľmi drahá platina sa používa ako katalyzátor vo väčšine palivových článkov. Niektorí výrobcovia sa opäť snažia čo najlepšie využiť už zabehnuté kremíkové technológie.
Pokiaľ ide o ostatné oblasti použitia palivových článkov, palivové články sa tam už pevne etablovali, aj keď sa ešte nestali hlavným prúdom ani v energetickom sektore, ani v doprave. Mnoho automobilových výrobcov už predstavilo svoje koncepčné autá poháňané palivovými článkami. Autobusy na palivové články existujú vo viacerých mestách po celom svete. Kanadská spoločnosť Ballard Power Systems vyrába sériu stacionárnych generátorov od 1 do 250 kW. Generátory kilowattu sú zároveň navrhnuté tak, aby okamžite zásobovali jeden byt elektrickou energiou, teplom a teplou vodou.
Výhody palivových článkov / článkov
Palivový článok / článok je zariadenie, ktoré prostredníctvom elektrochemickej reakcie efektívne generuje jednosmerný prúd a teplo z paliva bohatého na vodík.
Palivový článok je podobný batérii v tom, že chemickou reakciou generuje jednosmerný prúd. Palivový článok obsahuje anódu, katódu a elektrolyt. Na rozdiel od batérií však palivové články / články nedokážu uložiť elektrickú energiu, nevybíjajú sa a na nabíjanie nevyžadujú elektrickú energiu. Palivové články / články môžu nepretržite vyrábať elektrickú energiu, pokiaľ majú prísun paliva a vzduchu.
Na rozdiel od iných generátorov elektrickej energie, ako sú spaľovacie motory alebo turbíny poháňané plynom, uhlím, vykurovacím olejom atď., Palivové články / články nespalujú palivo. To znamená žiadne hlučné vysokotlakové rotory, žiadny hlasný hluk výfukových plynov, žiadne vibrácie. Palivové články / články vyrábajú elektrickú energiu tichou elektrochemickou reakciou. Ďalšou vlastnosťou palivových článkov / článkov je, že prevádzajú chemickú energiu paliva priamo na elektrickú energiu, teplo a vodu.
Palivové články sú vysoko účinné a neprodukujú veľké množstvo skleníkových plynov, ako je oxid uhličitý, metán a oxid dusnatý. Jediným produktom emitovaným počas prevádzky je voda vo forme pary a malé množstvo oxidu uhličitého, ktorý vôbec nevypúšťa, ak sa ako palivo používa čistý vodík. Palivové články / články sú zostavené do zostáv a potom do samostatných funkčných modulov.
História vývoja palivových článkov / článkov
V päťdesiatych a šesťdesiatych rokoch minulého storočia prišla jedna z najnáročnejších úloh pre palivové články od potreby Národného úradu pre letectvo a vesmír (NASA) získať zdroje energie pre dlhodobé vesmírne misie. Alkalický palivový článok / článok NASA používa ako palivo vodík a kyslík, ktoré ich kombinujú v elektrochemickej reakcii. Výstupom sú tri užitočné vedľajšie produkty reakcie pri vesmírnom lete - elektrina na pohon kozmickej lode, voda na pitné a chladiace systémy a teplo na udržanie astronautov v teple.
Objav palivových článkov siaha do začiatku 19. storočia. Prvý dôkaz o účinku palivových článkov bol získaný v roku 1838.
Koncom 30. rokov sa začali práce na palivových článkoch s alkalickým elektrolytom a do roku 1939 bol článok postavený pomocou vysokotlakových poniklovaných elektród. Počas druhej svetovej vojny boli vyvinuté palivové články / články pre ponorky britského námorníctva a v roku 1958 bola zavedená palivová zostava pozostávajúca z alkalických palivových článkov / článkov s priemerom niečo viac ako 25 cm.
Záujem vzrástol v päťdesiatych a šesťdesiatych rokoch minulého storočia a tiež v osemdesiatych rokoch minulého storočia, keď priemyselný svet zaznamenal nedostatok vykurovacieho oleja. V tom istom období sa svetové krajiny tiež začali zaoberať problémom znečistenia ovzdušia a zvažovali metódy ekologickej výroby elektriny. Technológia výroby palivových článkov / článkov v súčasnosti zažíva fázu rýchleho rozvoja.
Ako fungujú palivové články / články
Palivové články / články vyrábajú elektrickú energiu a teplo z elektrochemickej reakcie, ktorá prebieha pomocou elektrolytu, katódy a anódy.
Anóda a katóda sú oddelené elektrolytom, ktorý vedie protóny. Potom, čo vodík vstúpi do anódy a kyslík do katódy, začne chemická reakcia, v dôsledku ktorej vzniká elektrický prúd, teplo a voda.
Na anódovom katalyzátore molekulárny vodík disociuje a stráca elektróny. Vodíkové ióny (protóny) sú vedené cez elektrolyt na katódu, zatiaľ čo elektróny prechádzajú elektrolytom a prechádzajú vonkajším elektrickým obvodom, čím vzniká jednosmerný prúd, ktorý je možné použiť na napájanie zariadení. Na katódovom katalyzátore sa molekula kyslíka kombinuje s elektrónom (ktorý je dodávaný z vonkajšej komunikácie) a prichádzajúcim protónom a tvorí vodu, ktorá je jediným reakčným produktom (vo forme pary a / alebo kvapaliny).
Nasledujúca je zodpovedajúca reakcia:
Reakcia na anóde: 2H 2 => 4H + + 4e -
Reakcia na katóde: 02 + 4H + + 4e - => 2H20
Všeobecná reakcia prvku: 2H2 + O2 => 2H20
Typy a rozmanitosť palivových článkov / článkov
Podobne ako v prípade rôznych typov spaľovacích motorov existujú aj rôzne druhy palivových článkov - výber vhodného typu palivového článku závisí od aplikácie.
Palivové články sú rozdelené na vysoké a nízke teploty. Nízkoteplotné palivové články vyžadujú ako palivo relatívne čistý vodík. To často znamená, že na premenu primárneho paliva (ako je zemný plyn) na čistý vodík je potrebné spracovanie paliva. Tento proces spotrebúva dodatočnú energiu a vyžaduje špeciálne vybavenie. Vysokoteplotné palivové články nepotrebujú tento dodatočný postup, pretože môžu „vnútorne prevádzať“ palivo pri zvýšených teplotách, čo znamená, že nie je potrebné investovať do vodíkovej infraštruktúry.
Palivové články / články na roztavenom uhličitane (RKTE)
Elektrolytové palivové články z roztaveného uhličitanu sú vysokoteplotné palivové články. Vysoká prevádzková teplota umožňuje použitie zemného plynu priamo bez spracovateľského paliva a palivový plyn s nízkou výhrevnosťou pre priemyselné procesy a iné zdroje.
Prevádzka RKTE je odlišná od ostatných palivových článkov. Tieto články používajú elektrolyt zo zmesi roztavených uhličitanových solí. V súčasnej dobe sa používajú dva typy zmesí: uhličitan lítny a uhličitan draselný alebo uhličitan lítny a uhličitan sodný. Na roztavenie uhličitanových solí a dosiahnutie vysokého stupňa pohyblivosti iónov v elektrolyte pracujú palivové články s roztaveným uhličitanovým elektrolytom pri vysokých teplotách (650 ° C). Účinnosť sa pohybuje medzi 60-80%.
Po zahriatí na 650 ° C sa soli stanú vodičom uhličitanových iónov (CO 3 2-). Tieto ióny prechádzajú z katódy na anódu, kde sa kombinujú s vodíkom za vzniku vody, oxidu uhličitého a voľných elektrónov. Tieto elektróny sú vedené späť na katódu cez vonkajší elektrický obvod, pričom ako vedľajší produkt generuje elektrický prúd a teplo.
Reakcia na anóde: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Reakcia na katóde: CO 2 + 1 / 2O 2 + 2e - => CO 3 2-
Všeobecná reakcia prvku: H 2 (g) + 1 / 2O 2 (g) + CO 2 (katóda) => H 2 O (g) + CO 2 (anóda)
Vysoké prevádzkové teploty palivových článkov elektrolytu roztaveného uhličitanu majú určité výhody. Pri vysokých teplotách sa zemný plyn vnútorne reformuje, čím sa eliminuje potreba palivového procesora. Medzi výhody navyše patrí možnosť používať na elektródy štandardné stavebné materiály, ako sú plechy z nehrdzavejúcej ocele a niklový katalyzátor. Odpadové teplo sa môže použiť na výrobu vysokotlakovej pary na rôzne priemyselné a komerčné účely.
Vysoké reakčné teploty v elektrolyte majú tiež výhody. Použitie vysokých teplôt trvá dlho, kým sa dosiahnu optimálne prevádzkové podmienky, a systém reaguje pomalšie na zmeny v spotrebe energie. Tieto charakteristiky umožňujú použitie inštalácií palivových článkov s roztaveným uhličitanovým elektrolytom za podmienok konštantného výkonu. Vysoké teploty zabraňujú poškodeniu palivového článku oxidom uhoľnatým.
Palivové články z elektrolytu roztaveného uhličitanu sú vhodné na použitie vo veľkých stacionárnych inštaláciách. Tepelné elektrárne s výkonom 3,0 MW sú priemyselne vyrábané. Vyvíjajú sa zariadenia s výstupným výkonom do 110 MW.
Palivové články / články kyseliny fosforečnej (FCTE)
Prvými palivovými článkami na komerčné použitie boli palivové články s kyselinou fosforečnou (ortofosforečnou).
Palivové články na báze kyseliny fosforečnej (ortofosforečnej) používajú elektrolyt na báze kyseliny fosforečnej (H 3 PO 4) s koncentráciou až 100%. Iónová vodivosť kyseliny fosforečnej je pri nízkych teplotách nízka, a preto sa tieto palivové články používajú pri teplotách do 150–220 ° C.
Nosičom náboja v tomto type palivového článku je vodík (H +, protón). Podobný proces prebieha v palivových článkoch s membránou na výmenu protónov, v ktorých sa vodík dodávaný do anódy rozdelí na protóny a elektróny. Protóny prechádzajú elektrolytom a kombinujú sa s kyslíkom zo vzduchu na katóde za vzniku vody. Elektróny sú vedené vonkajším elektrickým obvodom a generujú elektrický prúd. Nasledujú reakcie, ktoré generujú elektrinu a teplo.
Reakcia na anóde: 2H 2 => 4H + + 4e -
Reakcia na katóde: 02 (g) + 4H + + 4e - => 2 H20
Všeobecná reakcia prvku: 2H2 + O2 => 2H20
Účinnosť palivových článkov na báze kyseliny fosforečnej (ortofosforečnej) je pri výrobe elektrickej energie viac ako 40%. Pri kombinovanej výrobe tepla a energie sa celková účinnosť pohybuje okolo 85%. Navyše, vzhľadom na prevádzkové teploty, môže byť odpadové teplo použité na ohrev vody a výrobu pary pri atmosférickom tlaku.
Vysoký výkon tepelných elektrární na palivové články na báze kyseliny fosforečnej (ortofosforečnej) pri kombinovanej výrobe tepla a elektriny je jednou z výhod tohto typu palivových článkov. Rastliny používajú oxid uhoľnatý s koncentráciou asi 1,5%, čo výrazne rozširuje výber paliva. CO 2 navyše neovplyvňuje elektrolyt a činnosť palivového článku; tento typ článkov pracuje s reformovaným prírodným palivom. Jednoduchá konštrukcia, nízka prchavosť elektrolytu a zvýšená stabilita sú tiež výhody tohto typu palivových článkov.
Teplárne a elektrárne s výstupným elektrickým výkonom do 500 kW sa vyrábajú priemyselne. Jednotky s výkonom 11 MW boli zodpovedajúcim spôsobom testované. Vyvíjajú sa zariadenia s výstupným výkonom do 100 MW.
Palivové články / články z tuhého oxidu (SOFC)
Palivové články z tuhého oxidu sú palivové články s najvyššou prevádzkovou teplotou. Prevádzková teplota sa môže meniť od 600 ° C do 1 000 ° C, čo umožňuje použitie rôznych typov palív bez špeciálnej predbežnej úpravy. Na zvládnutie týchto vysokých teplôt je použitým elektrolytom tenký pevný oxid kovu na keramickej báze, často zliatina yttria a zirkónia, ktorý je vodičom kyslíkových (O 2-) iónov.
Pevný elektrolyt poskytuje hermeticky uzavretý prechod plynu z jednej elektródy na druhú, zatiaľ čo kvapalné elektrolyty sú umiestnené v pórovitom substráte. Nosičom náboja v tomto type palivového článku je kyslíkový ión (O 2-). Na katóde sú molekuly kyslíka zo vzduchu rozdelené na kyslíkový ión a štyri elektróny. Kyslíkové ióny prechádzajú elektrolytom a kombinujú sa s vodíkom za vzniku štyroch voľných elektrónov. Elektróny sú vedené cez externý elektrický obvod, ktorý generuje elektrický prúd a odpadové teplo.
Reakcia na anóde: 2H 2 + 2O 2- => 2H 2 O + 4e -
Reakcia na katóde: O 2 + 4e - => 2O 2-
Všeobecná reakcia prvku: 2H2 + O2 => 2H20
Účinnosť generovanej elektrickej energie je najvyššia zo všetkých palivových článkov - asi 60 - 70%. Vysoké prevádzkové teploty umožňujú kombinovanú výrobu tepla a energie vytvárať vysokotlakovú paru. Kombinácia vysokoteplotného palivového článku s turbínou umožňuje vytvoriť hybridný palivový článok, ktorý zvýši účinnosť výroby elektrickej energie až o 75%.
Palivové články na tuhé oxidy pracujú pri veľmi vysokých teplotách (600 ° C - 1 000 ° C), kým dosiahnutie optimálnych prevádzkových podmienok trvá dlho, a systém reaguje pomalšie na zmeny spotreby energie. Pri tak vysokých prevádzkových teplotách nie je potrebný konvertor na získavanie vodíka z paliva, čo umožňuje tepelnej elektrárni pracovať s relatívne nečistými palivami, ktoré sú výsledkom splyňovania uhlia alebo odpadových plynov a podobne. Tento palivový článok je tiež vynikajúci pre prevádzku s vysokým výkonom vrátane priemyselných a veľkých centrálnych elektrární. Moduly s výstupným elektrickým výkonom 100 kW sa vyrábajú komerčne.
Palivové články / články s priamou oxidáciou metanolu (POMTE)
Technológia využívania palivových článkov s priamou oxidáciou metanolom prechádza obdobím aktívneho vývoja. Úspešne sa etablovala v oblasti napájania mobilných telefónov, prenosných počítačov, ako aj pri vytváraní prenosných zdrojov energie. na čo je zamerané budúce využitie týchto prvkov.
Konštrukcia palivových článkov s priamou oxidáciou metanolom je podobná palivovým článkom s membránou na výmenu protónov (MOPTE), t.j. polymér sa používa ako elektrolyt a vodíkový ión (protón) sa používa ako nosič náboja. Tekutý metanol (CH30H) však v prítomnosti vody na anóde oxiduje za uvoľnenia CO 2, vodíkových iónov a elektrónov, ktoré sú vedené vonkajším elektrickým obvodom, čím vzniká elektrický prúd. Vodíkové ióny prechádzajú elektrolytom a reagujú s kyslíkom zo vzduchu a elektrónmi z vonkajšieho okruhu za vzniku vody na anóde.
Reakcia na anóde: CH30H + H20 => C02 + 6H + + 6e -
Reakcia na katóde: 3 / 2O 2 + 6 H + + 6e - => 3H20
Všeobecná reakcia prvku: CH30H + 3 / 2O2 => C02 + 2H20
Výhodou tohto typu palivových článkov sú jeho malé rozmery v dôsledku použitia kvapalného paliva a absencia potreby meniča.
Alkalické palivové články / články (SHFC)
Alkalické palivové články sú jedným z najúčinnejších prvkov používaných na výrobu elektriny, pričom účinnosť výroby energie dosahuje až 70%.
Alkalické palivové články používajú elektrolyt, to znamená vodný roztok hydroxidu draselného obsiahnutý v poréznej stabilizovanej matrici. Koncentrácia hydroxidu draselného sa môže líšiť v závislosti od prevádzkovej teploty palivového článku, ktorá sa pohybuje od 65 ° C do 220 ° C. Nosič náboja v SHFC je hydroxylový ión (OH -), ktorý sa pohybuje z katódy na anódu, kde reaguje s vodíkom a vytvára vodu a elektróny. Voda vyrobená na anóde sa vracia späť na katódu a opäť tam vytvára hydroxylové ióny. Táto séria reakcií v palivovom článku vyrába elektrickú energiu a ako vedľajší produkt teplo:
Reakcia na anóde: 2H 2 + 4OH - => 4H20 + 4e -
Reakcia na katóde: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4 OH -
Všeobecná reakcia systému: 2H2 + O2 => 2H20
Výhodou SHFC je, že tieto palivové články sú najlacnejšie na výrobu, pretože katalyzátorom, ktorý je potrebný na elektródach, môže byť akákoľvek látka, ktorá je lacnejšia ako látky používané ako katalyzátory pre iné palivové články. SCFC pracujú pri relatívne nízkych teplotách a sú jedným z najúčinnejších palivových článkov - tieto vlastnosti môžu teda prispieť k zrýchleniu výroby energie a vysokej palivovej účinnosti.
Jednou z charakteristických vlastností SHFC je jeho vysoká citlivosť na CO 2, ktorý môže byť obsiahnutý v palive alebo vo vzduchu. CO 2 reaguje s elektrolytom, rýchlo ho otrávi a výrazne znižuje účinnosť palivového článku. Preto je používanie SHTE obmedzené na uzavreté priestory, akými sú vesmírne a podvodné vozidlá, musia pracovať na čistom vodíku a kyslíku. Molekuly ako CO, H20 a CH4, ktoré sú bezpečné pre iné palivové články, a dokonca aj palivo pre niektoré z nich, sú škodlivé pre SHFC.
Palivové články / články z polymérneho elektrolytu (PETE)
V prípade palivových článkov z polymérneho elektrolytu pozostáva polymérna membrána z polymérnych vlákien s vodnými oblasťami, v ktorých je k molekule vody pripojená vodivosť vodných iónov (H20 + (protón, červená)). Molekuly vody predstavujú problém kvôli ich pomalej výmene iónov. Preto je v palive aj na výstupných elektródach potrebná vysoká koncentrácia vody, ktorá obmedzuje prevádzkovú teplotu na 100 ° C.
Palivové články / články na tuhé kyseliny (TKTE)
V palivových článkoch na tuhé kyseliny elektrolyt (CsHSO 4) neobsahuje vodu. Prevádzková teplota je preto 100-300 ° C. Rotácia kyslíkových aniónov SO 4 2- umožňuje pohyb protónov (červený), ako je znázornené na obrázku. Palivový článok na tuhé kyseliny je obvykle sendvič, v ktorom je medzi dve tesne stlačené elektródy vložená veľmi tenká vrstva pevnej kyslej zlúčeniny, aby sa zaistil dobrý kontakt. Pri zahrievaní sa organická zložka odparuje a opúšťa póry v elektródach, pričom si zachováva schopnosť viacnásobných kontaktov medzi palivom (alebo kyslíkom na druhom konci článkov), elektrolytom a elektródami.
Rôzne moduly palivových článkov. Palivový článok
- Palivový článok
- Ostatné zariadenia pracujúce pri vysokých teplotách (integrovaný parný generátor, spaľovacia komora, menič tepelnej bilancie)
- Tepelne odolná izolácia
Modul palivových článkov
Porovnávacia analýza typov a odrôd palivových článkov
Inovatívne energeticky účinné mestské tepelné elektrárne sú zvyčajne postavené na palivových článkoch na tuhé oxidy (SOFC), palivových článkoch z polymérneho elektrolytu (PETF), palivových článkoch s kyselinou fosforečnou (PCFC), palivových článkoch s protonovou výmennou membránou (MOPFC) a alkalických palivových článkoch (PSFC ) ... Spravidla majú nasledujúce vlastnosti:
Ako najvhodnejšie by mali byť uznané palivové články na tuhé oxidy (SOFC), ktoré:
- pracovať pri vyššej teplote, čo znižuje potrebu drahých drahých kovov (ako je platina)
- môže pracovať na rôznych druhoch uhľovodíkových palív, predovšetkým na zemný plyn
- majú dlhší čas spustenia, a preto sú vhodnejšie pre dlhodobé akcie
- preukázať vysokú účinnosť výroby energie (až 70%)
- vďaka vysokým prevádzkovým teplotám je možné jednotky kombinovať so systémami spätného získavania tepla, čím sa celková účinnosť systému zvýši až na 85%
- majú prakticky nulové emisie, pracujú ticho a majú nízke prevádzkové požiadavky v porovnaní s existujúcimi technológiami výroby energie
| Typ palivového článku | Pracovná teplota | Účinnosť výroby energie | Druh paliva | Oblasť použitia |
|---|---|---|---|---|
| RKTE | 550-700 ° C | 50-70% | Stredné a veľké inštalácie | |
| FKTE | 100-220 ° C | 35-40% | Čistý vodík | Veľké inštalácie |
| MOPTE | 30-100 ° C | 35-50% | Čistý vodík | Malé inštalácie |
| SOFC | 450-1 000 ° C | 45-70% | Väčšina uhľovodíkových palív | Malé, stredné a veľké inštalácie |
| POMTE | 20 až 90 ° C | 20-30% | Metanol | Prenosný |
| SHTE | 50-200 ° C | 40-70% | Čistý vodík | Prieskum vesmíru |
| PETE | 30-100 ° C | 35-50% | Čistý vodík | Malé inštalácie |
Pretože malé kogeneračné zariadenia môžu byť napojené na konvenčnú sieť dodávok plynu, palivové články nevyžadujú samostatný systém dodávky vodíka. Pri použití malých kogeneračných jednotiek na tuhé oxidové palivové články je možné generované teplo integrovať do výmenníkov tepla na ohrev vody a vetrania, čím sa zvýši celková účinnosť systému. Táto inovatívna technológia je najvhodnejšia na efektívnu výrobu elektriny bez potreby nákladnej infraštruktúry a komplexnej integrácie zariadení.
Aplikácie palivových článkov / článkov
Palivové články / články v telekomunikačných systémoch
S rýchlym rozmachom bezdrôtových komunikačných systémov po celom svete a rastúcimi sociálno-ekonomickými výhodami technológie mobilných telefónov sa potreba spoľahlivého a nákladovo efektívneho záložného napájania stala kritickou. Straty siete počas celého roka v dôsledku zlého počasia, prírodných katastrof alebo obmedzenej kapacity siete sú pre prevádzkovateľov sústav stále výzvou.
Tradičné riešenia pre zálohovanie telekomunikácií zahŕňajú batérie (olovené batérie regulované ventilom) na krátkodobé zálohovanie a generátory nafty a propánu na dlhšie zálohovanie. Batérie sú relatívne lacným záložným zdrojom energie na 1 až 2 hodiny. Batérie však nie sú vhodné na dlhší záložný zdroj, pretože sú nákladné na údržbu, stávajú sa nespoľahlivými po dlhom čase používania, sú citlivé na teplotu a po likvidácii sú nebezpečné pre životné prostredie. Dieselové a propánové generátory môžu poskytovať nepretržitú záložnú energiu. Generátory však môžu byť nespoľahlivé, vyžadujú si časovo náročnú údržbu a vypúšťajú do atmosféry vysoké úrovne znečistenia a skleníkových plynov.
Aby sa vyriešili obmedzenia tradičných riešení v pohotovostnom režime, bola vyvinutá inovatívna technológia zelených palivových článkov. Palivové články sú spoľahlivé, tiché, obsahujú menej pohyblivých častí ako generátor, majú širší rozsah prevádzkových teplôt ako batéria, od -40 ° C do + 50 ° C, a preto poskytujú extrémne vysokú úroveň úspory energie. Okrem toho sú celoživotné náklady na takýto závod nižšie ako na generátor. Nižšie náklady na palivové články sú výsledkom iba jednej údržby za rok a výrazne vyššieho výkonu závodu. Palivový článok je koniec koncov ekologické technologické riešenie s minimálnym vplyvom na životné prostredie.
Palivové články poskytujú záložný výkon pre kritické komunikačné sieťové infraštruktúry pre bezdrôtové, trvalé a širokopásmové telekomunikácie v rozsahu od 250 W do 15 kW a ponúkajú mnoho bezkonkurenčných inovatívnych funkcií:
- SPOĽAHLIVOSŤ- málo pohyblivých častí a žiadne vybíjanie v pohotovostnom režime
- ÚSPORA ENERGIE
- TICHO- nízka hladina hluku
- UDRŽATEĽNOSŤ- pracovný rozsah od -40 ° C do + 50 ° C
- ADAPTABILITA- vonkajšia a vnútorná inštalácia (kontajner / ochranný kontajner)
- VEĽKÁ SILA- do 15 kW
- POTREBY NÍZKEJ ÚDRŽBY- minimálna ročná údržba
- EFEKTÍVNOSŤ- atraktívne celkové náklady na vlastníctvo
- ENVIRONMENTÁLNE ŠETRNÁ ENERGIA- nízke emisie s minimálnym vplyvom na životné prostredie
Systém neustále sníma napätie zbernice DC a hladko prijíma kritické záťaže, ak napätie zbernice DC klesne pod vopred definovanú hodnotu definovanú užívateľom. Systém beží na vodík, ktorý vstupuje do sústavy palivových článkov jedným z dvoch spôsobov - buď z priemyselného zdroja vodíka, alebo z kvapalných palív z metanolu a vody, pomocou integrovaného reformného systému.
Elektrickú energiu vyrába komín palivových článkov vo forme jednosmerného prúdu. Jednosmerný prúd sa prenáša do prevodníka, ktorý prevádza neregulovaný jednosmerný prúd zo sady palivových článkov na vysokokvalitný regulovaný jednosmerný prúd pre požadované zaťaženie. Inštalácia palivových článkov môže poskytovať záložné napájanie na mnoho dní, pretože doba prevádzky je obmedzená iba dostupným množstvom vodíka alebo paliva z metanolu / vody.
Palivové články ponúkajú vysokú úsporu energie, zvýšenú spoľahlivosť systému, predvídateľnejší výkon v širokom spektre podnebí a spoľahlivú životnosť v porovnaní s olovenými kyselinovými batériami regulovanými ventilmi. Náklady na životný cyklus sú tiež nižšie kvôli výrazne menším požiadavkám na údržbu a výmenu. Palivové články ponúkajú konečnému užívateľovi výhody pre životné prostredie, pretože náklady na likvidáciu a riziká zodpovednosti súvisiace s článkami z olovených kyselín sú stále väčším problémom.
Výkonnosť elektrických batérií môže nepriaznivo ovplyvniť široká škála faktorov, ako je úroveň nabitia, teplota, cykly, životnosť a ďalšie premenné. Dodaná energia sa bude líšiť v závislosti od týchto faktorov a nie je ľahké ju predpovedať. Výkon palivového článku s protónovou výmenou (PROF) nie je týmito faktormi relatívne ovplyvnený a môže poskytovať kritický elektrický výkon, pokiaľ je k dispozícii palivo. Zvýšená predvídateľnosť je dôležitou výhodou pri prechode na palivové články pre kritické záložné aplikácie.
Palivové články vyrábajú energiu iba vtedy, ak je dodávané palivo, napríklad generátor plynovej turbíny, ale v zóne výroby nie sú žiadne pohyblivé časti. Preto na rozdiel od generátora nepodliehajú rýchlemu opotrebovaniu a nevyžadujú neustálu údržbu a mazanie.
Palivo používané na pohon predĺženého behu konvertora paliva je zmes metanolu a vody. Metanol je široko dostupné komerčne dostupné palivo, ktoré má v súčasnosti mnoho použití, vrátane ostrekovačov čelného skla, plastových fliaš, prísad do motorov a emulzných farieb. Metanol sa ľahko transportuje, je miešateľný s vodou, má dobrú biologickú odbúrateľnosť a neobsahuje síru. Má nízky bod tuhnutia (-71 ° C) a pri dlhodobom skladovaní nedegraduje.
Aplikácia palivových článkov / článkov v komunikačných sieťach
Zabezpečené komunikačné siete vyžadujú spoľahlivé riešenia záložného napájania, ktoré môžu v prípade núdze fungovať hodiny alebo dni, ak elektrická sieť už nie je k dispozícii.
S niekoľkými pohyblivými časťami a bez zníženia výkonu v pohotovostnom režime ponúka inovatívna technológia palivových článkov atraktívne riešenie v porovnaní so súčasnými pohotovostnými systémami napájania.
Najpresvedčivejším dôvodom použitia technológie palivových článkov v komunikačných sieťach je zvýšená celková spoľahlivosť a bezpečnosť. Pri udalostiach, ako sú výpadky prúdu, zemetrasenia, búrky a hurikány, je dôležité, aby systémy pokračovali v prevádzke a mali spoľahlivé záložné napájanie po dlhšiu dobu bez ohľadu na teplotu alebo vek záložného systému napájania.
Rozsah zdrojov energie z palivových článkov je ideálny pre podporu bezpečných komunikačných sietí. Vďaka svojim zásadám úspory energie poskytujú ekologický a spoľahlivý záložný výkon s predĺženou dobou prevádzky (až niekoľko dní) na použitie v rozsahu výkonov od 250 W do 15 kW.
Aplikácia palivových článkov / článkov v dátových sieťach
Spoľahlivé napájanie pre dátové siete, akými sú vysokorýchlostné dátové siete a chrbtové káble z optických vlákien, má kľúčový význam na celom svete. Informácie prenášané cez tieto siete obsahujú kritické údaje pre inštitúcie, ako sú banky, letecké spoločnosti alebo zdravotnícke strediská. Výpadky prúdu v takýchto sieťach predstavujú nielen nebezpečenstvo pre prenášané informácie, ale spravidla vedú k značným finančným stratám. Spoľahlivé, inovatívne inštalácie palivových článkov so záložným napájaním poskytujú spoľahlivosť, ktorú potrebujete na zaistenie nepretržitého napájania.
Inštalácie palivových článkov poháňané zmesou metanolu a vody na kvapalné palivo poskytujú spoľahlivú záložnú energiu s predĺženou dobou chodu až niekoľko dní. Okrem toho majú tieto jednotky v porovnaní s generátormi a batériami výrazne znížené nároky na údržbu, pričom vyžadujú len jednu údržbu za rok.
Typické charakteristiky lokality na použitie inštalácií palivových článkov v dátových sieťach:
- Aplikácie so spotrebou od 100 W do 15 kW
- Aplikácie s požiadavkami na výdrž batérie> 4 hodiny
- Opakovače v systémoch s optickými vláknami (hierarchia synchrónnych digitálnych systémov, vysokorýchlostný internet, hlas cez IP ...)
- Vysokorýchlostné sieťové uzly
- Prenosové uzly WiMAX
Pohotovostné inštalácie palivových článkov ponúkajú množstvo výhod pre kritické dátové sieťové infraštruktúry v porovnaní s tradičnými samostatnými batériami alebo naftovými generátormi, čo umožňuje väčšie využitie v teréne:
- Technológia kvapalného paliva rieši problém skladovania vodíka a poskytuje prakticky neobmedzenú prevádzku záložného zdroja.
- Vďaka tichému chodu, nízkej hmotnosti, odolnosti voči extrémnym teplotám a prevádzke prakticky bez vibrácií môžu byť palivové články inštalované mimo budovy, v priemyselných priestoroch / kontajneroch alebo na strechách.
- Príprava na použitie systému na mieste je rýchla a ekonomická a prevádzkové náklady sú nízke.
- Palivo je biologicky odbúrateľné a predstavuje ekologické riešenie pre mestské prostredie.
Použitie palivových článkov / článkov v bezpečnostných systémoch
Najsofistikovanejšie zabezpečovacie a komunikačné systémy budov sú spoľahlivé iba tak, ako zdroj napájania, ktorý ich udržuje v prevádzke. Aj keď väčšina systémov obsahuje nejaký typ UPS na krátkodobé straty napájania, nevytvára podmienky pre dlhšie výpadky prúdu, ku ktorým môže dôjsť po prírodných katastrofách alebo teroristických útokoch. To môže byť kritickým problémom pre mnoho podnikových a vládnych agentúr.
Životne dôležité systémy, ako sú systémy video monitorovania a kontroly vstupu (čítačky ID kariet, zariadenia na zatváranie dverí, biometrické identifikačné techniky atď.), Automatické požiarne poplachové a hasiace systémy, systémy riadenia výťahov a telekomunikačné siete, sú ohrozené, ak neexistuje spoľahlivý alternatívny nepretržitý zdroj energie.
Dieselové generátory vydávajú veľa hluku, je ťažké ich umiestniť a sú známe svojou spoľahlivosťou a problémami s údržbou. Naproti tomu inštalácia palivových článkov poskytujúca záložný výkon je tichá, spoľahlivá, má nulové alebo veľmi nízke emisie a ľahko sa inštaluje na strechu alebo mimo budovu. V pohotovostnom režime sa nevyčerpá ani nestratí energiu. Zaisťuje, aby kritické systémy pokračovali v prevádzke, aj keď je zariadenie zatvorené a ľudia opúšťajú budovu.
Inovatívne inštalácie palivových článkov chránia cenné investície do kritických aplikácií. Poskytujú ekologický, spoľahlivý a dlhotrvajúci (až niekoľko dní) pohotovostný režim pre použitie v rozsahu výkonov 250 W až 15 kW v kombinácii s mnohými bezkonkurenčnými funkciami a obzvlášť vysokou úsporou energie.
Záložné elektrárne s palivovými článkami ponúkajú mnoho výhod pri použití v kritických aplikáciách, ako sú bezpečnosť a systémy riadenia budov, oproti tradičným samostatným batériám alebo naftovým generátorom. Technológia kvapalného paliva rieši problém skladovania vodíka a poskytuje prakticky neobmedzenú prevádzku záložného zdroja.
Aplikácia palivových článkov / článkov pri vykurovaní domácností a výrobe energie
Palivové články na tuhé oxidy (SFC) sa používajú na stavbu spoľahlivých, energeticky účinných a bezemisných tepelných elektrární na výrobu elektriny a tepla zo široko dostupných zdrojov zemného plynu a obnoviteľných zdrojov paliva. Tieto inovatívne jednotky sa používajú na rôznych trhoch, od výroby domácej energie po dodávku elektriny do vzdialených oblastí, ako aj pomocné zdroje energie.
Aplikácia palivových článkov / článkov v distribučných sieťach
Malé kogeneračné zariadenia sú navrhnuté tak, aby pracovali v distribuovanej sieti na výrobu elektriny pozostávajúcej z veľkého počtu malých generátorových sústav namiesto jednej centralizovanej elektrárne.
Nasledujúci obrázok ukazuje straty v účinnosti výroby elektriny, keď sa vyrába v závodoch kogenerácie a prenáša sa do domácností prostredníctvom tradičných v súčasnosti používaných prenosových sietí. K stratám účinnosti v centralizovanej výrobe patria straty z elektrárne, nízkeho a vysokého napätia a distribučné straty.
Obrázok ukazuje výsledky integrácie malých tepelných elektrární: elektrická energia sa v mieste použitia vyrába s účinnosťou výroby až 60%. Okrem toho môže domácnosť využiť teplo generované palivovými článkami na ohrev vody a priestoru, čo zvyšuje celkovú energetickú účinnosť paliva a zlepšuje energetické úspory.
Použitie palivových článkov na ochranu životného prostredia - využitie súvisiaceho ropného plynu
Jednou z najdôležitejších úloh v ropnom priemysle je využitie súvisiaceho ropného plynu. Existujúce metódy využívania súvisiaceho ropného plynu majú mnoho nevýhod, pričom hlavnou z nich je, že sú ekonomicky nerentabilné. Pridružený ropný plyn sa spaľuje, čo spôsobuje veľké škody na životnom prostredí a ľudskom zdraví.
Inovatívne tepelné elektrárne s palivovými článkami, ktoré ako palivo používajú pridružený ropný plyn, otvárajú cestu k radikálnemu a nákladovo efektívnemu riešeniu problémov spojených s využívaním ropného plynu.
- Jednou z hlavných výhod závodov na palivové články je, že môžu pracovať spoľahlivo a stabilne s premenlivým pridruženým ropným plynom. V dôsledku bezplameňovej chemickej reakcie, ktorá je základom prevádzky palivového článku, zníženie percentuálneho podielu napríklad metánu spôsobuje iba zodpovedajúce zníženie výkonu.
- Flexibilita vo vzťahu k elektrickému zaťaženiu spotrebiteľov, poklesu, prepätiu.
- Na inštaláciu a pripojenie teplární a elektrární na palivové články ich realizácia nevyžaduje kapitálové výdavky, pretože jednotky sa dajú ľahko namontovať na nepripravené miesta v blízkosti polí, majú pohodlnú prevádzku, sú spoľahlivé a efektívne.
- Vysoká automatizácia a moderné diaľkové ovládanie nevyžadujú neustálu prítomnosť personálu pri inštalácii.
- Jednoduchosť a technická dokonalosť konštrukcie: absencia pohyblivých častí, trenie, mazacie systémy poskytujú značné ekonomické výhody z prevádzky inštalácií palivových článkov.
- Spotreba vody: pri okolitých teplotách do +30 ° C žiadna a pri vyšších teplotách zanedbateľná.
- Výstup vody: chýba.
- Kogeneračné zariadenia na palivové články navyše nevydávajú hluk, vibrujú, nevypúšťajte škodlivé emisie do atmosféry
PALIVOVÝ PRVOK
elektrochemický generátor, zariadenie, ktoré priamo premieňa chemickú energiu na elektrickú energiu. Aj keď sa to isté deje s elektrickými batériami, palivové články majú dva dôležité rozdiely: 1) fungujú, pokiaľ sú palivo a oxidačné činidlo dodávané z externého zdroja; 2) chemické zloženie elektrolytu sa počas prevádzky nemení, t.j. palivový článok nie je potrebné dobíjať.
pozri tiež NAPÁJACÍ BATÉRIA.
Princíp činnosti. Palivový článok (obr. 1) pozostáva z dvoch elektród oddelených elektrolytom a systémov na dodávku paliva do jednej elektródy a okysličovadla do druhej, ako aj zo systému na odstraňovanie reakčných produktov. Na urýchlenie chemickej reakcie sa vo väčšine prípadov používajú katalyzátory. Externý elektrický obvod spája palivový článok so záťažou, ktorá spotrebúva elektrickú energiu.
Na obrázku znázornenom na obr. V kyslom palivovom článku je vodík vedený dutou anódou a vstupuje do elektrolytu veľmi jemnými pórmi v materiáli elektródy. V tomto prípade dochádza k rozkladu molekúl vodíka na atómy, ktoré sa v dôsledku chemisorpcie, pričom každý daruje jeden elektrón, premenia na kladne nabité ióny. Tento proces je možné opísať nasledujúcimi rovnicami:
Ióny vodíka difundujú elektrolytom na pozitívnu stranu článku. Kyslík dodávaný do katódy prechádza do elektrolytu a tiež reaguje na povrchu elektródy za účasti katalyzátora. Keď sa spojí s vodíkovými iónmi a elektrónmi pochádzajúcimi z vonkajšieho okruhu, vznikne voda:
Palivové články s alkalickým elektrolytom (zvyčajne koncentrované hydroxidy sodíka alebo draslíka) prechádzajú podobnými chemickými reakciami. Vodík prechádza anódou a reaguje v prítomnosti katalyzátora s hydroxylovými iónmi (OH-) prítomnými v elektrolyte za vzniku vody a elektrónu:
Na katóde kyslík reaguje s vodou v elektrolyte a elektrónmi z vonkajšieho obvodu. V následných fázach reakcií sa tvoria hydroxylové ióny (a tiež perhydroxyl O2H-). Výslednú reakciu na katóde je možné zapísať ako:
Tok elektrónov a iónov udržuje rovnováhu náboja a látky v elektrolyte. Výsledná voda čiastočne zriedi elektrolyt. V každom palivovom článku sa časť energie z chemickej reakcie premení na teplo. Tok elektrónov vo vonkajšom obvode je jednosmerný prúd, ktorý sa používa na prácu. Väčšina reakcií v palivových článkoch poskytuje EMF asi 1 V. Otvorenie obvodu alebo zastavenie pohybu iónov zastaví činnosť palivového článku. Proces, ktorý prebieha v palivovom článku vodík-kyslík, je vo svojej podstate opakom známeho procesu elektrolýzy, pri ktorom voda disociuje pri prechode elektrického prúdu elektrolytom. V niektorých typoch palivových článkov je skutočne možné obrátiť proces - pôsobením napätia na elektródy sa voda rozloží na vodík a kyslík, ktoré sa môžu na elektródach zachytávať. Ak článok prestanete nabíjať a pripojíte k nemu záťaž, takýto regeneratívny palivový článok začne okamžite pracovať v normálnom režime. Rozmery palivového článku môžu byť teoreticky také veľké, ako je požadované. V praxi je však niekoľko článkov spojených do malých modulov alebo batérií, ktoré sú zapojené buď sériovo alebo paralelne.
Druhy palivových článkov. Existujú rôzne druhy palivových článkov. Môžu byť klasifikované napríklad podľa použitého paliva, prevádzkového tlaku a teploty, podľa charakteru aplikácie.
Vodíkové palivové články. V tomto typickom článku opísanom vyššie sa vodík a kyslík prenášajú do elektrolytu prostredníctvom mikroporéznych uhlíkových alebo kovových elektród. Vysoká prúdová hustota sa dosahuje v článkoch pracujúcich pri zvýšených teplotách (asi 250 ° C) a vysokých tlakoch. Články, ktoré používajú vodíkové palivo získané zo spracovania uhľovodíkových palív, ako je zemný plyn alebo ropné produkty, pravdepodobne nájdu najrozšírenejšie komerčné využitie. Kombináciou veľkého počtu prvkov môžete vytvoriť výkonné energetické inštalácie. V týchto inštaláciách je jednosmerný prúd generovaný prvkami prevedený na striedavý prúd so štandardnými parametrami. Novým typom prvkov schopných pracovať na vodíku a kyslíku pri normálnej teplote a tlaku sú prvky s iónomeničovými membránami (obr. 2). V týchto článkoch je namiesto kvapalného elektrolytu medzi elektródami umiestnená polymérna membrána, cez ktorú voľne prechádzajú ióny. V takýchto prvkoch je možné použiť vzduch spolu s kyslíkom. Voda vytvorená počas prevádzky článku nerozpúšťa pevný elektrolyt a dá sa ľahko odstrániť.
Prvky uhľovodíkových a uhoľných palív. Palivové články, ktoré môžu premieňať chemickú energiu široko dostupných a relatívne lacných palív, ako je propán, zemný plyn, metylalkohol, petrolej alebo benzín, priamo na elektrickú energiu, sú predmetom intenzívneho výskumu. Zatiaľ však nebol dosiahnutý žiadny významný pokrok vo vývoji palivových článkov pracujúcich na plynoch získavaných z uhľovodíkových palív pri bežných teplotách. Na zvýšenie reakčnej rýchlosti uhľovodíkových a uhoľných palív je potrebné zvýšiť prevádzkovú teplotu palivového článku. Elektrolyty sú taveniny uhličitanov alebo iných solí, ktoré sú uzavreté v poréznej keramickej matrici. Palivo sa v bunke „rozdelí“ na vodík a oxid uhoľnatý, ktoré podporujú reakciu generujúcu prúd v článku. Prvky poháňané inými druhmi paliva. Reakcie v palivových článkoch nemusia byť v zásade oxidačné reakcie bežných palív. V budúcnosti možno nájsť ďalšie chemické reakcie, ktoré umožnia vykonávať efektívnu priamu výrobu elektrickej energie. V niektorých zariadeniach sa elektrina získava oxidáciou napríklad zinku, sodíka alebo horčíka, z ktorých sa vyrábajú spotrebné elektródy.
Účinnosť. Transformácia energie z konvenčných palív (uhlie, ropa, zemný plyn) na elektrickú energiu bola doteraz viacstupňovým procesom. Spaľovanie paliva, ktoré produkuje paru alebo plyn potrebný na prevádzku turbíny alebo spaľovacieho motora, ktorý zase otáča elektrický generátor, nie je veľmi efektívny proces. Faktor využitia energie takejto transformácie je skutočne obmedzený druhým termodynamickým zákonom a ťažko ho možno výrazne zvýšiť nad existujúcu úroveň (pozri tiež TEPLO; TERMODYNAMIKA). Faktor využitia energie paliva najmodernejších elektrární s parnými turbínami nepresahuje 40%. V prípade palivových článkov neexistuje žiadne termodynamické obmedzenie energetickej účinnosti. V existujúcich palivových článkoch sa 60 až 70% energie z palív premieňa priamo na elektrickú energiu a elektrárne na palivové články využívajúce vodík z uhľovodíkového paliva sú navrhnuté tak, aby boli účinné 40-45%.
Aplikácie. Palivové články sa v blízkej budúcnosti môžu stať široko používaným zdrojom energie v doprave, priemysle a domácnostiach. Vysoké náklady na palivové články obmedzili ich použitie vo vojenských a vesmírnych aplikáciách. Perspektívne aplikácie palivových článkov zahŕňajú ich použitie ako prenosných zdrojov energie pre vojenské potreby a kompaktných alternatívnych zdrojov energie pre satelity blízko Zeme so solárnymi panelmi počas ich prechodu predĺženými tieňovými časťami obežnej dráhy. Malá veľkosť a hmotnosť palivových článkov umožňovala ich použitie pri letoch s posádkou na Mesiac. Palivové články na palube trojmiestnej kozmickej lode Apollo slúžili na pohon palubných počítačov a rádiových komunikačných systémov. Palivové články môžu byť použité ako zdroj energie pre zariadenia v odľahlých oblastiach, pre terénne vozidlá, ako je stavebníctvo. V kombinácii s jednosmerným elektromotorom bude palivový článok účinným zdrojom pohonu vozidla. Rozsiahle používanie palivových článkov si vyžaduje výrazný technologický pokrok, zníženie ich nákladov a možnosť efektívneho využívania lacného paliva. Keď sú tieto podmienky splnené, palivové články sprístupnia elektrickú a mechanickú energiu v celom svete.
pozri tiež ENERGETICKÉ ZDROJE.
LITERATÚRA
Bagotsky V.S., Skundin A.M. Zdroje chemickej energie. M., 1981 Crompton T. Aktuálne zdroje. M., 1985, 1986
Collierova encyklopédia. - otvorená spoločnosť. 2000 .
Pozrite sa, čo je „FUEL ELEMENT“ v iných slovníkoch:
PALIVOVÁ BUNKA, ELEKTROCHEMICKÝ PRVOK na priamu premenu energie oxidácie paliva na elektrickú energiu. Vhodne navrhnuté elektródy sú ponorené do elektrolytu a palivo (napr. Vodík) je dodávané do jedného ... Vedecký a technický encyklopedický slovník
Galvanický článok, v ktorom je redoxná reakcia podporovaná nepretržitou dodávkou činidiel (palivo, napr. Vodík a oxidačné činidlo, napr. Kyslík) zo špeciálnych nádrží. Najdôležitejšia zložka ... ... Veľký encyklopedický slovník
palivový článok- Primárny článok, v ktorom je elektrická energia generovaná elektrochemickými reakciami medzi účinnými látkami kontinuálne dodávanými do elektród zvonku. [GOST 15596 82] EN palivový článok, ktorý môže meniť chemickú energiu z …… Technická príručka prekladateľa
Priamy metanolový palivový článok Palivový článok je elektrochemické zariadenie podobné, ale odlišné od galvanického článku ... Wikipedia
Časť 1
Tento článok podrobnejšie pojednáva o princípe činnosti palivových článkov, ich štruktúre, klasifikácii, výhodách a nevýhodách, rozsahu, účinnosti, histórii vzniku a moderných perspektívach použitia. V druhej časti článku, ktorý bude uverejnený v nasledujúcom čísle časopisu „AVOK“, uvádza príklady zariadení, kde boli ako zdroje tepla a elektrickej energie (alebo iba napájania) použité rôzne druhy palivových článkov.
Úvod
Palivové články sú veľmi efektívnym, spoľahlivým, trvanlivým a ekologickým spôsobom výroby energie.
Spočiatku sa palivové články používali iba v kozmickom priemysle a v súčasnosti sa stále viac používajú v rôznych oblastiach - ako stacionárne elektrárne, autonómne zdroje tepla a energie pre budovy, motory automobilov, napájacie zdroje pre notebooky a mobilné telefóny. Niektoré z týchto zariadení sú laboratórnymi prototypmi, niektoré prechádzajú predprodukčnými testami alebo sa používajú na demonštračné účely, ale mnohé modely sa vyrábajú sériovo a používajú sa v komerčných projektoch.
Palivový článok (elektrochemický generátor) je zariadenie, ktoré v procese elektrochemickej reakcie priamo prevádza chemickú energiu paliva (vodíka) na elektrickú energiu, na rozdiel od tradičných technológií, ktoré používajú spaľovanie tuhých, kvapalných a plynných palív. Priama elektrochemická premena paliva je veľmi účinná a atraktívna z hľadiska životného prostredia, pretože počas prevádzky je emitované minimálne množstvo znečisťujúcich látok a nedochádza k silným zvukom a vibráciám.
Z praktického hľadiska palivový článok pripomína konvenčnú galvanickú batériu. Rozdiel spočíva v tom, že batéria je spočiatku nabitá, to znamená, že je naplnená „palivom“. Počas prevádzky sa „palivo“ spotrebuje a batéria sa vybije. Na rozdiel od batérie palivový článok používa na výrobu elektrickej energie palivo dodávané z externého zdroja (obr. 1).
Na výrobu elektrickej energie je možné použiť nielen čistý vodík, ale aj ďalšie suroviny obsahujúce vodík, napríklad zemný plyn, amoniak, metanol alebo benzín. Ako zdroj kyslíka sa používa bežný vzduch, ktorý je tiež potrebný na reakciu.
Keď sa ako palivo používa čistý vodík, reakčnými produktmi sú okrem elektrickej energie teplo a voda (alebo vodná para), to znamená plyny, ktoré spôsobujú znečistenie ovzdušia alebo spôsobujú skleníkový efekt, sa do atmosféry neuvoľňujú. Ak sa ako palivo použije napríklad vodík obsahujúca surovina, bude vedľajším produktom reakcie aj zemný plyn, iné plyny, napríklad oxidy uhlíka a dusíka, ale jeho množstvo je oveľa nižšie ako pri spaľovaní rovnaké množstvo zemného plynu.
Proces chemickej premeny paliva na výrobu vodíka sa nazýva reformovanie a zodpovedajúce zariadenie sa nazýva reformátor.
Výhody a nevýhody palivových článkov
Palivové články sú energeticky efektívnejšie ako spaľovacie motory, pretože neexistuje žiadne termodynamické obmedzenie energetickej účinnosti palivových článkov. Účinnosť palivových článkov je 50%, zatiaľ čo účinnosť spaľovacích motorov je 12-15%a účinnosť elektrární parných turbín nepresahuje 40%. Využitím tepla a vody sa účinnosť palivových článkov ešte zvýši.
Na rozdiel napríklad od spaľovacích motorov zostáva účinnosť palivových článkov veľmi vysoká, aj keď nepracujú na plný výkon. Okrem toho je možné zvýšiť výkonnosť palivových článkov jednoduchým pridávaním jednotlivých blokov bez zmeny účinnosti, to znamená, že veľké inštalácie sú rovnako účinné ako malé. Tieto okolnosti umožňujú veľmi flexibilný výber zloženia zariadenia v súlade s prianím zákazníka a v konečnom dôsledku vedú k zníženiu nákladov na zariadenie.
Dôležitou výhodou palivových článkov je ich šetrnosť k životnému prostrediu. Emisie palivových článkov prenášané vzduchom sú také nízke, že v niektorých oblastiach USA nevyžadujú na ich prevádzku špeciálne schválenie vládnymi agentúrami na kontrolu kvality ovzdušia.
Palivové články je možné umiestniť priamo do budovy, čím sa znížia straty prenosu energie, a teplo generované reakciou sa môže použiť na dodávku tepla alebo teplej vody do budovy. Autonómne zdroje tepla a energie môžu byť veľmi prospešné v odľahlých oblastiach a v oblastiach, ktoré sa vyznačujú nedostatkom elektrickej energie a jej vysokými nákladmi, ale zároveň existujú zásoby surovín obsahujúcich vodík (ropa, zemný plyn) .
Výhody palivových článkov sú tiež dostupnosť paliva, spoľahlivosť (v palivovom článku nie sú žiadne pohyblivé časti), trvanlivosť a jednoduché použitie.
Jednou z hlavných nevýhod dnešných palivových článkov sú ich relatívne vysoké náklady, ale túto nevýhodu je možné čoskoro prekonať - stále viac spoločností vyrába komerčné palivové články, neustále sa zdokonaľujú a ich náklady sa znižujú.
Najúčinnejšie využitie čistého vodíka ako paliva si však bude vyžadovať vytvorenie špeciálnej infraštruktúry na jeho výrobu a prepravu. Všetky komerčné konštrukcie v súčasnosti používajú zemný plyn a podobné palivá. Motorové vozidlá môžu používať obyčajný benzín, ktorý zachová existujúcu rozvinutú sieť čerpacích staníc. Použitie takéhoto paliva však spôsobuje škodlivé emisie do atmosféry (aj keď veľmi nízke) a komplikuje (a teda zvyšuje náklady) palivový článok. V budúcnosti sa zvažuje možnosť použitia ekologických obnoviteľných zdrojov energie (napríklad slnečnej alebo veternej) na rozklad vody na vodík a elektrolýzu a následnú premenu výsledného paliva na palivový článok. Také kombinované zariadenia pracujúce v uzavretom cykle môžu poskytovať úplne ekologický, spoľahlivý, trvanlivý a účinný zdroj energie.
Ďalšou vlastnosťou palivových článkov je, že sú najefektívnejšie, keď sa súčasne používa elektrická aj tepelná energia. Možnosť využitia tepelnej energie však nie je k dispozícii v každom zariadení. V prípade použitia palivových článkov iba na výrobu elektrickej energie sa ich účinnosť znižuje, aj keď prevyšuje účinnosť „tradičných“ inštalácií.
História a moderné využitie palivových článkov
Princíp činnosti palivových článkov bol objavený v roku 1839. Anglický vedec William Grove (William Robert Grove, 1811-1896) zistil, že proces elektrolýzy - rozklad vody na vodík a kyslík pomocou elektrického prúdu - je reverzibilný, to znamená, že vodík a kyslík je možné kombinovať do vody. molekuly bez spaľovania, ale s uvoľňovaním tepla a elektrického prúdu. Grove nazval zariadenie schopné takejto reakcie „plynovou batériou“, čo bol prvý palivový článok.
Aktívny vývoj technológie palivových článkov sa začal po 2. svetovej vojne a je spojený s leteckým priemyslom. V tom čase sa hľadal účinný a spoľahlivý, ale zároveň dostatočne kompaktný zdroj energie. V šesťdesiatych rokoch minulého storočia odborníci NASA (Národný úrad pre letectvo a vesmír, NASA) vybrali palivové články ako zdroj energie pre vesmírne lode Apollo (pilotované misie na Mesiac), Apollo-Sojuz, Blíženci a Skylab ... Apollo poháňali tri 1,5 kW (vrchol 2,2 kW) využívajúce na výrobu elektriny, tepla a vody kryogénny vodík a kyslík. Hmotnosť každej inštalácie bola 113 kg. Tri články pracovali paralelne, ale energia generovaná jednou jednotkou bola dostatočná na bezpečný návrat. Počas 18 letov palivové články celkovo prešli 10 000 hodinami bez akýchkoľvek porúch. V súčasnosti sa v raketopláne používajú palivové články, ktoré na výrobu všetkej elektrickej energie na palube kozmickej lode používajú tri 12 W jednotky (obr. 2). Voda vyrobená elektrochemickou reakciou sa používa ako pitná voda a tiež na chladenie zariadení.
V našej krajine sa tiež pracovalo na vytvorení palivových článkov na použitie v kozmonautike. Palivové články slúžili napríklad na pohon sovietskeho raketoplánu Buran.
Vývoj metód na komerčné využitie palivových článkov sa začal v polovici 60. rokov minulého storočia. Tento vývoj bol čiastočne financovaný vládnymi agentúrami.
V súčasnosti sa vývoj technológií na využitie palivových článkov uberá niekoľkými smermi. Ide o vytvorenie stacionárnych elektrární na palivové články (pre centralizované aj decentralizované zásobovanie energiou), elektrární vozidiel (boli vytvorené vzorky automobilov a autobusov na palivové články, a to aj u nás) (obr. 3), a aj napájacie zdroje pre rôzne mobilné zariadenia (prenosné počítače, mobilné telefóny a pod.) (obr. 4).
Príklady použitia palivových článkov v rôznych oblastiach sú uvedené v tabuľke. 1.
Jeden z prvých komerčných modelov palivových článkov určených na autonómne vykurovanie a napájanie budov bol PC25 Model A, vyrábaný spoločnosťou ONSI Corporation (teraz United Technologies, Inc.). Tento palivový článok s výkonom 200 kW je palivovým článkom s kyselinou fosforečnou (PAFC). Číslo „25“ v názve modelu znamená sériové číslo konštrukcie. Väčšina predchádzajúcich modelov bola experimentálnymi alebo testovacími kusmi, ako napríklad 12,5 kW „PC11“, ktorý sa objavil v 70. rokoch minulého storočia. Nové modely zvýšili výkon odoberaný zo samostatného palivového článku a tiež znížili náklady na kilowatt vyrobenej energie. V súčasnosti je jedným z najúčinnejších komerčných modelov palivový článok PC25 Model C. Rovnako ako model „A“ je to plne automatický palivový článok typu PAFC s výkonom 200 kW, určený na inštaláciu priamo do servisného zariadenia ako autonómny zdroj tepla a energie. Takýto palivový článok môže byť inštalovaný mimo budovu. Navonok je rovnobežnostenný 5,5 m dlhý, 3 m široký a 3 m vysoký a váži 18 140 kg. Rozdiel od predchádzajúcich modelov je vylepšený reformátor a vyššia prúdová hustota.
| stôl 1 Aplikácia palivových článkov |
|||||||||||||||
|
U niektorých typov palivových článkov je chemický proces obrátený: keď je na elektródy aplikovaný potenciálny rozdiel, voda sa môže rozložiť na vodík a kyslík, ktoré sa zhromažďujú na pórovitých elektródach. Keď je pripojené zaťaženie, taký regeneratívny palivový článok začne generovať elektrickú energiu.
Sľubným smerom použitia palivových článkov je ich využitie v spojení s obnoviteľnými zdrojmi energie, napríklad s fotovoltaickými panelmi alebo veternými elektrárňami. Táto technológia vám umožňuje úplne sa vyhnúť znečisteniu ovzdušia. Podobný systém sa plánuje vytvoriť napríklad v školiacom stredisku Adam Joseph Lewis v Oberline (pozri „ABOK“, 2002, č. 5, s. 10). V súčasnej dobe sú solárne panely ako jeden zo zdrojov energie v tejto budove. Spolu so špecialistami NASA bol vyvinutý projekt využívajúci fotovoltaické panely na získavanie vodíka a kyslíka z vody elektrolýzou. Vodík sa potom používa v palivových článkoch na výrobu elektriny a teplej vody. To umožní budove udržať všetky systémy v prevádzke v zamračených dňoch a v noci.
Ako fungujú palivové články
Uvažujme o princípe fungovania palivového článku na príklade najjednoduchšieho článku s membránou na výmenu protónov (Proton Exchange Membrane, PEM). Takýto prvok pozostáva z polymérovej membrány umiestnenej medzi anódou (kladná elektróda) a katódy (záporná elektróda) spolu s anódovým a katódovým katalyzátorom. Ako elektrolyt sa používa polymérna membrána. Schéma prvku PEM je znázornená na obr. 5.
Protónová výmenná membrána (PEM) je tenká (asi 2 až 7 listov obyčajného papiera) tuhá organická zlúčenina. Táto membrána funguje ako elektrolyt: v prítomnosti vody rozdeľuje látku na pozitívne a negatívne nabité ióny.
Na anóde prebieha oxidačný proces a na katóde redukčný proces. Anóda a katóda v článku PEM sú vyrobené z porézneho materiálu, ktorý je zmesou častíc uhlíka a platiny. Platina funguje ako katalyzátor na uľahčenie disociačnej reakcie. Anóda a katóda sú porézne, aby cez ne voľne prechádzali vodík a kyslík.
Anóda a katóda sú umiestnené medzi dvoma kovovými doskami, ktoré dodávajú vodíku a kyslíku do anódy a katódy a odoberajú teplo a vodu, ako aj elektrickú energiu.
Molekuly vodíka prechádzajú kanálmi v doske na anódu, kde sa molekuly rozložia na jednotlivé atómy (obr. 6).
Obrázok 5. () Schéma palivového článku s membránou na výmenu protónov (článok PEM) |
|
Obrázok 6. () Molekuly vodíka prechádzajú kanálmi v doske k anóde, kde sa molekuly rozkladajú na jednotlivé atómy. |
|
Obrázok 7. () V dôsledku chemisorpcie v prítomnosti katalyzátora sa atómy vodíka premenia na protóny |
|
Obrázok 8. () Kladne nabité ióny vodíka difundujú cez membránu na katódu a tok elektrónov je nasmerovaný na katódu vonkajším elektrickým obvodom, ku ktorému je pripojené zaťaženie |
|
Obrázok 9. () Kyslík dodávaný do katódy v prítomnosti katalyzátora vstupuje do chemickej reakcie s vodíkovými iónmi z protonovej výmennej membrány a elektrónmi z vonkajšieho elektrického obvodu. Voda vzniká v dôsledku chemickej reakcie |
Potom sa v dôsledku chemisorpcie v prítomnosti katalyzátora atómy vodíka, z ktorých každý daruje jeden elektrón e -, premenia na kladne nabité ióny vodíka H +, tj. Protóny (obr. 7).
Kladne nabité ióny vodíka (protóny) difundujú cez membránu ku katóde a tok elektrónov je nasmerovaný na katódu vonkajším elektrickým obvodom, ku ktorému je pripojená záťaž (spotrebiteľ elektrickej energie) (obr. 8).
Kyslík dodávaný do katódy v prítomnosti katalyzátora vstupuje do chemickej reakcie s vodíkovými iónmi (protónmi) z membrány na výmenu protónov a elektrónmi z vonkajšieho elektrického obvodu (obr. 9). V dôsledku chemickej reakcie vzniká voda.
Chemická reakcia v palivovom článku iného typu (napríklad s kyslým elektrolytom, ktorým je roztok kyseliny fosforečnej H 3 PO 4), je úplne identická s chemickou reakciou v palivovom článku s membránou na výmenu protónov.
V každom palivovom článku sa časť energie chemickej reakcie uvoľní ako teplo.
Tok elektrónov vo vonkajšom obvode je jednosmerný prúd, ktorý sa používa na prácu. Otvorenie vonkajšieho obvodu alebo zastavenie pohybu vodíkových iónov zastaví chemickú reakciu.
Množstvo elektrickej energie vyrobenej palivovým článkom závisí od typu palivového článku, geometrických rozmerov, teploty a tlaku plynu. Samostatný palivový článok poskytuje EMF menej ako 1,16 V. Veľkosť palivových článkov je možné zvýšiť, v praxi sa však používa niekoľko článkov spojených v batériách (obr. 10).
Usporiadanie palivových článkov
Zoberme si príklad palivového článku pomocou modelu PC25 Model C. Schéma palivového článku je znázornená na obr. jedenásť.
Palivový článok PC25 Model C sa skladá z troch hlavných častí: palivový procesor, skutočná časť výroby energie a menič napätia.
Hlavné teleso palivového článku - časť výroby energie - je sústava 256 jednotlivých palivových článkov. Elektródy palivových článkov obsahujú platinový katalyzátor. Tieto články generujú jednosmerný prúd 1 400 ampérov pri 155 voltoch. Batéria je zhruba 2,9 m dlhá a 0,9 m široká a vysoká.
Pretože elektrochemický proces prebieha pri teplote 177 ° C, je potrebné batériu pri spustení zahriať a počas prevádzky z nej odoberať teplo. Na tento účel je v palivovom článku zahrnutý samostatný vodný okruh a batéria je vybavená špeciálnymi chladiacimi doskami.
Palivový procesor premieňa zemný plyn na vodík na elektrochemickú reakciu. Tento proces sa nazýva reformácia. Hlavným prvkom palivového procesora je reformátor. V reformátore zemný plyn (alebo iné palivo obsahujúce vodík) interaguje s vodnou parou pri vysokej teplote (900 ° C) a vysokom tlaku v prítomnosti katalyzátora - niklu. V tomto prípade dochádza k nasledujúcim chemickým reakciám:
CH4 (metán) + H203H2 + CO
(endotermická reakcia s absorpciou tepla);
CO + H20H2 + C02
(reakcia je exotermická, s uvoľňovaním tepla).
Celková odpoveď je vyjadrená rovnicou:
CH4 (metán) + 2H204H2 + C02
(reakcia je endotermická, s absorpciou tepla).
Aby sa zaistila vysoká teplota potrebná na premenu zemného plynu, časť vyhoreného paliva zo zväzku palivových článkov je smerovaná do horáka, ktorý udržuje požadovanú teplotu reformátora.
Para potrebná na reformovanie sa vytvára z kondenzátu vytvoreného počas prevádzky palivového článku. Využíva sa teplo odobraté zo sady palivových článkov (obr. 12).
V komíne palivových článkov sa vytvára nestabilný jednosmerný prúd, ktorý sa vyznačuje nízkym napätím a vysokým prúdom. Na jeho premenu na štandardný priemyselný striedavý prúd sa používa menič napätia. Jednotka meniča napätia navyše obsahuje rôzne ovládacie zariadenia a bezpečnostné blokovacie obvody, ktoré umožňujú vypnutie palivového článku v prípade rôznych porúch.
V takom palivovom článku je možné približne 40% energie z paliva premeniť na elektrickú energiu. Približne rovnako asi 40% energie paliva je možné premeniť na tepelnú energiu, ktorá sa potom používa ako zdroj tepla na vykurovanie, dodávku teplej vody a na podobné účely. Celková účinnosť takejto inštalácie teda môže dosiahnuť 80%.
Dôležitou výhodou takéhoto zdroja tepla a energie je možnosť jeho automatickej prevádzky. Z dôvodu údržby nepotrebujú majitelia zariadenia, v ktorom sú nainštalované palivové články, udržiavať špeciálne vyškolený personál - pravidelnú údržbu môžu vykonávať zamestnanci prevádzkovej organizácie.
Druhy palivových článkov
V súčasnosti je známych niekoľko typov palivových článkov, líšiacich sa zložením použitého elektrolytu. Najrozšírenejšie sú tieto štyri typy (tabuľka 2):
1. Palivové články s membránou na výmenu protónov (Membránové palivové články s protónovou výmenou, PEMFC).
2. Palivové články na báze kyseliny fosforečnej (Fuel Cells, PFC).
3. Palivové články na báze roztaveného uhličitanu (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).
4. Palivové články z tuhého oxidu (palivové články z tuhého oxidu, SOFC). V súčasnosti je najväčšia flotila palivových článkov postavená na technológii PAFC.
Jednou z kľúčových charakteristík rôznych typov palivových článkov je prevádzková teplota. V mnohých ohľadoch je to teplota, ktorá určuje oblasť použitia palivových článkov. Napríklad pre prenosné počítače sú kritické vysoké teploty, a preto sa pre tento trhový segment vyvíjajú palivové články s protónovou výmenou s nízkymi prevádzkovými teplotami.
Na autonómne napájanie budov sú potrebné palivové články s vysokým inštalovaným výkonom a súčasne existuje možnosť využitia tepelnej energie, preto sa na tieto účely dajú použiť aj palivové články iného druhu.
Palivové články s membránou s protónovou výmenou (PEMFC)
Tieto palivové články pracujú pri relatívne nízkych prevádzkových teplotách (60-160 ° C). Vyznačujú sa vysokou hustotou výkonu, umožňujú rýchle nastavenie výstupného výkonu a dajú sa rýchlo zapnúť. Nevýhodou tohto typu prvkov sú vysoké požiadavky na kvalitu paliva, pretože kontaminované palivo môže poškodiť membránu. Menovitý výkon tohto typu palivových článkov je 1-100 kW.
Membránové palivové články s protónovou výmenou pôvodne vyvinula spoločnosť General Electric v 60. rokoch minulého storočia pre NASA. Tento typ palivového článku používa polymérny elektrolyt v pevnom stave nazývaný protónová výmenná membrána (PEM). Protóny sa môžu pohybovať cez membránu na výmenu protónov, ale elektróny cez ňu neprechádzajú, v dôsledku čoho vzniká potenciálny rozdiel medzi katódou a anódou. Vzhľadom na svoju jednoduchosť a spoľahlivosť boli tieto palivové články použité ako zdroj energie v kozmickej lodi s posádkou Gemini.
Tento typ palivového článku sa používa ako zdroj energie pre širokú škálu zariadení, vrátane prototypov a prototypov, od mobilných telefónov po autobusy a stacionárne energetické systémy. Nízka prevádzková teplota umožňuje použitie takýchto článkov na napájanie rôznych typov zložitých elektronických zariadení. Ich použitie je menej účinné ako zdroj tepla a energie pre verejné a priemyselné budovy, kde je potrebné veľké množstvo tepelnej energie. Tieto prvky sú zároveň sľubné ako autonómny zdroj napájania pre malé obytné budovy, ako sú chaty postavené v oblastiach s horúcim podnebím.
| tabuľka 2 Druhy palivových článkov |
||||||||||||||||||||
|
Palivové články s kyselinou fosforečnou (PAFC)
Palivové články tohto typu boli testované už na začiatku 70. rokov minulého storočia. Rozsah prevádzkových teplôt - 150-200 ° C. Hlavnou oblasťou použitia sú autonómne zdroje tepla a energie s priemerným výkonom (asi 200 kW).
Tieto palivové články používajú ako elektrolyt roztok kyseliny fosforečnej. Elektródy sú vyrobené z papiera potiahnutého uhlíkom, v ktorom je dispergovaný platinový katalyzátor.
Elektrická účinnosť palivových článkov PAFC je 37-42%. Pretože však tieto palivové články pracujú pri dostatočne vysokej teplote, je možné použiť paru generovanú touto operáciou. V tomto prípade môže celková účinnosť dosiahnuť 80%.
Na výrobu energie sa suroviny obsahujúce vodík musia premeniť na čistý vodík reformovacím procesom. Ak sa napríklad ako palivo používa benzín, musia sa odstrániť zlúčeniny obsahujúce síru, pretože síra môže poškodiť platinový katalyzátor.
Palivové články typu PAFC boli prvé komerčné palivové články, ktoré boli ekonomicky opodstatnené. Najbežnejším modelom je 200 kW palivový článok PC25 vyrábaný spoločnosťou ONSI Corporation (teraz United Technologies, Inc.) (obr. 13). Tieto prvky sa napríklad používajú ako zdroj tepla a elektriny na policajnej stanici v Central Parku v New Yorku alebo ako doplnkový zdroj energie pre výškovú budovu „Conde Nast Building & Four Times Square“. Najväčší závod tohto typu sa testuje ako 11 MW elektráreň v Japonsku.
Palivové články s kyselinou fosforečnou sa používajú aj ako zdroj energie vo vozidlách. Napríklad v roku 1994 vybavili H-Power Corp., Georgetown University a americké ministerstvo energetiky autobus s 50 kW elektrárňou.
Palivové články z roztaveného uhličitanu (MCFC)
Palivové články tohto typu pracujú pri veľmi vysokých teplotách - 600 - 700 ° C. Tieto prevádzkové teploty umožňujú použitie paliva priamo v samotnom článku, bez potreby samostatného reformátora. Tento proces sa nazýva „vnútorná reforma“. Výrazne zjednodušuje konštrukciu palivového článku.
Palivové články na báze roztaveného uhličitanu vyžadujú značný čas rozbehu a neumožňujú rýchlu reguláciu výstupného výkonu; preto sú ich hlavnou oblasťou použitia veľké stacionárne zdroje tepelnej a elektrickej energie. Vyznačujú sa však vysokou účinnosťou premeny paliva - 60% elektrickou účinnosťou a až 85% celkovou účinnosťou.
V tomto type palivového článku pozostáva elektrolyt zo solí uhličitanu draselného a uhličitanu lítneho zahriateho na približne 650 ° C. Za týchto podmienok sú soli v roztavenom stave a vytvárajú elektrolyt. Na anóde vodík interaguje s iónmi CO 3, pričom vzniká voda, oxid uhličitý a uvoľňujú sa elektróny, ktoré sú odoslané do vonkajšieho obvodu, a na katóde kyslík interaguje s oxidom uhličitým a elektrónmi z vonkajšieho obvodu, pričom opäť vzniká ióny CO 3 .
Laboratórne vzorky tohto druhu palivových článkov vytvorili koncom päťdesiatych rokov minulého storočia holandskí vedci G. H. J. Broers a J. A. A. Ketelaar. V 60. rokoch minulého storočia inžinier Francis T. Bacon, potomok slávneho anglického spisovateľa a vedca 17. storočia, pracoval s týmito prvkami, preto sa niekedy palivovým článkom MCFC hovorí Baconove články. Programy Apollo, Apollo-Sojuz a Scylab agentúry NASA používali ako zdroj energie práve také palivové články (obr. 14). V rovnakých rokoch americká armáda testovala niekoľko vzoriek palivových článkov MCFC od spoločnosti Texas Instruments, ktoré ako palivo používali benzín vojenskej kvality. V polovici 70. rokov 20. storočia začalo americké ministerstvo energetiky s výskumom zameraným na vytvorenie stacionárneho palivového článku roztaveného uhličitanu vhodného na praktické využitie. V deväťdesiatych rokoch minulého storočia bolo uvedených do prevádzky množstvo komerčných jednotiek s nominálnym výkonom do 250 kW, napríklad na leteckej základni amerického námorníctva Miramar v Kalifornii. V roku 1996 spoločnosť FuelCell Energy, Inc. uviedol do prevádzky nominálnu predvýrobnú jednotku 2 MW v Santa Clare v Kalifornii.
Palivové články z oxidu tuhého (SOFC)
Oxidové palivové články v tuhom stave majú jednoduchú konštrukciu a pracujú pri veľmi vysokých teplotách-700-1 000 ° C. Tieto vysoké teploty umožňujú použitie relatívne „špinavého“ surového paliva. Rovnaké vlastnosti, ako v prípade palivových článkov na báze roztaveného uhličitanu, určujú podobnú oblasť použitia - veľké stacionárne zdroje tepelnej a elektrickej energie.
Palivové články na tuhé oxidy sa štrukturálne líšia od palivových článkov PAFC a MCFC. Anóda, katóda a elektrolyt sú vyrobené zo špeciálnej keramiky. Najbežnejšie používaným elektrolytom je zmes oxidu zirkónia a oxidu vápenatého, ale je možné použiť aj iné oxidy. Elektrolyt tvorí kryštálovú mriežku pokrytú na oboch stranách poréznym materiálom elektródy. Štrukturálne sú tieto prvky vyrobené vo forme rúrok alebo plochých dosiek, čo umožňuje pri ich výrobe používať technológie široko používané v elektronickom priemysle. Výsledkom je, že palivové články z oxidu tuhého môžu pracovať pri veľmi vysokých teplotách, a sú preto výhodné na výrobu elektrickej aj tepelnej energie.
Pri vysokých prevádzkových teplotách sa na katóde vytvárajú kyslíkové ióny, ktoré migrujú kryštálovou mriežkou na anódu, kde interagujú s iónmi vodíka, pričom vytvárajú vodu a uvoľňujú voľné elektróny. V tomto prípade sa vodík uvoľňuje zo zemného plynu priamo v článku, to znamená, že nie je potrebný samostatný reformátor.
Teoretické základy pre výrobu palivových článkov z oxidu tuhého v pevnom skupenstve boli položené koncom 30. rokov 20. storočia, keď švajčiarski vedci Emil Bauer a H. Preis experimentovali so zirkónom, ytriom, cériom, lantanom a volfrámom a používali ich ako elektrolyty.
Prvé prototypy takýchto palivových článkov vytvorilo koncom päťdesiatych rokov minulého storočia množstvo amerických a holandských spoločností. Väčšina týchto spoločností čoskoro opustila ďalší výskum kvôli technologickým ťažkostiam, ale jedna z nich, Westinghouse Electric Corp. (teraz Siemens Westinghouse Power Corporation) pokračovala v práci. Spoločnosť v súčasnosti prijíma predbežné objednávky na komerčný rúrkový model tuhých palivových článkov, ktorý by mal byť uvedený na trh v tomto roku (obrázok 15). Trhovým segmentom pre tieto prvky sú stacionárne zariadenia na výrobu tepla a elektriny s výkonom 250 kW až 5 MW.
Palivové články typu SOFC preukázali veľmi vysokú spoľahlivosť. Napríklad prototyp palivového článku Siemens Westinghouse má za sebou 16 600 hodín a stále beží, čo z neho robí najdlhšiu nepretržitú životnosť palivových článkov na svete.
Vysokoteplotný a vysokotlakový režim prevádzky palivových článkov SOFC umožňuje vytvorenie hybridných závodov, v ktorých emisie z palivových článkov poháňajú plynové turbíny používané na výrobu elektriny. Prvý takýto hybridný závod je v prevádzke v kalifornskom Irvine. Menovitý výkon tejto inštalácie je 220 kW, z toho 200 kW z palivového článku a 20 kW z mikroturbínového generátora.