Kemija in tok. Gorivne celice

Gorivne celice Gorivne celice so razvrščene kot kemični viri energije. Izvajajo neposredno pretvorbo energije goriva v električno energijo mimo neučinkovitih procesov zgorevanja z velikimi izgubami. Ta elektrokemična naprava neposredno proizvaja elektriko kot rezultat zelo učinkovitega "hladnega" zgorevanja goriva.

Biokemiki so ugotovili, da je biološka gorivna celica vodik-kisik "vgrajena" v vsako živo celico (glej poglavje 2).

Vir vodika v telesu je hrana - maščobe, beljakovine in ogljikovi hidrati. V želodcu, črevesju, celicah se na koncu razgradi v monomere, ki pa po vrsti kemičnih transformacij dajo vodik, vezan na molekulo nosilca.

Kisik iz zraka vstopi v krvni obtok skozi pljuča, se združi s hemoglobinom in se prenese v vsa tkiva. Proces združevanja vodika s kisikom je osnova telesne bioenergije. Tu se v blagih razmerah (sobna temperatura, normalni tlak, vodno okolje) kemična energija z visokim izkoristkom pretvori v toplotno, mehansko (gibanje mišic), elektriko (električni žarek), svetlobo (žuželke oddajajo svetlobo).

Človek je znova ponovil napravo za pridobivanje energije, ki jo ustvarja narava. Hkrati to dejstvo govori o možnostih smeri. Vsi procesi v naravi so zelo racionalni, zato koraki k resnični uporabi gorivnih celic dajejo upanje za energetsko prihodnost.

Odkritje gorivne celice vodik-kisik leta 1838 pripada angleškemu znanstveniku W. Groveu. Ko je raziskal razgradnjo vode v vodik in kisik, je odkril stranski učinek - elektrolizator je proizvedel električni tok.

Kaj gori v gorivni celici?
Fosilna goriva (premog, plin in nafta) so sestavljena predvsem iz ogljika. Atomi goriva pri sežiganju izgubijo elektrone, zračni kisikovi atomi pa jih pridobijo. Tako se v procesu oksidacije atomi ogljika in kisika združijo in tvorijo produkte zgorevanja - molekule ogljikovega dioksida. Ta proces je močan: atomi in molekule snovi, ki sodelujejo pri izgorevanju, pridobivajo visoke hitrosti, kar vodi v zvišanje njihove temperature. Začnejo oddajati svetlobo - pojavi se plamen.

Kemična reakcija zgorevanja ogljika je:

C + O2 = CO2 + toplota

V procesu zgorevanja se kemična energija pretvori v toplotno energijo zaradi izmenjave elektronov med atomi goriva in oksidanta. Ta izmenjava je kaotična.

Zgorevanje je izmenjava elektronov med atomi, električni tok pa usmerjeno gibanje elektronov. Če so elektroni prisiljeni delovati med kemično reakcijo, se bo temperatura procesa zgorevanja znižala. V gorivnih celicah se elektroni vzamejo iz reaktantov na eni elektrodi, se odpovejo svoji energiji v obliki električnega toka in se pridružijo reaktantom na drugi.

Osnova vsakega HIT sta dve elektrodi, povezani z elektrolitom. FC je sestavljen iz anode, katode in elektrolita (glej pogl. 2). Oksidira se na anodi, tj. odda elektrone, redukcijsko sredstvo (gorivo CO ali H2), prosti elektroni iz anode vstopijo v zunanji krog, pozitivni ioni pa se zadržijo na vmesniku anoda-elektrolit (CO +, H +). Z drugega konca verige se elektroni približujejo katodi, kjer poteka redukcijska reakcija (dodajanje elektronov z oksidacijskim sredstvom O2–). Nato se ioni oksidanta z elektrolitom prenesejo na katodo.

V TE so združene tri faze fizikalno-kemijskega sistema:

plin (gorivo, oksidant);
elektrolit (ionski prevodnik);
kovinska elektroda (elektronski prevodnik).
V gorivnih celicah se energija redoks reakcije pretvori v električno energijo, procesi oksidacije in redukcije pa so z elektrolitom prostorsko ločeni. Elektrode in elektroliti v reakciji ne sodelujejo, v resničnih strukturah pa se sčasoma onesnažijo z nečistočami goriva. Elektrokemijsko zgorevanje lahko poteka pri nizkih temperaturah in praktično brez izgub. Na sl. p087 prikazuje situacijo, v kateri mešanica plinov (CO in H2) vstopi v gorivno celico, tj. lahko gorijo plinasta goriva (glej poglavje 1). Tako se TE izkaže za "vsejeda".

Uporaba gorivnih celic je zapletena zaradi dejstva, da je treba gorivo zanje "pripraviti". Za FC se vodik proizvaja s pretvorbo fosilnih goriv ali uplinjanjem premoga. Zato strukturni diagram elektrarne na osnovi FC poleg baterij FC, pretvornika DC-v-AC (glej pogl. 3) in pomožne opreme vključuje enoto za proizvodnjo vodika.

Dve smeri razvoja TE

Obstajata dve področji uporabe FC: avtonomna in velika energija.

Za avtonomno uporabo so glavne značilnosti in enostavnost uporabe. Stroški proizvedene energije niso glavni pokazatelj.

Za obsežno proizvodnjo električne energije je odločilni dejavnik učinkovitost. Poleg tega morajo biti naprave trajne, ne smejo vsebovati dragih materialov in uporabljati naravno gorivo z minimalnimi stroški priprave.

Največje koristi obljublja uporaba gorivnih celic v avtomobilu. Tu bo, kot nikjer drugje, vplivala kompaktnost gorivne celice. Z neposrednim prejemom električne energije iz goriva bo gospodarstvo slednjega približno 50%.

Idejo o uporabi gorivnih celic v obsežni elektroenergetiki je prvič oblikoval nemški znanstvenik W. Oswald leta 1894. Kasneje se je razvila ideja o ustvarjanju učinkovitih virov avtonomne energije na osnovi gorivne celice.

Po tem so večkrat poskušali uporabiti premog kot aktivno snov v gorivnih celicah. V tridesetih letih prejšnjega stoletja je nemški raziskovalec E. Bauer ustvaril laboratorijski prototip FC s trdnim elektrolitom za neposredno anodno oksidacijo premoga. Hkrati so preučevali gorivne celice s kisikom in vodikom.

Leta 1958 je F. Bacon v Angliji ustvaril prvo tovarno kisika in vodika s 5 kW. Bilo pa je okorno zaradi uporabe visokega tlaka plina (2 ... 4 MPa).

K. Kordesh od leta 1955 razvija nizkotemperaturne gorivne celice kisika in vodika v ZDA. Uporabili so ogljikove elektrode s platinskimi katalizatorji. E. Yust je v Nemčiji delal na ustvarjanju katalizatorjev, ki niso iz platine.

Po letu 1960 so nastali predstavitveni in oglaševalski vzorci. Prvo praktično uporabo TE so našli na vesoljskem plovilu Apollo. Bili so glavne elektrarne za napajanje vgrajene opreme in so astronavtom zagotavljali vodo in toploto.

Glavna področja uporabe avtonomnih naprav z gorivnimi celicami so bile vojaške in pomorske aplikacije. Konec 60. let se je obseg raziskav toplotne energije zmanjšal, po 80. letih pa se je ponovno povečal glede na veliko elektroenergetiko.

VARTA je razvila FC-je z uporabo dvostranskih elektrod za razpršitev plina. Elektrode te vrste se imenujejo "Janus". Siemens je razvil elektrode z gostoto moči do 90 W / kg. V Združenih državah dela na celicah kisika in vodika izvaja United Technology Corp.

V obsežni energetiki je uporaba gorivnih celic za obsežno shranjevanje energije, na primer za proizvodnjo vodika (glej poglavje 1), zelo obetavna. (sonce in veter) sta razpršena (glej pogl. 4). Njihova resna uporaba, ki je v prihodnosti nepogrešljiva, je nepredstavljiva brez zmogljivih baterij, ki v takšni ali drugačni obliki shranjujejo energijo.

Problem akumulacije je aktualen danes: dnevna in tedenska nihanja obremenitve elektroenergetskih sistemov znatno zmanjšajo njihovo učinkovitost in zahtevajo tako imenovane prilagodljive zmogljivosti. Ena od možnosti za napravo za shranjevanje elektrokemijske energije je gorivna celica v kombinaciji z elektrolizatorji in držali za plin *.

* Držalo za plin [plin + angleško. držalo] - skladišče za velike količine plina.

TE prve generacije

Največjo tehnološko popolnost so dosegle prve generacije srednje temperaturnih gorivnih celic, ki so delovale pri temperaturah 200 ... 230 ° C na tekoče gorivo, zemeljski plin ali tehnični vodik *. Elektrolit v njih je fosforjeva kislina, ki napolni porozno ogljikovo matriko. Elektrode so izdelane iz ogljika, katalizator pa je platina (platina se uporablja v količinah reda nekaj gramov na kilovat moči).

* Tehnični vodik je produkt pretvorbe fosilnih goriv, ​​ki vsebujejo manjše nečistoče ogljikovega monoksida.

Ena takšnih elektrarn je bila v državi Kalifornija leta 1991 naročena. Sestavljen je iz osemnajstih baterij, tehta 18 ton vsakega in je nameščen v ohišju s premerom nekaj več kot 2 m in višino približno 5 m. Razmišljali so o postopku zamenjave baterije s pomočjo okvirne konstrukcije, ki se premika po tirnicah ven.

Dve elektrarni na gorivno celico ZDA sta bili dobavljeni Japonski. Prvi od njih je bil predstavljen v začetku leta 1983. Kazalniki uspešnosti obrata so bili skladni z izračunanimi. Delala je z obremenitvijo od 25 do 80% nominalne vrednosti. Učinkovitost je dosegla 30 ... 37% - to je blizu sodobnim velikim termoelektrarnam. Čas njegovega zagona iz hladnega stanja je od 4 ur do 10 minut, trajanje spremembe moči od nič do polne pa je le 15 s.

Trenutno se v različnih delih ZDA testirajo majhne soproizvodnje z zmogljivostjo 40 kW, vsaka s stopnjo izrabe goriva okoli 80%. Lahko segrejejo vodo do 130 ° C in jih dajo v pralnice, športne komplekse, na komunikacijske točke itd. Približno sto naprav je že delovalo skupaj več sto tisoč ur. Ekološka čistoča elektrarn na osnovi gorivnih celic omogoča njihovo neposredno namestitev v mestih.

Prva elektrarna na gorivo v New Yorku, z močjo 4,5 MW, pokriva površino 1,3 hektarja. Zdaj so potrebne nove elektrarne z zmogljivostjo dvakrat in pol velikosti 30x60 m. V izgradnji je več demonstracijskih elektrarn z močjo 11 MW. Čas gradnje (7 mesecev) in površina (30x60 m), ki jo zaseda elektrarna, sta presenetljiva. Ocenjena življenjska doba novih elektrarn je 30 let.

Druga in tretja generacija TE

Najboljše lastnosti imajo že zasnovane modularne naprave z močjo 5 MW s srednje temperaturnimi gorivnimi celicami druge generacije. Delujejo pri temperaturah 650 ... 700 ° C. Njihove anode so iz sintranih delcev niklja in kroma, katode so iz sintranega in oksidiranega aluminija, elektrolit pa je talina mešanice litijevega in kalijevega karbonata. Povišana temperatura pomaga rešiti dva velika elektrokemična problema:

zmanjšati "zastrupitev" katalizatorja z ogljikovim monoksidom;
za povečanje učinkovitosti procesa redukcije oksidanta na katodi.
Visokotemperaturne gorivne celice tretje generacije s trdnim oksidnim elektrolitom (predvsem cirkonijevim dioksidom) bodo še učinkovitejše. Njihova delovna temperatura je do 1000 ° S. Učinkovitost elektrarn s takšnimi gorivnimi celicami je blizu 50%. Tu so kot gorivo primerni tudi produkti uplinjanja trdnega premoga s precejšnjo vsebnostjo ogljikovega monoksida. Enako pomembno je, da lahko odpadno toploto iz visokotemperaturnih naprav proizvedemo paro, ki poganja turbine generatorjev energije.

Vestingaus je od leta 1958 vključen v gorivne celice iz trdnega oksida. Razvija elektrarne z zmogljivostjo 25 ... 200 kW, ki lahko uporabljajo plinasto gorivo iz premoga. Eksperimentalne naprave z zmogljivostjo več megavatov se pripravljajo na testiranje. Drugo ameriško podjetje, Engelgurd, načrtuje 50 kW gorivne celice, ki delujejo na metanolu s fosforno kislino kot elektrolit.

Vedno več podjetij po vsem svetu sodeluje pri ustvarjanju gorivnih celic. American United Technology in japonska Toshiba sta ustanovili korporacijo International Fuel Cells. V Evropi se z gorivnimi celicami ukvarjajo belgijsko-nizozemski konzorcij Elenko, zahodnonemško podjetje Siemens, italijanski Fiat in Britanec Jonson Metju.

Victor LAVRUS.

Če vam je bil ta material všeč, vam po mnenju naših bralcev ponujamo izbor najboljših materialov na naši spletni strani. Izbor - TOP o okolju prijaznih tehnologijah, novi znanosti in znanstvenih odkritjih, lahko najdete, kjer je za vas najbolj primerno

Mobilna elektronika vsako leto postane bolj dostopna in razširjena, če ne celo mesec. Tu imate prenosnike, dlančnike, digitalne fotoaparate, mobilne telefone in veliko drugih uporabnih in ne tako uporabnih naprav. In vse te naprave nenehno pridobivajo nove funkcije, zmogljivejše procesorje, večje barvne zaslone, brezžično povezljivost, hkrati pa se zmanjšujejo. Toda v nasprotju s polprevodniškimi tehnologijami energetske tehnologije te celotne mobilne menažerije niso skokovite.

Običajne akumulatorske baterije in baterije očitno ne zadostujejo za daljši čas napajanja najnovejših dosežkov v elektronski industriji. Brez zanesljivih baterij z visoko zmogljivostjo se izgubi vsa točka mobilnosti in brezžičnosti. Tako se računalniška industrija vse bolj aktivno ukvarja s problemom alternativni napajalniki... In danes najbolj obetavna smer tukaj gorivne celice.

Osnovno načelo gorivnih celic je leta 1839 odkril britanski znanstvenik Sir William Grove. Znan je kot oče "gorivne celice". William Grove je s spremembo pridobival elektriko za pridobivanje vodika in kisika. Ko je odklopil baterijo iz elektrolitske celice, je Grove presenečeno ugotovil, da so elektrode začele absorbirati nastali plin in ustvarjati tok. Odpiranje procesa elektrokemijsko "hladno" zgorevanje vodika je postal pomemben dogodek v energetskem sektorju, kasneje pa so tako znani elektrokemiki, kot sta Ostwald in Nernst, igrali pomembno vlogo pri razvoju teoretičnih temeljev in praktične implementacije gorivnih celic ter jim napovedali veliko prihodnost.

Sebe izraz "gorivne celice" pojavila pozneje - predlagala sta jo leta 1889 Ludwig Mond in Charles Langer, ki sta poskušala ustvariti napravo za proizvodnjo električne energije iz zraka in premogovnega plina.

Pri normalnem izgorevanju v kisiku se organsko gorivo oksidira, kemična energija goriva pa se neučinkovito pretvori v toplotno energijo. Vendar se je izkazalo, da je mogoče oksidacijsko reakcijo, na primer vodika s kisikom, izvesti v elektrolitskem okolju in v prisotnosti elektrod pridobiti električni tok. Na primer, z dobavo vodika elektrodi v alkalnem mediju dobimo elektrone:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

ki skozi zunanji krog vstopijo v nasprotno elektrodo, na katero vstopi kisik in kjer poteka reakcija: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

Vidimo lahko, da je nastala reakcija 2H2 + O2 → H2O enaka kot pri običajnem zgorevanju, vendar v gorivni celici ali drugače elektrokemijski generator, električni tok dobimo z velikim izkoristkom in delno toploto. Upoštevajte, da se premog, ogljikov monoksid, alkoholi, hidrazin in druge organske snovi lahko uporabljajo tudi kot gorivo v gorivnih celicah, zrak, vodikov peroksid, klor, brom, dušikovo kislino itd. Pa kot oksidante.

Razvoj gorivnih celic se je močno nadaljeval tako v tujini kot v Rusiji in nato v ZSSR. Med znanstveniki, ki so veliko prispevali k preučevanju gorivnih celic, opažamo V. Jaco, P. Yablochkov, F. Bacon, E. Bauer, E. Yusti, K. Kordesh. Sredi prejšnjega stoletja se je začel nov vihar težav z gorivnimi celicami. To je deloma posledica pojava novih idej, materialov in tehnologij, ki so posledica obrambnih raziskav.

Eden od znanstvenikov, ki je naredil velik korak pri razvoju gorivnih celic, je bil P. M. Sppiridonov. Spiridonov vodikovodikovi kisikovi elementi dalo gostoto toka 30 mA / cm2, kar je za ta čas veljalo za velik dosežek. V štiridesetih letih je O. Davtyan ustvaril instalacijo za elektrokemijsko zgorevanje generatorskega plina, pridobljenega s uplinjanjem premoga. Za vsak kubični meter prostornine elementa je Davtyan prejel 5 kW moči.

Bilo je prva gorivna celica iz trdnega elektrolita... Imel je visoko učinkovitost, vendar se je sčasoma elektrolit poslabšal in ga je bilo treba spremeniti. Nato je Davtyan konec petdesetih let ustvaril zmogljivo instalacijo, ki je pripeljala traktor v gibanje. Ista leta je angleški inženir T. Bacon zasnoval in izdelal baterijo gorivnih celic s skupno močjo 6 kW in izkoristkom 80%, ki deluje na čistem vodiku in kisiku, vendar razmerje med močjo in maso baterija se je izkazala za premajhno - takšne celice so bile neprimerne za praktično uporabo in predrage.

V naslednjih letih je čas samotarjev minil. Ustvarjalci vesoljskih plovil so se začeli zanimati za gorivne celice. Od sredine šestdesetih let so bili v raziskave gorivnih celic vloženi milijoni dolarjev. Delo več tisoč znanstvenikov in inženirjev je omogočilo doseči novo raven in leta 1965. Gorivne celice so bile v ZDA testirane na vesoljskem plovilu Gemini-5, kasneje pa na vesoljskem plovilu Apollo za polete na Luno in v okviru programa Shuttle.

V ZSSR so bile gorivne celice razvite v NPO Kvant, tudi za uporabo v vesolju. V teh letih so se že pojavili novi materiali - trdni polimerni elektroliti na osnovi ionsko izmenjevalnih membran, nove vrste katalizatorjev, elektrod. Kljub temu je bila gostota delovnega toka majhna - znotraj 100-200 mA / cm2, vsebnost platine na elektrodah pa nekaj g / cm2. Bilo je veliko težav, povezanih z vzdržljivostjo, stabilnostjo, varnostjo.

Naslednja stopnja v hitrem razvoju gorivnih celic se je začela v 90. letih. prejšnje stoletje in se nadaljuje zdaj. To je posledica potrebe po novih učinkovitih virih energije v povezavi na eni strani s svetovnim okoljskim problemom naraščajoče emisije toplogrednih plinov pri zgorevanju fosilnih goriv, ​​na drugi strani pa s pomanjkanjem takšnega goriva rezerve. Ker je končni produkt zgorevanja vodika v gorivni celici voda, veljajo za najčistejše z vidika vpliva na okolje. Glavni problem je le v iskanju učinkovite in poceni metode za proizvodnjo vodika.

Milijarde finančnih naložb v razvoj gorivnih celic in generatorjev vodika bi morale povzročiti tehnološki preboj in jih uresničiti v vsakdanjem življenju: v celicah za mobilne telefone, v avtomobilih, v elektrarnah. Že zdaj avtomobilski velikani, kot so Ballard, Honda, Daimler Chrysler, General Motors, predstavljajo avtomobile in avtobuse, ki delujejo na 50 kW gorivne celice. Razvila so se številna podjetja predstavitvene elektrarne na gorivne celice s trdnim oksidnim elektrolitom z zmogljivostjo do 500 kW... Kljub pomembnemu preboju pri izboljšanju lastnosti gorivnih celic pa je treba rešiti še veliko težav, povezanih z njihovimi stroški, zanesljivostjo in varnostjo.

V gorivni celici se za razliko od baterij in akumulatorjev gorivo in oksidant dovajata od zunaj. Gorivna celica je le posrednik v reakciji in bi v idealnih pogojih lahko delovala skoraj večno. Lepota te tehnologije je v tem, da element v resnici gori gorivo in sproščeno energijo neposredno pretvori v električno. Pri neposrednem zgorevanju goriva se oksidira s kisikom, toplota, ki se pri tem sprosti, pa se uporablja za opravljanje koristnega dela.

V gorivni celici, tako kot v baterijah, so reakcije oksidacije goriva in redukcije kisika prostorsko ločene, proces "zgorevanja" pa poteka le, če celica dovaja tok v breme. Je kot dizelski električni generator, samo brez dizla in generatorja... In tudi brez dima, hrupa, pregrevanja in z veliko večjo učinkovitostjo. Slednje je razloženo z dejstvom, da, prvič, ni vmesnih mehanskih naprav in, drugič, gorivna celica ni toplotni motor in posledično ne spoštuje Carnotovega zakona (to pomeni, da njegova učinkovitost ni določena z temperaturna razlika).

Kisik se uporablja kot oksidant v gorivnih celicah. Poleg tega, ker je v zraku dovolj kisika, vam ni treba skrbeti za oskrbo z oksidantom. Gorivo je vodik. Torej, v gorivni celici poteka reakcija:

2H2 + O2 → 2H2O + elektrika + toplota.

Rezultat je uporabna energija in vodna para. Najpreprostejša v svoji strukturi je membranska gorivna celica z izmenjavo protonov(glej sliko 1). Deluje na naslednji način: vodik, ki vstopi v element, se pod delovanjem katalizatorja razgradi v elektrone in pozitivno nabite vodikove ione H +. Nato pride v poštev posebna membrana, ki igra vlogo elektrolita v običajni bateriji. Zaradi svoje kemijske sestave omogoča, da protoni prehajajo skozi sebe, vendar zadrži elektrone. Tako elektroni, nabrani na anodi, ustvarjajo presežek negativnega naboja, vodikovi ioni pa na katodi ustvarjajo pozitiven naboj (napetost na celici je približno 1 V).

Za ustvarjanje velike moči je gorivna celica sestavljena iz več celic. Če je element vključen v obremenitev, bodo elektroni skozi njega stekli do katode, ustvarili tok in zaključili proces oksidacije vodika s kisikom. Kot katalizator v takšnih gorivnih celicah se praviloma uporabljajo platinasti mikrodelci na ogljikovih vlaknih. Zaradi svoje strukture je tak katalizator zelo prepustljiv za plin in elektriko. Membrana je običajno narejena iz polimera, ki vsebuje žveplo, Nafiona. Debelina membrane je enaka desetinkam milimetra. Med reakcijo se seveda sprošča tudi toplota, vendar je ni toliko, zato se delovna temperatura vzdržuje v območju 40-80 ° C.

Slika 1. Kako deluje gorivna celica

Obstajajo tudi druge vrste gorivnih celic, ki se razlikujejo predvsem po vrsti uporabljenega elektrolita. Skoraj vsi potrebujejo vodik kot gorivo, zato se postavlja logično vprašanje: kje ga dobiti. Seveda bi bilo mogoče uporabiti stisnjen vodik iz jeklenk, potem pa takoj nastanejo težave, povezane s transportom in skladiščenjem tega zelo vnetljivega plina pod visokim pritiskom. Seveda se vodik lahko uporablja v vezani obliki kot v kovinsko -hidridnih baterijah. Kljub temu ostaja problem njegove proizvodnje in transporta, ker infrastruktura za oskrbo z vodikom ne obstaja.

Obstaja pa tudi rešitev - tekoče ogljikovodikovo gorivo lahko uporabimo kot vir vodika. Na primer etilni ali metilni alkohol. Res je, tukaj je že potrebna posebna dodatna naprava - pretvornik goriva, ki pri visoki temperaturi pretvarja alkohole v mešanico plinastih H2 in CO2 (za metanol bo nekje okoli 240 ° C). Toda v tem primeru je že težje razmišljati o prenosljivosti - takšne naprave je dobro uporabljati kot stacionarne ali, za kompaktno mobilno opremo pa potrebujete nekaj manj okornega.

In tu smo prišli točno do naprave, katere razvoj s strašno močjo izvajajo skoraj vsi največji proizvajalci elektronike - gorivne celice iz metanola(Slika 2).

Slika 2. Kako deluje gorivna celica z metanolom

Temeljna razlika med vodikovimi in metanolovimi gorivnimi celicami je v uporabljenem katalizatorju. Katalizator v gorivni celici iz metanola omogoča odstranjevanje protonov neposredno iz molekule alkohola. Tako je vprašanje goriva rešeno - metilni alkohol se množično proizvaja za kemično industrijo, enostaven je za shranjevanje in transport, za polnjenje metanolne gorivne celice pa je dovolj, da preprosto zamenjate kartušo za gorivo. Vendar pa obstaja ena pomembna pomanjkljivost - metanol je strupen. Poleg tega je izkoristek gorivne celice iz metanola bistveno nižji od učinkovitosti vodikove gorivne celice.

Riž. 3. Gorivna celica iz metanola

Najbolj mamljiva možnost je uporaba etilnega alkohola kot goriva, saj je proizvodnja in distribucija alkoholnih pijač katere koli sestave in jakosti dobro uveljavljena po vsem svetu. Učinkovitost gorivnih celic iz etanola pa je na žalost še nižja od učinkovitosti metanola.

Kot je bilo ugotovljeno v dolgoletnem razvoju na področju gorivnih celic, so bile zgrajene različne vrste gorivnih celic. Gorivne celice so razvrščene po vrsti elektrolita in gorivu.

1. Trden polimerni vodikov kisikov elektrolit.

2. Gorivne celice iz trdnega polimernega metanola.

3. Celice na alkalnem elektrolitu.

4. Gorivne celice s fosforno kislino.

5. Gorivne celice na osnovi staljenih karbonatov.

6. Gorivne celice iz trdnega oksida.

V idealnem primeru je izkoristek gorivnih celic zelo visok, v realnih razmerah pa so izgube povezane z neravnovesnimi procesi, kot so: ohmske izgube zaradi specifične prevodnosti elektrolita in elektrod, aktivacijska in koncentracijska polarizacija, difuzijske izgube. Posledično se del energije, proizvedene v gorivnih celicah, pretvori v toploto. Prizadevanja strokovnjakov so namenjena zmanjšanju teh izgub.

Glavni vir ohmičnih izgub, pa tudi razlog za visoke stroške gorivnih celic, so perfluorirane membrane za izmenjavo sulfonskih kationov. Zdaj poteka iskanje alternativnih, cenejših polimerov s protonsko prevodnostjo. Ker prevodnost teh membran (trdnih elektrolitov) doseže sprejemljivo vrednost (10 Ohm / cm) le v prisotnosti vode, je treba pline, ki se dovajajo v gorivno celico, dodatno navlažiti v posebni napravi, kar poveča tudi stroške sistem. V katalitskih plinastih difuzijskih elektrodah se uporabljajo predvsem platina in nekatere druge žlahtne kovine, za katere do zdaj ni bilo mogoče najti nadomestkov. Čeprav je vsebnost platine v gorivnih celicah nekaj mg / cm2, pri velikih baterijah njena količina doseže več deset gramov.

Pri načrtovanju gorivnih celic je veliko pozornosti namenjeno sistemu odvajanja toplote, saj pri visokih gostotah toka (do 1A / cm2) pride do samogrevanja sistema. Za hlajenje se uporablja voda, ki kroži v gorivni celici po posebnih kanalih, pri nizki moči pa se piha zrak.

Tako je sodobni sistem elektrokemičnih generatorjev poleg same gorivne celice "preraščen" s številnimi pomožnimi napravami, kot so: črpalke, kompresor za dovod zraka, dovod vodika, vlažilec plina, hladilna enota, puščanje plina krmilnega sistema, pretvornika DC-to-AC, krmilnega procesorja itd. Vse to vodi do dejstva, da so bili stroški sistema gorivnih celic v letih 2004-2005 2-3 tisoč USD / kW. Po mnenju strokovnjakov bodo gorivne celice na voljo za uporabo v transportnih in stacionarnih elektrarnah po ceni 50-100 USD / kW.

Za uvedbo gorivnih celic v vsakdanje življenje je treba skupaj z znižanjem stroškov sestavnih delov pričakovati nove izvirne ideje in pristope. Veliko upanja se polaga na uporabo nanomaterialov in nanotehnologije. Na primer, več podjetij je nedavno napovedalo ustvarjanje ultra učinkovitih katalizatorjev, zlasti za kisikovo elektrodo, ki temelji na grozdih nanodelcev različnih kovin. Poleg tega so poročali o zasnovi gorivnih celic brez membran, pri katerih se tekoče gorivo (na primer metanol) dovaja v gorivno celico skupaj z oksidantom. Zanimiv je tudi razvit koncept celic za biogoriva, ki delujejo v onesnaženih vodah in porabijo raztopljen atmosferski kisik kot oksidant ter organske nečistoče kot gorivo.

Po mnenju strokovnjakov bodo gorivne celice v prihodnjih letih vstopile na množični trg. Dejansko razvijalci drug za drugim premagujejo tehnične težave, poročajo o uspehih in predstavljajo prototipe gorivnih celic. Na primer, Toshiba je pokazala dokončan prototip metanolne gorivne celice. Ima velikost 22x56x4,5 mm in daje moč približno 100mW. Eno polnjenje 2 kocki koncentriranega (99,5%) metanola zadostuje za 20 ur delovanja MP3 predvajalnika. Toshiba je predstavila komercialno gorivno celico za napajanje mobilnih telefonov. Ponovno je ista Toshiba pokazala baterijo za prenosnike velikosti 275x75x40 mm, ki računalniku omogoča delo 5 ur od enega polnjenja.

Še eno japonsko podjetje Fujitsu ne zaostaja za Toshibo. Leta 2004 je predstavila tudi element, ki deluje na 30% vodno raztopino metanola. Ta gorivna celica je 10 ur delovala na enem 300 ml polnjenju in hkrati oddajala 15 vatov moči.

Casio razvija gorivno celico, v kateri se metanol najprej pretvori v mešanico plinov H2 in CO2 v miniaturnem pretvorniku goriva in nato dovaja v gorivno celico. Med predstavitvijo je prototip Casia 20 ur poganjal prenosni računalnik.

Samsung se je uveljavil tudi na področju gorivnih celic - leta 2004 je predstavil svoj 12 -vatni prototip, zasnovan za napajanje prenosnega računalnika. Na splošno namerava Samsung gorivne celice najprej uporabiti v pametnih telefonih četrte generacije.

Moram reči, da so se japonska podjetja na splošno zelo temeljito lotila razvoja gorivnih celic. Leta 2003 so podjetja, kot so Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony in Toshiba, združila moči za razvoj enotnega standarda gorivnih celic za prenosne računalnike, mobilne telefone, dlančnike in druge elektronske naprave. Ameriška podjetja, ki so tudi številna na tem trgu, večinoma delajo po pogodbah z vojsko in razvijajo gorivne celice za elektrifikacijo ameriških vojakov.

Nemci ne zaostajajo - Smart Fuel Cell prodaja gorivne celice za napajanje mobilne pisarne. Naprava se imenuje Smart Fuel Cell C25, ima dimenzije 150x112x65 mm in lahko z enim samim polnjenjem proizvede do 140 vatnih ur. To je dovolj za napajanje prenosnika približno 7 ur. Nato lahko kartušo zamenjate in nadaljujete z delom. Velikost metanolnega vložka je 99x63x27 mm in tehta 150 g. Sam sistem tehta 1,1 kg, zato ga ne morete imenovati popolnoma prenosnega, a vseeno je popolnoma dokončana in priročna naprava. Podjetje razvija tudi modul za gorivo za napajanje profesionalnih video kamer.

Na splošno so gorivne celice že vstopile na trg mobilne elektronike. Proizvajalci morajo pred začetkom množične proizvodnje rešiti še zadnje tehnične težave.

Najprej je treba rešiti vprašanje miniaturizacije gorivnih celic. Konec koncev, manjša kot je gorivna celica, manj energije bo lahko oddala - zato se nenehno razvijajo novi katalizatorji in elektrode za povečanje delovne površine z majhnimi dimenzijami. Tu so zelo koristni najnovejši dosežki na področju nanotehnologije in nanomaterialov (na primer nanocevk). Ponovno se dosežki mikroelektromehanike vse pogosteje uporabljajo za miniaturizacijo cevovodov elementov (črpalke za gorivo in vodo, hladilni sistemi in pretvorba goriva).

Drugo pomembno vprašanje, ki ga je treba obravnavati, so stroški. Dejansko se zelo draga platina uporablja kot katalizator v večini gorivnih celic. Spet nekateri proizvajalci poskušajo kar najbolje izkoristiti že uveljavljene silicijeve tehnologije.

Kar zadeva druga področja uporabe gorivnih celic, so se gorivne celice tam že trdno uveljavile, čeprav še niso postale mainstream niti v energetskem sektorju niti v prometu. Že veliko proizvajalcev avtomobilov je predstavilo svoje konceptne avtomobile na gorivne celice. V več mestih po svetu obstajajo avtobusi na gorivne celice. Canadian Ballard Power Systems proizvaja vrsto stacionarnih generatorjev v razponu od 1 do 250 kW. Hkrati so kilovatni generatorji zasnovani tako, da eno stanovanje takoj oskrbijo z elektriko, toploto in toplo vodo.

Prednosti gorivnih celic / celic

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

Gorivna celica je podobna bateriji, saj s kemično reakcijo ustvarja enosmerni tok. Gorivna celica vključuje anodo, katodo in elektrolit. Za razliko od baterij gorivne celice / celice ne morejo shranjevati električne energije, se ne praznijo in ne potrebujejo električne energije za polnjenje. Gorivne celice / celice lahko neprestano proizvajajo električno energijo, dokler imajo zalogo goriva in zraka.

Za razliko od drugih proizvajalcev električne energije, kot so motorji z notranjim zgorevanjem ali turbine, ki delujejo na plin, premog, kurilno olje itd., Gorivne celice / celice ne gorijo. To pomeni brez hrupnih visokotlačnih rotorjev, brez glasnega izpušnega hrupa, brez vibracij. Gorivne celice / celice proizvajajo elektriko z tiho elektrokemijsko reakcijo. Druga značilnost gorivnih celic / celic je, da kemično energijo goriva pretvarjajo neposredno v elektriko, toploto in vodo.

Gorivne celice so zelo učinkovite in ne proizvajajo velikih količin toplogrednih plinov, kot so ogljikov dioksid, metan in dušikov oksid. Edini produkt emisij med delovanjem je voda v obliki pare in majhna količina ogljikovega dioksida, ki se sploh ne oddaja, če se kot gorivo uporablja čisti vodik. Gorivne celice / celice so sestavljene v sklope in nato v ločene funkcionalne module.

Zgodovina razvoja gorivnih celic / celic

V petdesetih in šestdesetih letih prejšnjega stoletja se je zaradi potrebe Nacionalne uprave za letalstvo in vesolje (NASA) po virih energije za dolgoročne vesoljske misije rodila ena najtežjih nalog gorivnih celic. NASA -jeva alkalna gorivna celica / celica kot gorivo uporablja vodik in kisik, kar združuje v elektrokemijski reakciji. Izhod proizvede tri stranske produkte reakcije, ki so uporabni pri vesoljskih poletih - električno energijo za napajanje vesoljskega plovila, vodo za sisteme za pitje in hlajenje ter toploto za ogrevanje astronavtov.

Odkritje gorivnih celic sega v začetek 19. stoletja. Prvi dokazi o učinku gorivnih celic so bili pridobljeni leta 1838.

Konec tridesetih let prejšnjega stoletja so se začela dela na gorivnih celicah z alkalnim elektrolitom, do leta 1939 pa so zgradili celico z visokotlačnimi ponikljanimi elektrodami. Med drugo svetovno vojno so bile razvite gorivne celice / celice za podmornice britanske mornarice, leta 1958 pa je bil uveden gorivni sklop, sestavljen iz alkalnih gorivnih celic / celic s premerom nekaj več kot 25 cm.

Zanimanje se je povečalo v petdesetih in šestdesetih letih 20. stoletja, pa tudi v osemdesetih letih prejšnjega stoletja, ko je v industrijskem svetu prišlo do pomanjkanja kurilnega olja. V istem obdobju so se tudi svetovne države začele ukvarjati s problemom onesnaženja zraka in razmišljale o metodah za okolju prijazno proizvodnjo električne energije. Trenutno tehnologija proizvodnje gorivnih celic / celic doživlja stopnjo hitrega razvoja.

Kako delujejo gorivne celice / celice

Gorivne celice / celice proizvajajo elektriko in toploto iz elektrokemijske reakcije, ki poteka z uporabo elektrolita, katode in anode.

Anodo in katodo ločuje elektrolit, ki prevaja protone. Ko vodik vstopi v anodo in kisik vstopi v katodo, se začne kemična reakcija, zaradi katere nastane električni tok, toplota in voda.

Na anodnem katalizatorju molekularni vodik disociira in izgubi elektrone. Vodikovi ioni (protoni) potekajo skozi elektrolit do katode, elektroni pa skozi elektrolit in prehajajo skozi zunanji električni tokokrog, kar ustvarja enosmerni tok, ki ga je mogoče uporabiti za napajanje opreme. Na katodnem katalizatorju se molekula kisika združi z elektronom (ki se napaja iz zunanjih komunikacij) in dohodnim protonom ter tvori vodo, ki je edini reakcijski produkt (v obliki hlapov in / ali tekočine).

Sledi ustrezna reakcija:

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

Vrste in raznolikost gorivnih celic / celic

Podobno kot pri različnih vrstah motorjev z notranjim izgorevanjem obstajajo različne vrste gorivnih celic - izbira ustrezne vrste gorivnih celic je odvisna od uporabe.

Gorivne celice delimo na visokotemperaturne in nizkotemperaturne. Gorivne celice pri nizkih temperaturah zahtevajo relativno čisto vodik kot gorivo. To pogosto pomeni, da je za pretvorbo primarnega goriva (na primer zemeljskega plina) v čisti vodik potrebna predelava goriva. Ta postopek porabi dodatno energijo in zahteva posebno opremo. Visokotemperaturne gorivne celice ne potrebujejo tega dodatnega postopka, saj lahko gorivo "interno pretvorijo" pri povišanih temperaturah, kar pomeni, da ni potrebe po vlaganju v vodikovo infrastrukturo.

Gorivne celice / celice na staljenem karbonatu (RKTE)

Gorivne celice iz staljenega karbonatnega elektrolita so visokotemperaturne gorivne celice. Visoka delovna temperatura omogoča uporabo zemeljskega plina neposredno brez procesorja in kurilnega plina z nizko kurilno vrednostjo v gorivih za proizvodne procese in iz drugih virov.

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

Pri segrevanju na 650 ° C soli postanejo prevodnik za karbonatne ione (CO 3 2-). Ti ioni prehajajo iz katode na anodo, kjer se združijo z vodikom in tvorijo vodo, ogljikov dioksid in proste elektrone. Ti elektroni se preko zunanjega električnega tokokroga usmerjajo nazaj na katodo, pri čemer nastajajo električni tok in toplota kot stranski produkt.

Reakcija na anodi: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Reakcija na katodi: CO 2 + 1 / 2O 2 + 2e - => CO 3 2-
Splošna reakcija elementa: H 2 (g) + 1 / 2O 2 (g) + CO 2 (katoda) => H 2 O (g) + CO 2 (anoda)

Visoke delovne temperature gorivnih celic iz staljenega karbonatnega elektrolita imajo določene prednosti. Pri visokih temperaturah se zemeljski plin notranje reformira, kar odpravlja potrebo po procesorju goriva. Poleg tega prednosti vključujejo možnost uporabe standardnih gradbenih materialov, kot so pločevina iz nerjavečega jekla in katalizator iz niklja na elektrodah. Odpadno toploto lahko uporabimo za ustvarjanje visokotlačne pare za različne industrijske in komercialne namene.

Visoke reakcijske temperature v elektrolitu imajo tudi prednosti. Uporaba visokih temperatur traja dolgo, da se dosežejo optimalni pogoji delovanja, sistem pa se počasneje odziva na spremembe porabe energije. Te lastnosti omogočajo uporabo naprav z gorivnimi celicami s staljenim karbonatnim elektrolitom pri pogojih konstantne moči. Visoke temperature preprečujejo poškodbe ogljikovega monoksida na gorivni celici.

Gorivne celice iz staljenega karbonatnega elektrolita so primerne za uporabo v velikih stacionarnih napravah. Termoelektrarne z izhodno električno močjo 3,0 MW so industrijsko proizvedene. Razvijajo se naprave z izhodno močjo do 110 MW.

Gorivne celice / celice fosforne kisline (FCTE)

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

Gorivne celice na osnovi fosforne (ortofosforne) kisline uporabljajo elektrolit na osnovi fosforne kisline (H 3 PO 4) s koncentracijo do 100%. Ionska prevodnost fosforjeve kisline je nizka pri nizkih temperaturah, zato se te gorivne celice uporabljajo pri temperaturah do 150-220 ° C.

Nosilec naboja v tej vrsti gorivne celice je vodik (H +, proton). Podoben proces poteka v gorivnih celicah z membrano za izmenjavo protonov, pri kateri se vodik, ki je doveden na anodo, razdeli na protone in elektrone. Protoni potujejo skozi elektrolit in se skupaj s kisikom iz zraka na katodi tvorijo vodo. Elektroni se usmerjajo skozi zunanji električni tokokrog in ustvarjajo električni tok. Spodaj so reakcije, ki proizvajajo elektriko in toploto.

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

Učinkovitost gorivnih celic na osnovi fosforne (ortofosforne) kisline je več kot 40% pri ustvarjanju električne energije. S kombinirano proizvodnjo toplote in električne energije je skupni izkoristek okoli 85%. Poleg tega je mogoče glede na delovne temperature odpadno toploto uporabiti za segrevanje vode in ustvarjanje pare pri atmosferskem tlaku.

Visoka zmogljivost termoelektrarn na gorivne celice na osnovi fosforne (ortofosforne) kisline pri kombinirani proizvodnji toplote in električne energije je ena od prednosti te vrste gorivnih celic. Rastline uporabljajo ogljikov monoksid s koncentracijo približno 1,5%, kar znatno razširi izbiro goriva. Poleg tega CO 2 ne vpliva na elektrolit in delovanje gorivne celice; ta vrsta celic deluje z reformiranim naravnim gorivom. Enostavna zasnova, nizka hlapnost elektrolitov in povečana stabilnost so tudi prednosti te vrste gorivnih celic.

Toplotne in elektrarne z izhodno električno močjo do 500 kW so industrijsko proizvedene. Enote 11 MW so bile ustrezno preizkušene. Razvijajo se naprave z izhodno močjo do 100 MW.

Gorivne celice / celice iz trdnega oksida (SOFC)

Gorivne celice iz trdnega oksida so gorivne celice z najvišjo delovno temperaturo. Delovna temperatura se lahko spreminja od 600 ° C do 1000 ° C, kar omogoča uporabo različnih vrst goriva brez posebne predhodne obdelave. Za obvladovanje teh visokih temperatur je elektrolit uporabljen tanek trden kovinski oksid na osnovi keramike, pogosto zlitina itrija in cirkonija, ki je prevodnik ionov kisika (O 2-).

Trdni elektrolit zagotavlja hermetično zaprt prehod plina iz ene elektrode v drugo, medtem ko se tekoči elektroliti nahajajo v porozni podlagi. Nosilec naboja v tej vrsti gorivne celice je kisikov ion (O 2-). Na katodi se molekule kisika iz zraka ločijo na kisikov ion in štiri elektrone. Kisikovi ioni prehajajo skozi elektrolit in se skupaj z vodikom tvorijo štiri proste elektrone. Elektroni se usmerjajo skozi zunanji električni tokokrog in ustvarjajo električni tok in odpadno toploto.

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

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

Gorivne celice iz trdnega oksida delujejo pri zelo visokih temperaturah (600 ° C - 1000 ° C), kar traja dolgo časa za doseganje optimalnih pogojev delovanja, sistem pa se počasneje odziva na spremembe porabe energije. Pri tako visokih obratovalnih temperaturah pretvornik ni potreben za pridobivanje vodika iz goriva, kar termoelektrarni omogoča obratovanje z relativno nečistimi gorivi, ki so posledica uplinjanja premoga ali odpadnih plinov in podobno. Ta gorivna celica je tudi odlična za delovanje z veliko močjo, vključno z industrijskimi in velikimi centralnimi elektrarnami. Komercialno se proizvajajo moduli z izhodno električno močjo 100 kW.

Gorivne celice / celice z neposredno oksidacijo metanola (POMTE)

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

Zasnova gorivnih celic z neposredno oksidacijo metanola je podobna gorivnim celicam s protonsko izmenjevalno membrano (MOPTE), t.j. polimer se uporablja kot elektrolit, vodikov ion (proton) pa kot nosilec naboja. Vendar pa se tekoči metanol (CH3OH) oksidira v prisotnosti vode na anodi s sproščanjem CO 2, vodikovih ionov in elektronov, ki se usmerjajo skozi zunanje električno vezje, s čimer nastaja električni tok. Vodikovi ioni prehajajo skozi elektrolit in reagirajo s kisikom iz zraka in elektroni iz zunanjega kroga, da tvorijo vodo na anodi.

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

Prednost te vrste gorivne celice je njena majhnost zaradi uporabe tekočega goriva in odsotnosti potrebe po pretvorniku.

Alkalne gorivne celice / celice (SHFC)

Alkalne gorivne celice so eden najučinkovitejših elementov za proizvodnjo električne energije, pri čemer učinkovitost pridobivanja energije doseže do 70%.

Alkalne gorivne celice uporabljajo elektrolit, to je vodno raztopino kalijevega hidroksida, ki jo vsebuje porozna stabilizirana matrica. Koncentracija kalijevega hidroksida se lahko spreminja glede na delovno temperaturo gorivne celice, ki se giblje od 65 ° C do 220 ° C. Nosilec naboja v SHFC je hidroksilni ion (OH -), ki se premika od katode do anode, kjer reagira z vodikom, pri čemer proizvaja vodo in elektrone. Voda, ki nastane na anodi, se premakne nazaj na katodo in tam spet ustvari hidroksilne ione. Ta vrsta reakcij v gorivni celici proizvaja električno energijo in kot stranski produkt toploto:

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

Prednost SHFC je, da so te gorivne celice najcenejše za izdelavo, saj je katalizator, ki je potreben na elektrodah, lahko katera koli od snovi, ki so cenejše od tistih, ki se uporabljajo kot katalizatorji za druge gorivne celice. SCFC delujejo pri razmeroma nizkih temperaturah in so ena izmed najučinkovitejših gorivnih celic - takšne lastnosti lahko v skladu s tem prispevajo k pospeševanju proizvodnje energije in visoki učinkovitosti porabe goriva.

Ena od značilnosti SHFC je visoka občutljivost na CO 2, ki ga lahko vsebuje gorivo ali zrak. CO 2 reagira z elektrolitom, ga hitro zastrupi in močno zmanjša učinkovitost gorivne celice. Zato je uporaba SHTE omejena na zaprte prostore, kot so vesoljska in podvodna vozila, delovati morajo na čistem vodiku in kisiku. Poleg tega so molekule, kot so CO, H 2 O in CH4, ki so varne za druge gorivne celice in celo gorivo za nekatere od njih, škodljive za SHFC.

Gorivne celice / celice iz polimernih elektrolitov (PETE)

V primeru gorivnih celic iz polimernih elektrolitov je polimerna membrana sestavljena iz polimernih vlaken z vodnimi področji, v katerih je prevodnost vodnih ionov (H 2 O + (proton, rdeča) vezana na molekulo vode)). Molekule vode predstavljajo problem zaradi počasne izmenjave ionov. Zato je potrebna visoka koncentracija vode tako v gorivu kot na izhodnih elektrodah, kar omejuje delovno temperaturo na 100 ° C.

Gorivne celice / celice iz trdnih kislin (TFCS)

V gorivnih celicah s trdno kislino elektrolit (CsHSO 4) ne vsebuje vode. Delovna temperatura je torej 100-300 ° C. Z vrtenjem oksi-anionov SO 4 2- se protoni (rdeči) premikajo, kot je prikazano na sliki. Običajno je gorivna celica s trdno kislino sendvič, v katerem je zelo tanka plast trdne kislinske spojine stisnjena med dve tesno stisnjeni elektrodi, da se zagotovi dober stik. Ko se segreje, organska komponenta izhlapi in pušča skozi pore v elektrodah, obdrži sposobnost več stikov med gorivom (ali kisikom na drugem koncu celic), elektrolitom in elektrodami.

Različni moduli gorivnih celic. Akumulator na gorivne celice

1. Akumulator na gorivne celice
2. Druga oprema, ki deluje pri visokih temperaturah (vgrajen generator pare, zgorevalna komora, izmenjevalnik toplotne bilance)
3. Toplotno odporna izolacija

Modul gorivne celice

Primerjalna analiza vrst in sort gorivnih celic

Inovativne energetsko učinkovite občinske toplotne in elektrarne običajno gradijo na gorivne celice iz trdnega oksida (SOFC), gorivne celice iz polimernih elektrolitov (PETF), gorivne celice s fosforno kislino (PCFC), membranske gorivne celice s protonsko izmenjavo (MOPFC) in alkalne gorivne celice ( PSFC) ... Običajno imajo naslednje značilnosti:

Kot najprimernejše je treba priznati gorivne celice iz trdnega oksida (SOFC), ki:

• delo pri višji temperaturi, kar zmanjšuje potrebo po dragih plemenitih kovinah (na primer platini)
• lahko deluje na različne vrste ogljikovodikovih goriv, ​​predvsem zemeljski plin
• imajo daljši zagonski čas in so zato bolj primerni za dolgoročno ukrepanje
• dokazujejo visoko učinkovitost proizvodnje energije (do 70%)
• zaradi visokih obratovalnih temperatur je mogoče enote kombinirati s sistemi za rekuperacijo toplote, kar poveča celotno učinkovitost sistema do 85%
• imajo skoraj nič emisij, delujejo tiho in imajo nizke obratovalne zahteve v primerjavi z obstoječimi tehnologijami za proizvodnjo električne energije

Vrsta gorivnih celic	Delovna temperatura	Učinkovitost proizvodnje električne energije	Vrsta goriva	Področje uporabe
RKTE	550-700 ° C	50-70%		Srednje in velike inštalacije
FKTE	100-220 ° C	35-40%	Čisti vodik	Velike inštalacije
MOPTE	30-100 ° C	35-50%	Čisti vodik	Majhne instalacije
SOFC	450-1000 ° C	45-70%	Večina ogljikovodikovih goriv	Majhne, ​​srednje in velike instalacije
POMTE	20-90 ° C	20-30%	Metanol	Prenosni
SHTE	50-200 ° C	40-70%	Čisti vodik	Raziskovanje vesolja
PETE	30-100 ° C	35-50%	Čisti vodik	Majhne instalacije

Ker je mogoče majhne naprave za soproizvodnjo priključiti na običajno omrežje za oskrbo s plinom, gorivne celice ne potrebujejo ločenega sistema za oskrbo z vodikom. Pri uporabi majhnih enot za soproizvodnjo na gorivne celice iz trdnih oksidov se lahko proizvedena toplota integrira v toplotne izmenjevalce za ogrevanje vode in prezračevalni zrak, kar poveča splošno učinkovitost sistema. Ta inovativna tehnologija je najbolj primerna za učinkovito proizvodnjo električne energije brez potrebe po dragi infrastrukturi in zapleteni integraciji naprav.

Uporaba gorivnih celic / celic

Gorivne celice / celične aplikacije v telekomunikacijskih sistemih

S hitrim širjenjem brezžičnih komunikacijskih sistemov po vsem svetu in naraščajočimi družbeno-ekonomskimi koristmi tehnologije mobilnih telefonov je postala potreba po zanesljivi in ​​stroškovno učinkoviti podporni energiji kritična. Izgube omrežja skozi vse leto zaradi slabega vremena, naravnih nesreč ali omejenih zmogljivosti omrežja so stalni izziv za upravljavce omrežij.

Tradicionalne rešitve za varnostno kopiranje telekomunikacij vključujejo baterije (svinčeve akumulatorske celice, regulirane z ventilom) za kratkoročno varnostno kopiranje ter generatorje dizla in propana za daljše varnostno kopiranje. Baterije so relativno poceni rezervni vir energije za 1 do 2 uri. Vendar pa baterije niso primerne za daljše napajanje, ker so drage za vzdrževanje, po dolgih obdobjih uporabe postanejo nezanesljive, temperaturno občutljive in po odlaganju nevarne za okolje. Generatorji dizla in propana lahko zagotavljajo neprekinjeno rezervno moč. Generatorji pa so lahko nezanesljivi, zahtevajo dolgotrajno vzdrževanje in v ozračje oddajajo visoko stopnjo onesnaženja in toplogrednih plinov.

Za odpravo omejitev tradicionalnih rešitev za napajanje v pripravljenosti je bila razvita inovativna tehnologija zelenih gorivnih celic. Gorivne celice so zanesljive, tihe, vsebujejo manj gibljivih delov kot generator, imajo širši razpon delovnih temperatur kot akumulator, od -40 ° C do + 50 ° C, in posledično zagotavljajo izjemno visoke prihranke energije. Poleg tega so stroški življenjske dobe takšne naprave nižji od stroškov generatorja. Nižji stroški gorivnih celic so posledica le enega vzdrževalnega obiska na leto in bistveno višjih zmogljivosti obrata. Navsezadnje je gorivna celica okolju prijazna tehnološka rešitev z minimalnim vplivom na okolje.

Enote z gorivnimi celicami zagotavljajo rezervno napajanje za kritično komunikacijsko omrežno infrastrukturo za brezžične, stalne in širokopasovne telekomunikacije, od 250 W do 15 kW, ki ponujajo številne inovativne funkcije brez primere:

• ZANESLJIVOST- malo gibljivih delov in brez praznjenja v stanju pripravljenosti
• VARČEVANJE Z ENERGIJO
• TIŠINA- nizka raven hrupa
• TRAJNOST- delovno območje od -40 ° C do + 50 ° C
• PRILAGODLJIVOST- zunanja in notranja namestitev (posoda / zaščitna posoda)
• VELIKA MOČ- do 15 kW
• NIZKE POTREBE VZDRŽEVANJA- minimalno letno vzdrževanje
• UČINKOVITOST- privlačni skupni stroški lastništva
• OKOLJA PRIJATELJSKA ENERGIJA- nizke emisije z minimalnim vplivom na okolje

Sistem ves čas zaznava napetost enosmernega vodila in brez težav sprejema kritične obremenitve, če napetost enosmernega vodila pade pod uporabniško določeno prednastavljeno vrednost. Sistem deluje na vodiku, ki v sklad gorivnih celic vstopi na enega od dveh načinov - bodisi iz industrijskega vira vodika bodisi iz tekočih goriv iz metanola in vode z uporabo integriranega sistema za reformiranje.

Električno energijo proizvaja niz gorivnih celic v obliki enosmernega toka. Moč enosmernega toka se prenese v pretvornik, ki pretvori neregulirano enosmerno moč iz sklada gorivnih celic v visoko kakovostno, regulirano enosmerno moč za zahtevane obremenitve. Namestitev gorivnih celic lahko več dni zagotavlja rezervno napajanje, saj je trajanje delovanja omejeno le s količino vodika ali goriva iz razpoložljivega metanola / vode.

Gorivne celice ponujajo visoke prihranke energije, večjo zanesljivost sistema, bolj predvidljive zmogljivosti v najrazličnejših podnebnih razmerah in zanesljivo življenjsko dobo v primerjavi z industrijsko standardnimi ventilno reguliranimi svinčevimi baterijami. Stroški življenjskega cikla so prav tako nižji zaradi bistveno manj zahtev po vzdrževanju in zamenjavi. Gorivne celice končnemu uporabniku ponujajo okoljske koristi, saj so stroški odstranjevanja in tveganja odgovornosti, povezane s celicami svinčeve kisline, vse večja skrb.

Na zmogljivost električnih baterij lahko negativno vplivajo številni dejavniki, kot so raven napolnjenosti, temperatura, cikli, življenjska doba in druge spremenljivke. Dobavljena energija se bo razlikovala glede na te dejavnike in je ni mogoče napovedati. Na delovanje gorivne celice s protonsko menjavo (POMFC) gorivni celici ti dejavniki relativno ne vplivajo in lahko zagotavljajo kritično električno energijo, dokler je gorivo na voljo. Povečana predvidljivost je pomembna prednost pri selitvi na gorivne celice za kritične aplikacije za shranjevanje energije.

Gorivne celice proizvajajo energijo le, če je dobavljeno gorivo, na primer generator plinske turbine, vendar nimajo gibljivih delov v proizvodnem območju. Zato za razliko od generatorja niso podvrženi hitri obrabi in ne zahtevajo stalnega vzdrževanja in mazanja.

Gorivo, ki se uporablja za pogon pretvornika goriva s podaljšanim delovanjem, je mešanica goriva metanol / voda. Metanol je široko dostopno komercialno dostopno gorivo, ki ima trenutno veliko uporab, vključno s pranjem vetrobranskega stekla, plastičnimi steklenicami, dodatki za motorje in emulzijskimi barvami. Metanol je enostaven za transport, lahko ga zmešamo z vodo, ima dobro biološko razgradljivost in ne vsebuje žvepla. Ima nizko ledišče (-71 ° C) in se pri daljšem skladiščenju ne razgradi.

Uporaba gorivnih celic / celic v komunikacijskih omrežjih

Tajna omrežja zahtevajo zanesljive rešitve za rezervno napajanje, ki lahko v nujnih primerih delujejo ure ali dni, če električno omrežje ni več na voljo.

Z malo premikajočih se delov in brez zmanjšanja vrednosti v stanju pripravljenosti inovativna tehnologija gorivnih celic ponuja privlačno rešitev v primerjavi s sedanjimi napajalnimi sistemi v stanju pripravljenosti.

Najbolj prepričljiv razlog za uporabo tehnologije gorivnih celic v komunikacijskih omrežjih je povečana splošna zanesljivost in varnost. Med incidenti, kot so izpadi električne energije, potresi, nevihte in orkani, je pomembno, da sistemi še naprej delujejo in imajo zanesljivo rezervno napajanje dalj časa, ne glede na temperaturo ali življenjsko dobo rezervnega napajalnega sistema.

Nabor napajalnikov za gorivne celice je idealen za podporo varnim komunikacijskim omrežjem. Zahvaljujoč svojim načelom varčevanja z energijo zagotavljajo okolju prijazno in zanesljivo rezervno moč s podaljšanim časom delovanja (do nekaj dni) za uporabo v območju moči od 250 W do 15 kW.

Uporaba gorivnih celic / celic v podatkovnih omrežjih

Zanesljiv napajalnik za podatkovna omrežja, kot so podatkovna omrežja za visoke hitrosti in hrbtenjače iz optičnih vlaken, je ključnega pomena po vsem svetu. Podatki, posredovani prek takšnih omrežij, vsebujejo kritične podatke za institucije, kot so banke, letalske družbe ali zdravstveni centri. Izpad električne energije v takšnih omrežjih ne predstavlja le nevarnosti za posredovane informacije, ampak praviloma vodi do znatnih finančnih izgub. Zanesljive, inovativne instalacije gorivnih celic z rezervno močjo zagotavljajo zanesljivost, ki jo potrebujete za zagotovitev neprekinjenega napajanja.

Enote na gorivne celice, ki delujejo na mešanici tekočega metanola / vode, zagotavljajo zanesljivo rezervno moč s podaljšanim časom delovanja do nekaj dni. Poleg tega so te enote bistveno zmanjšale zahteve po vzdrževanju v primerjavi z generatorji in baterijami, kar zahteva le en vzdrževalni obisk na leto.

Tipične značilnosti mesta za uporabo naprav z gorivnimi celicami v podatkovnih omrežjih:

• Aplikacije z porabljeno količino energije od 100 W do 15 kW
• Aplikacije z življenjsko dobo baterije> 4 ure
• Ponavljalci v optičnih sistemih (hierarhija sinhronih digitalnih sistemov, hitri internet, glas po IP ...)
• Mrežna vozlišča visoke hitrosti
• Vozlišča za prenos WiMAX

Naprave v pripravljenosti na gorivne celice ponujajo številne prednosti za kritično infrastrukturo podatkovnega omrežja pred tradicionalnimi samostojnimi baterijami ali dizelskimi generatorji, kar omogoča večjo uporabo na terenu:

1. Tehnologija tekočih goriv rešuje problem shranjevanja vodika in zagotavlja skoraj neomejeno delovanje rezervnega napajanja.
2. Zaradi tihega delovanja, majhne teže, odpornosti na ekstremne temperature in delovanja praktično brez vibracij lahko gorivne celice namestite zunaj stavbe, v industrijske prostore / posode ali na strehe.
3. Priprava na mestu uporabe za uporabo sistema je hitra in ekonomična, stroški delovanja pa nizki.
4. Gorivo je biološko razgradljivo in zagotavlja okolju prijazno rešitev za urbano okolje.

Uporaba gorivnih celic / celic v varnostnih sistemih

Najbolj izpopolnjeni varnostni in komunikacijski sistemi v stavbah so tako zanesljivi kot napajalnik, ki jih ohranja nemoteno. Medtem ko večina sistemov vključuje neke vrste UPS za kratkoročne izgube električne energije, ne ustvarjajo pogojev za daljše izpade električne energije, ki bi lahko nastali zaradi naravnih nesreč ali terorističnih napadov. To je lahko kritično vprašanje za številne korporativne in vladne agencije.

Življenjski sistemi, kot so video nadzorni sistemi in sistemi za nadzor dostopa (bralniki osebnih izkaznic, naprave za zapiranje vrat, biometrične identifikacijske tehnologije itd.), Sistemi za samodejni požarni alarm in gašenje, sistemi za nadzor dvigala in telekomunikacijska omrežja, so ogroženi, če ni zanesljiv alternativni stalen vir energije.

Dizelski generatorji povzročajo veliko hrupa, jih je težko namestiti in so znani po težavah z zanesljivostjo in vzdrževanjem. Nasprotno pa je naprava z gorivnimi celicami, ki zagotavlja rezervno moč, tiha, zanesljiva, z ničelnimi ali zelo nizkimi emisijami in jo je enostavno namestiti na streho ali zunaj stavbe. V stanju pripravljenosti ne zmanjka energije in ne izgine. Zagotavlja, da kritični sistemi še naprej delujejo, tudi ko je objekt zaprt in ljudje zapustijo stavbo.

Inovativne naprave na gorivne celice ščitijo dragocene naložbe v kritične aplikacije. Zagotavljajo okolju prijazno, zanesljivo, dolgo življenjsko dobo (do več dni) v stanju pripravljenosti za uporabo v razponu moči od 250 W do 15 kW, v kombinaciji s številnimi funkcijami brez primere in zlasti z velikimi prihranki energije.

Elektrarne v pripravljenosti na gorivne celice ponujajo številne prednosti za uporabo v kritičnih aplikacijah, kot so varnostni sistemi in sistemi upravljanja stavb, pred tradicionalnimi samostojnimi baterijami ali dizelskimi generatorji. Tehnologija tekočih goriv rešuje problem shranjevanja vodika in zagotavlja skoraj neomejeno delovanje rezervnega napajanja.

Uporaba gorivnih celic / celic pri ogrevanju gospodinjstev in proizvodnji električne energije

Gorivne celice iz trdnega oksida (SFC) se uporabljajo za gradnjo zanesljivih, energetsko učinkovitih ter brez emisij termoelektrarn za proizvodnjo električne energije in toplote iz široko dostopnih zemeljskih plinov in obnovljivih virov goriva. Te inovativne enote se uporabljajo na najrazličnejših trgih, od domače proizvodnje električne energije do oskrbe z električno energijo na oddaljenih območjih, pa tudi kot pomožnih virov energije.

Uporaba gorivnih celic / celic v distribucijskih omrežjih

Majhne elektrarne za soproizvodnjo so zasnovane za delovanje v distribuiranem omrežju za proizvodnjo električne energije, sestavljenem iz velikega števila majhnih proizvodnih enot namesto ene centralizirane elektrarne.

Spodnja slika prikazuje izgube učinkovitosti proizvodnje električne energije, ko se proizvede v elektrarnah na SPTE in se v hiše prenaša po tradicionalnih omrežjih za prenos električne energije, ki so trenutno v uporabi. Izgube učinkovitosti pri centralizirani proizvodnji vključujejo izgube iz elektrarne, nizkonapetostni in visokonapetostni prenos ter izgube pri distribuciji.

Na sliki so prikazani rezultati integracije malih termoelektrarn: električna energija se proizvaja z izkoristkom proizvodnje do 60% na mestu uporabe. Poleg tega lahko gospodinjstvo toploto, ki jo proizvajajo gorivne celice, uporablja za ogrevanje vode in prostora, kar poveča splošno energetsko učinkovitost goriva in izboljša prihranek energije.

Uporaba gorivnih celic za zaščito okolja - uporaba pripadajočega naftnega plina

Ena najpomembnejših nalog v naftni industriji je uporaba pripadajočega naftnega plina. Obstoječe metode rabe pridruženega naftnega plina imajo veliko pomanjkljivosti, glavna pa je, da so ekonomsko nedonosne. Pridružen naftni plin se sežge, kar povzroča veliko škodo okolju in zdravju ljudi.

Inovativne termoelektrarne na gorivne celice, ki kot gorivo uporabljajo pridruženi naftni plin, odpirajo pot radikalni in stroškovno učinkoviti rešitvi problemov uporabe pridruženega naftnega plina.

1. Ena glavnih prednosti elektrarn na gorivne celice je, da lahko zanesljivo in stabilno delujejo s spremenljivim povezanim naftnim plinom. Zaradi ognjevarne kemične reakcije, na kateri temelji delovanje gorivne celice, zmanjšanje odstotka na primer metana povzroči le ustrezno zmanjšanje izhodne moči.
2. Prilagodljivost glede na električno obremenitev potrošnikov, padec, povečanje obremenitve.
3. Za namestitev in priključitev toplotnih in elektrarn na gorivne celice njihova izvedba ne zahteva kapitalskih izdatkov, ker enote se enostavno namestijo na nepripravljena mesta v bližini njiv, so priročne za uporabo, zanesljive in učinkovite.
4. Visoka avtomatizacija in sodoben daljinski upravljalnik ne zahtevata stalne prisotnosti osebja pri namestitvi.
5. Enostavnost in tehnična dovršenost zasnove: odsotnost gibljivih delov, trenja, mazalnih sistemov zagotavljajo velike gospodarske koristi od delovanja naprav na gorivne celice.
6. Poraba vode: pri temperaturah okolja do +30 ° C ni, pri višjih temperaturah pa zanemarljiva.
7. Odtok vode: odsoten.
8. Poleg tega naprave za soproizvodnjo gorivnih celic ne proizvajajo hrupa, vibrirajo, ne oddajajo škodljivih emisij v ozračje

GORIVNI ELEMENT
elektrokemijski generator, naprava, ki neposredno pretvarja kemično energijo v električno energijo. Medtem ko se pri električnih baterijah dogaja isto, imajo gorivne celice dve pomembni razliki: 1) delujejo, dokler gorivo in oksidant dobavljata iz zunanjega vira; 2) kemična sestava elektrolita se med delovanjem ne spremeni, t.j. gorivne celice ni treba ponovno napolniti.
Poglej tudi Akumulator za napajanje.
Načelo delovanja. Gorivna celica (slika 1) je sestavljena iz dveh elektrod, ločenih z elektrolitom, in sistemov za dovod goriva do ene elektrode, oksidanta do druge, pa tudi sistema za odstranjevanje reakcijskih produktov. V večini primerov se za pospešitev kemične reakcije uporabljajo katalizatorji. Zunanji električni tokokrog povezuje gorivno celico z obremenitvijo, ki porabi električno energijo.

Na sliki, prikazani na sl. V kisli gorivni celici se vodik dovaja skozi votlo anodo in v elektrolit skozi zelo fine pore v materialu elektrode. V tem primeru pride do razgradnje molekul vodika v atome, ki se zaradi kemisorpcije, ki vsak podari en elektron, spremenijo v pozitivno nabite ione. Ta postopek lahko opišemo z naslednjimi enačbami:

Vodikovi ioni se skozi elektrolit razpršijo na pozitivno stran celice. Dobavljeni kisik na katodo prehaja v elektrolit in s pomočjo katalizatorja reagira tudi na površini elektrode. Ko se združi z vodikovimi ioni in elektroni, ki prihajajo iz zunanjega kroga, nastane voda:

V gorivnih celicah z alkalnim elektrolitom (običajno koncentriranim natrijevim ali kalijevim hidroksidom) potekajo podobne kemične reakcije. Vodik prehaja skozi anodo in v prisotnosti katalizatorja reagira s hidroksilnimi ioni (OH-) v elektrolitu, da tvori vodo in elektron:

Na katodi kisik reagira z vodo v elektrolitu in elektroni iz zunanjega tokokroga. V zaporednih stopnjah reakcij nastajajo hidroksilni ioni (in tudi perhidroksil O2H-). Nastalo reakcijo na katodi lahko zapišemo kot:

Pretok elektronov in ionov vzdržuje ravnovesje naboja in snovi v elektrolitu. Nastala voda delno razredči elektrolit. V kateri koli gorivni celici se del energije kemične reakcije pretvori v toploto. Pretok elektronov v zunanjem krogu je enosmerni tok, ki se uporablja za delo. Večina reakcij v gorivnih celicah zagotavlja EMF približno 1 V. Odpiranje vezja ali ustavitev gibanja ionov ustavi delovanje gorivne celice. Postopek, ki se pojavi v gorivni celici vodik-kisik, je sam po sebi nasproten znanemu procesu elektrolize, pri katerem voda disociira, ko električni tok prehaja skozi elektrolit. Dejansko je pri nekaterih vrstah gorivnih celic proces mogoče obrniti - z napetostjo na elektrodah je možno razgraditi vodo v vodik in kisik, ki ju lahko zberemo na elektrodah. Če celico prenehate polniti in nanjo priključite obremenitev, bo taka regenerativna gorivna celica takoj začela delovati v običajnem načinu. Teoretično so lahko dimenzije gorivne celice po želji velike. V praksi pa je več celic združenih v majhne module ali baterije, ki so povezani zaporedno ali vzporedno.
Vrste gorivnih celic. Obstajajo različne vrste gorivnih celic. Lahko jih razvrstimo na primer glede na porabljeno gorivo, delovni tlak in temperaturo glede na naravo uporabe.
Vodikove gorivne celice. V tej zgoraj opisani tipični celici se vodik in kisik preneseta v elektrolit prek mikroporoznih ogljikovih ali kovinskih elektrod. Visoka gostota toka je dosežena v celicah, ki delujejo pri povišanih temperaturah (okoli 250 ° C) in visokem tlaku. Celice, ki uporabljajo vodikovo gorivo, pridobljene s predelavo ogljikovodikovih goriv, ​​na primer zemeljskega plina ali naftnih derivatov, bodo verjetno našle najbolj razširjeno komercialno uporabo. S kombinacijo velikega števila elementov lahko ustvarite močne energetske instalacije. V teh napravah se enosmerni tok, ki ga ustvarjajo elementi, pretvori v izmenični tok s standardnimi parametri. Nova vrsta elementov, ki lahko delujejo na vodik in kisik pri normalni temperaturi in tlaku, so elementi z ionsko izmenjevalnimi membranami (slika 2). V teh celicah se namesto tekočega elektrolita med elektrodami nahaja polimerna membrana, skozi katero prosto prehajajo ioni. V takih elementih se lahko zrak uporablja skupaj s kisikom. Voda, ki nastane med delovanjem celice, ne raztopi trdnega elektrolita in jo je mogoče enostavno odstraniti.

Elementi na ogljikovodikova in premogovna goriva. Gorivne celice, ki lahko pretvorijo kemično energijo široko dostopnih in razmeroma poceni goriv, ​​kot so propan, zemeljski plin, metilni alkohol, petrolej ali bencin, so predmet intenzivnih raziskav. Vendar pa pri razvoju gorivnih celic, ki delujejo na pline, pridobljene iz ogljikovodikovih goriv pri normalnih temperaturah, še ni bil dosežen pomemben napredek. Za povečanje hitrosti reakcije ogljikovodikov in premogovnih goriv je treba povečati delovno temperaturo gorivne celice. Elektroliti so taline karbonatov ali drugih soli, ki so zaprte v porozno keramično matrico. Gorivo se v celici "razcepi" in tvori vodik in ogljikov monoksid, ki podpirata reakcijo, ki ustvarja tok v celici. Elementi, ki jih poganjajo druge vrste goriva. Načeloma reakcije v gorivnih celicah niso nujno oksidacijske reakcije običajnih goriv. V prihodnosti je mogoče najti druge kemične reakcije, ki bodo omogočale učinkovito neposredno proizvodnjo električne energije. V nekaterih napravah elektriko pridobivajo z oksidacijo, na primer cinka, natrija ali magnezija, iz katere so izdelane potrošne elektrode.
Učinkovitost. Pretvorba energije običajnih goriv (premog, nafta, zemeljski plin) v električno energijo je bila doslej večstopenjski proces. Zgorevanje goriva, ki proizvaja paro ali plin, potrebno za delovanje turbine ali motorja z notranjim zgorevanjem, ki pa vrti električni generator, ni zelo učinkovit postopek. Dejansko je faktor porabe energije pri takšni transformaciji omejen z drugim zakonom termodinamike in ga skoraj ni mogoče znatno dvigniti nad obstoječo raven (glej tudi TOPLOTA; TERMODINAMIKA). Faktor izrabe energije v gorivu najsodobnejših parnih turbinskih elektrarn ne presega 40%. Za gorivne celice ni termodinamičnih omejitev glede energetske učinkovitosti. V obstoječih gorivnih celicah se 60 do 70% energije goriva neposredno pretvori v električno energijo, elektrarne na gorivne celice, ki uporabljajo vodik iz ogljikovodikovega goriva, pa so zasnovane tako, da so 40-45% učinkovite.
Aplikacije. Gorivne celice bi lahko v bližnji prihodnosti postale široko uporabljen vir energije v prometu, industriji in gospodinjstvih. Visoki stroški gorivnih celic so omejili njihovo uporabo v vojaških in vesoljskih aplikacijah. Bodoče uporabe gorivnih celic vključujejo njihovo uporabo kot prenosne vire energije za vojaške potrebe in kompaktne alternativne vire energije za satelite v bližini Zemlje s sončnimi celicami med prehodom skozi razširjene sence orbite. Majhne velikosti in masa gorivnih celic so omogočile njihovo uporabo za lete na Luno s posadko. Gorivne celice na trisedežnem vesoljskem plovilu Apollo so bile uporabljene za napajanje računalnikov in radijskih komunikacijskih sistemov. Gorivne celice se lahko uporabljajo kot vir energije za opremo na oddaljenih območjih, za terenska vozila, kot je gradbeništvo. V kombinaciji z enosmernim elektromotorjem bo gorivna celica učinkovit vir gonilne sile vozila. Široka uporaba gorivnih celic zahteva pomemben tehnološki napredek, zmanjšanje njihovih stroškov in možnost učinkovite uporabe poceni goriva. Ko bodo ti pogoji izpolnjeni, bodo gorivne celice daleč na voljo električno in mehansko energijo po vsem svetu.
Poglej tudi ENERGETSKA SREDSTVA.
LITERATURA
Bagotsky V.S., Skundin A.M. Kemični viri energije. M., 1981 Crompton T. Trenutni viri. M., 1985, 1986

Collierjeva enciklopedija. - Odprta družba. 2000 .

Oglejte si, kaj je "FUEL ELEMENT" v drugih slovarjih:

GORIVNA CELICA, ELEKTROKEMIJSKI ELEMENT za neposredno pretvorbo energije oksidacije goriva v električno energijo. Ustrezno oblikovane elektrode so potopljene v ELECTROLYTE in gorivo (npr. Vodik) dovaja v eno ... Znanstveno -tehnični enciklopedični slovar

Galvanska celica, v kateri je redoks reakcija podprta s stalnim dovajanjem reagentov (goriva, npr. Vodika, in oksidanta, npr. Kisika) iz posebnih rezervoarjev. Najpomembnejša komponenta ...... Veliki enciklopedični slovar

gorivna celica- Primarna celica, v kateri električna energija nastaja z elektrokemičnimi reakcijami med aktivnimi snovmi, ki se elektrodam nenehno dovajajo od zunaj. [GOST 15596 82] EN celica na gorivne celice, ki lahko spremeni kemično energijo iz …… Tehnični priročnik za prevajalce

Gorivna celica z neposrednim metanolom Gorivna celica je elektrokemična naprava, podobna galvanski celici, vendar se razlikuje od nje ... Wikipedia

1. del

Ta članek podrobneje obravnava načelo delovanja gorivnih celic, njihovo strukturo, razvrstitev, prednosti in slabosti, obseg, učinkovitost, zgodovino nastanka in sodobne možnosti uporabe. V drugem delu članka, ki bo objavljena v naslednji številki revije "AVOK", vsebuje primere objektov, kjer so bile različne vrste gorivnih celic uporabljene kot viri toplote in oskrbe z električno energijo (ali samo napajanje).

Uvod

Gorivne celice so zelo učinkovit, zanesljiv, trajen in okolju prijazen način pridobivanja energije.

Gorivne celice, ki so se sprva uporabljale le v vesoljski industriji, se danes vse pogosteje uporabljajo na najrazličnejših področjih - kot stacionarne elektrarne, avtonomni viri toplote in električne energije za stavbe, motorji vozil, napajalniki za prenosne računalnike in mobilne telefone. Nekatere od teh naprav so laboratorijski prototipi, nekatere so v predproizvodnih preskusih ali se uporabljajo za predstavitvene namene, vendar se mnogi modeli množično proizvajajo in uporabljajo v komercialnih projektih.

Gorivna celica (elektrokemični generator) je naprava, ki v procesu elektrokemijske reakcije neposredno pretvarja kemično energijo goriva (vodik) v električno energijo, za razliko od tradicionalnih tehnologij, ki uporabljajo zgorevanje trdnih, tekočih in plinastih goriv. Neposredna elektrokemična pretvorba goriva je zelo učinkovita in privlačna z okoljskega vidika, saj se med delovanjem izloča minimalna količina onesnaževal in ni močnih hrupov in vibracij.

S praktičnega vidika je gorivna celica podobna običajni galvanski bateriji. Razlika je v tem, da je baterija na začetku napolnjena, torej napolnjena z "gorivom". Med delovanjem se porabi "gorivo" in baterija se izprazni. Za razliko od akumulatorja gorivna celica za pridobivanje električne energije uporablja gorivo, dobavljeno iz zunanjega vira (slika 1).

Za proizvodnjo električne energije ni mogoče uporabiti le čistega vodika, ampak tudi druge surovine, ki vsebujejo vodik, na primer zemeljski plin, amoniak, metanol ali bencin. Navaden zrak se uporablja kot vir kisika, ki je potreben tudi za reakcijo.

Kadar se kot gorivo uporablja čisti vodik, so reakcijski produkti poleg električne energije tudi toplota in voda (ali vodna para), to je plini, ki povzročajo onesnaženje zraka ali povzročajo učinek tople grede, se ne sproščajo v ozračje. Če se kot gorivo uporablja surovina, ki vsebuje vodik, na primer zemeljski plin, bodo drugi plini, na primer ogljikovi in ​​dušikovi oksidi, stranski produkt reakcije, vendar je količina precej nižja kot pri gorenju istega količino zemeljskega plina.

Postopek kemične pretvorbe goriva za proizvodnjo vodika se imenuje reforming, ustrezna naprava pa se imenuje reforming.

Prednosti in slabosti gorivnih celic

Gorivne celice so energetsko učinkovitejše od motorjev z notranjim zgorevanjem, ker ni termodinamičnih omejitev glede energetske učinkovitosti gorivnih celic. Učinkovitost gorivnih celic je 50%, medtem ko je izkoristek motorjev z notranjim izgorevanjem 12-15%, izkoristek parnih turbinskih elektrarn pa ne presega 40%. Z uporabo toplote in vode se učinkovitost gorivnih celic še poveča.

Za razliko od, na primer, motorjev z notranjim izgorevanjem, je učinkovitost gorivnih celic še vedno zelo visoka, tudi če ne delujejo s polno močjo. Poleg tega se lahko moč gorivnih celic poveča s preprostim dodajanjem posameznih blokov brez spreminjanja učinkovitosti, to pomeni, da so velike naprave enako učinkovite kot majhne. Te okoliščine omogočajo zelo prilagodljiv izbor sestave opreme v skladu z željami naročnika in na koncu privedejo do zmanjšanja stroškov opreme.

Pomembna prednost gorivnih celic je njihova prijaznost do okolja. Emisije gorivnih celic v zraku so tako nizke, da na nekaterih območjih Združenih držav ne potrebujejo posebnega dovoljenja vladnih agencij za nadzor kakovosti zraka.

Gorivne celice se lahko namestijo neposredno v stavbo, s čimer se zmanjšajo izgube pri prenosu energije, toplota, ki nastane pri reakciji, pa se lahko uporabi za dovajanje ogrevanja ali tople vode v stavbo. Avtonomni viri oskrbe s toploto in električno energijo so lahko zelo koristni na oddaljenih območjih in v regijah, za katere je značilno pomanjkanje električne energije in visoki stroški, hkrati pa obstajajo zaloge surovin, ki vsebujejo vodik (olje, zemeljski plin) .

Prednosti gorivnih celic so tudi razpoložljivost goriva, zanesljivost (v gorivnih celicah ni gibljivih delov), vzdržljivost in enostavnost uporabe.

Ena glavnih pomanjkljivosti gorivnih celic danes so njihovi relativno visoki stroški, vendar je to pomanjkljivost kmalu mogoče premagati - vse več podjetij proizvaja komercialne gorivne celice, nenehno se izboljšujejo, njihovi stroški pa se zmanjšujejo.

Za najučinkovitejšo uporabo čistega vodika kot goriva pa bo potrebna vzpostavitev posebne infrastrukture za njegovo proizvodnjo in transport. Vsi komercialni modeli trenutno uporabljajo zemeljski plin in podobna goriva. Motorna vozila lahko uporabljajo navaden bencin, ki bo ohranil obstoječo razvito mrežo polnilnic. Vendar uporaba takšnih goriv vodi v škodljive emisije v ozračje (čeprav zelo nizke) in otežuje (in s tem povečuje stroške) gorivne celice. V prihodnosti se preučuje možnost uporabe okolju prijaznih obnovljivih virov energije (na primer sončne energije ali vetrne energije) za razgradnjo vode v vodik in kisik z elektrolizo in nato pretvorbo nastalega goriva v gorivno celico. Takšne kombinirane naprave, ki delujejo v zaprtem ciklu, lahko zagotovijo popolnoma okolju prijazen, zanesljiv, trajen in učinkovit vir energije.

Druga značilnost gorivnih celic je, da so najučinkovitejše, če hkrati uporabljamo električno in toplotno energijo. Vendar možnost uporabe toplotne energije ni na voljo v vsakem objektu. V primeru uporabe gorivnih celic samo za proizvodnjo električne energije se njihova učinkovitost zmanjša, čeprav presega učinkovitost "tradicionalnih" naprav.

Zgodovina in sodobna uporaba gorivnih celic

Načelo delovanja gorivnih celic je bilo odkrito leta 1839. Angleški znanstvenik William Grove (William Robert Grove, 1811-1896) je odkril, da je proces elektrolize - razgradnja vode v vodik in kisik s pomočjo električnega toka - reverzibilen, to pomeni, da se vodik in kisik lahko združita v vodo molekule brez zgorevanja, vendar s sproščanjem toplote in električnega toka. Grove je napravo, ki je sposobna takšne reakcije, imenoval "plinska baterija", ki je bila prva gorivna celica.

Aktivni razvoj tehnologije gorivnih celic se je začel po drugi svetovni vojni in je povezan z letalsko industrijo. Takrat je potekalo iskanje učinkovitega in zanesljivega, a hkrati dovolj kompaktnega vira energije. V šestdesetih letih so strokovnjaki NASA (Nacionalna uprava za letalstvo in vesolje, NASA) izbrali gorivne celice kot vir energije za vesoljska plovila Apollo (misije s posadko na Luno), Apollo-Soyuz, Gemini in Skylab. Apollo so poganjale tri enote 1,5 kW (2,2 kW največ) z uporabo kriogenega vodika in kisika za proizvodnjo električne energije, toplote in vode. Teža vsake naprave je bila 113 kg. Tri celice so delovale vzporedno, vendar je moč, ki jo je ustvarila ena enota, zadostovala za varen povratek. Med 18 leti so gorivne celice brez napak delovale skupaj 10.000 ur. Trenutno se gorivne celice uporabljajo v vesoljskem čolnu, ki uporablja tri enote po 12 W za ustvarjanje vse električne energije na krovu vesoljskega plovila (slika 2). Voda, proizvedena z elektrokemijsko reakcijo, se uporablja kot pitna voda in tudi za hladilno opremo.

Pri nas so delali tudi pri ustvarjanju gorivnih celic za uporabo v astronavtiki. Na primer, gorivne celice so bile uporabljene za pogon sovjetskega vesoljskega plovila Buran.

Razvoj metod za komercialno uporabo gorivnih celic se je začel sredi šestdesetih let. Ta razvoj so delno financirale vladne agencije.

Trenutno razvoj tehnologij za uporabo gorivnih celic poteka v več smereh. Gre za nastanek stacionarnih elektrarn na gorivne celice (za centralizirano in decentralizirano oskrbo z energijo), elektrarn za vozila (ustvarjeni so vzorci avtomobilov in avtobusov na gorivne celice, tudi pri nas) (slika 3) in tudi napajalniki za različne mobilne naprave (prenosni računalniki, mobilni telefoni itd.) (slika 4).

Primeri uporabe gorivnih celic na različnih področjih so podani v tabeli. 1.

Eden prvih komercialnih modelov gorivnih celic, namenjenih za avtonomno ogrevanje in oskrbo z električno energijo stavb, je bil model PC25 Model A, ki ga je izdelala družba ONSI Corporation (zdaj United Technologies, Inc.). Ta gorivna celica z nazivno močjo 200 kW je gorivna celica s fosforno kislino (PAFC). Številka "25" v imenu modela pomeni serijsko številko strukture. Večina prejšnjih modelov je bila poskusnih ali preskusnih primerkov, na primer 12,5 kW "PC11", ki se je pojavil v sedemdesetih letih. Novi modeli so povečali moč, pridobljeno iz ločene gorivne celice, in tudi znižali stroške proizvedenega kilovata energije. Trenutno je eden najučinkovitejših komercialnih modelov gorivna celica PC25 Model C. Tako kot model "A", je to popolnoma avtomatska gorivna celica tipa PAFC z močjo 200 kW, zasnovana za vgradnjo neposredno v servisni objekt kot samostojen vir toplote in električne energije. Takšno gorivno celico je mogoče namestiti zunaj stavbe. Navzven je paralelepiped dolg 5,5 m, širok 3 m in visok 3 m, tehta 18 140 kg. Razlika od prejšnjih modelov je izboljšani reformator in večja gostota toka.

Tabela 1 Uporaba gorivnih celic

Regija aplikacijo Nazivna moč Primeri uporabe Stacionarno inštalacije 5-250 kW in zgoraj Avtonomni viri toplote in električne energije za stanovanjske, javne in industrijske zgradbe, neprekinjeno napajanje, rezervno in zasilno napajanje Prenosni inštalacije 1-50 kW Cestni znaki, tovorni in železniški hladilniki, invalidski vozički, vozički za golf, vesoljske ladje in sateliti Mobilni inštalacije 25-150 kW Avtomobili (prototipe so ustvarili na primer DaimlerCrysler, FIAT, Ford, General Motors, Honda, Hyundai, Nissan, Toyota, Volkswagen, VAZ), avtobusi (npr. "MAN", "Neoplan", "Renault") in druga vozila , bojne ladje in podmornice Mikronaprave 1-500 W Mobilni telefoni, prenosni računalniki, osebni digitalni pomočniki (PDA), različne potrošniške elektronske naprave, sodobne vojaške naprave

Pri nekaterih vrstah gorivnih celic je mogoče kemični proces obrniti: ko se na elektrode uporabi razlika potencialov, se voda lahko razgradi v vodik in kisik, ki se zbereta na poroznih elektrodah. Ko je obremenitev priključena, bo takšna regenerativna gorivna celica začela proizvajati električno energijo.

Obetavna smer uporabe gorivnih celic je njihova uporaba v povezavi z obnovljivimi viri energije, na primer s fotovoltaičnimi ploščami ali vetrnimi elektrarnami. Ta tehnologija vam omogoča, da se popolnoma izognete onesnaženju zraka. Podoben sistem se načrtuje na primer v izobraževalnem centru Adam Joseph Lewis v Oberlinu (glej ABOK, 2002, št. 5, str. 10). Trenutno se sončni kolektorji uporabljajo kot eden od virov energije v tej stavbi. Skupaj s strokovnjaki NASA je bil razvit projekt uporabe fotonapetostnih plošč za pridobivanje vodika in kisika iz vode z elektrolizo. Vodik se nato uporablja v gorivnih celicah za proizvodnjo električne energije in tople vode. To bo zgradbi omogočilo ohranitev delovanja vseh sistemov v oblačnih dneh in ponoči.

Kako delujejo gorivne celice

Poglejmo načelo delovanja gorivne celice na primeru najpreprostejše celice z membrano za izmenjavo protonov (Proton Exchange Membrane, PEM). Tak element je sestavljen iz polimerne membrane, nameščene med anodo (pozitivna elektroda) in katodo (negativna elektroda) skupaj z anodnim in katodnim katalizatorjem. Polimerna membrana se uporablja kot elektrolit. Diagram elementa PEM je prikazan na sl. 5.

Protonsko izmenjevalna membrana (PEM) je tanka (približno 2-7 listov navadnega papirja) trdna organska spojina. Ta membrana deluje kot elektrolit: v prisotnosti vode loči snov na pozitivno in negativno nabite ione.

Na anodi poteka oksidacijski proces, na katodi pa redukcijski proces. Anoda in katoda v celici PEM sta izdelani iz poroznega materiala, ki je mešanica ogljikovih in platinskih delcev. Platina deluje kot katalizator, ki spodbuja disociacijsko reakcijo. Anoda in katoda sta porozni za prost prehod vodika oziroma kisika skozi njih.

Anoda in katoda sta postavljeni med dve kovinski plošči, ki dovajata vodik in kisik v anodo in katodo ter odstranjujeta toploto in vodo ter električno energijo.

Molekule vodika prehajajo skozi kanale v plošči do anode, kjer se molekule razgradijo v posamezne atome (slika 6).

	Slika 5. () Diagram gorivne celice s protonsko izmenjevalno membrano (celica PEM)
	Slika 6. () Molekule vodika prehajajo skozi kanale v plošči do anode, kjer se molekule razgradijo na posamezne atome.
	Slika 7. () Zaradi kemisorpcije v prisotnosti katalizatorja se vodikovi atomi pretvorijo v protone
	Slika 8. () Pozitivno nabiti vodikovi ioni se skozi membrano razpršijo na katodo, tok elektronov pa je usmerjen na katodo skozi zunanji električni tokokrog, na katerega je priključena obremenitev
	Slika 9. () Kisik, dobavljen na katodo, v prisotnosti katalizatorja vstopi v kemično reakcijo z vodikovimi ioni iz membrane za izmenjavo protonov in elektroni iz zunanjega električnega tokokroga. Voda nastane kot posledica kemične reakcije

Nato se zaradi kemisorpcije v prisotnosti katalizatorja vodikovi atomi, od katerih vsak odda en elektron e -, pretvorijo v pozitivno nabite vodikove ione H +, to je v protone (slika 7).

Pozitivno nabiti vodikovi ioni (protoni) se skozi membrano razpršijo na katodo, tok elektronov pa je usmerjen na katodo skozi zunanji električni tokokrog, na katerega je priključena obremenitev (porabnik električne energije) (slika 8).

Kisik, dobavljen na katodo, v prisotnosti katalizatorja vstopi v kemično reakcijo z vodikovimi ioni (protoni) iz membrane za izmenjavo protonov in elektroni iz zunanjega električnega tokokroga (slika 9). Zaradi kemične reakcije nastane voda.

Kemična reakcija v gorivnih celicah drugih vrst (na primer s kislim elektrolitom, ki je raztopina fosforjeve kisline H 3 PO 4) je popolnoma enaka kemijski reakciji v gorivni celici s membrano za izmenjavo protonov.

V kateri koli gorivni celici se del energije kemične reakcije sprosti kot toplota.

Pretok elektronov v zunanjem krogu je enosmerni tok, ki se uporablja za delo. Odpiranje zunanjega tokokroga ali ustavitev gibanja vodikovih ionov ustavi kemično reakcijo.

Količina električne energije, ki jo proizvede gorivna celica, je odvisna od vrste gorivne celice, geometrijskih dimenzij, temperature in tlaka plina. Ločena gorivna celica zagotavlja EMF manj kot 1,16 V. Velikost gorivnih celic se lahko poveča, v praksi pa se uporablja več celic, povezanih v baterije (slika 10).

Razporeditev gorivnih celic

Razmislite o zasnovi gorivne celice z uporabo PC25 Model C kot primer. Shema gorivne celice je prikazana na sl. enajst.

Gorivna celica PC25 Model C je sestavljena iz treh glavnih delov: procesorja goriva, odseka za dejansko proizvodnjo energije in pretvornika napetosti.

Glavno telo gorivne celice - odsek za proizvodnjo električne energije - je sklop 256 posameznih gorivnih celic. Elektrode gorivnih celic vključujejo platinasti katalizator. Te celice ustvarjajo enosmerni tok 1400 amperov pri 155 voltih. Baterija je dolga približno 2,9 m, široka in visoka 0,9 m.

Ker elektrokemijski proces poteka pri temperaturi 177 ° C, je treba akumulator segreti ob zagonu in med delovanjem odstraniti toploto iz njega. Za to je v gorivno celico vključen ločen vodni krog, baterija pa je opremljena s posebnimi hladilnimi ploščami.

Procesor goriva pretvori zemeljski plin v vodik za elektrokemijsko reakcijo. Ta proces se imenuje reformiranje. Glavni element procesorja goriva je reformator. V reformatorju zemeljski plin (ali drugo gorivo, ki vsebuje vodik) pri visoki temperaturi (900 ° C) in visokem tlaku sodeluje z vodno paro v prisotnosti katalizatorja - niklja. V tem primeru pride do naslednjih kemičnih reakcij:

CH 4 (metan) + H 2 O 3H 2 + CO

(endotermna reakcija z absorpcijo toplote);

CO + H 2 O H 2 + CO 2

(reakcija je eksotermna, s sproščanjem toplote).

Celoten odziv je izražen z enačbo:

CH 4 (metan) + 2H 2 O 4H 2 + CO 2

(reakcija je endotermna, s absorpcijo toplote).

Za zagotovitev visoke temperature, potrebne za pretvorbo zemeljskega plina, je del izrabljenega goriva iz sklada gorivnih celic usmerjen v gorilnik, ki vzdržuje zahtevano temperaturo reformatorja.

Para, potrebna za reformiranje, nastane iz kondenzata, ki nastane med delovanjem gorivne celice. Pri tem se uporablja toplota, odstranjena iz sklada gorivnih celic (slika 12).

V svežnju gorivnih celic nastane nestabilen enosmerni tok, za katerega sta značilni nizka napetost in visoka amperaža. Za pretvorbo v industrijski standard AC se uporablja pretvornik napetosti. Poleg tega enota pretvornika napetosti vključuje različne krmilne naprave in varnostne zapore, ki omogočajo izklop gorivne celice v primeru različnih okvar.

V takšni gorivni celici se lahko približno 40% energije goriva pretvori v električno energijo. Približno enako se lahko približno 40% energije goriva pretvori v toplotno energijo, ki se nato uporabi kot vir toplote za ogrevanje, oskrbo s toplo vodo in podobne namene. Tako lahko skupni izkoristek takšne naprave doseže 80%.

Pomembna prednost takega vira toplote in električne energije je možnost njegovega samodejnega delovanja. Za vzdrževanje lastnikom objekta, kjer je nameščena gorivna celica, ni treba vzdrževati posebej usposobljenega osebja - redno vzdrževanje lahko izvajajo zaposleni v obratovalni organizaciji.

Vrste gorivnih celic

Trenutno je znanih več vrst gorivnih celic, ki se razlikujejo po sestavi uporabljenega elektrolita. Najbolj razširjene so naslednje štiri vrste (tabela 2):

1. Gorivne celice s protonsko izmenjevalno membrano (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC).

2. Gorivne celice na osnovi fosforne (fosforne) kisline (gorivne celice fosforne kisline, PAFC).

3. Gorivne celice na osnovi staljenega karbonata (staljene karbonatne gorivne celice, MCFC).

4. Gorivne celice iz trdnega oksida (gorivne celice iz trdnega oksida, SOFC). Trenutno je največja flota gorivnih celic zgrajena na osnovi tehnologije PAFC.

Ena ključnih značilnosti različnih vrst gorivnih celic je delovna temperatura. V mnogih pogledih je temperatura tista, ki določa področje uporabe gorivnih celic. Na primer, visoke temperature so kritične za prenosne računalnike, zato se za ta segment trga razvijajo membranske gorivne celice z izmenjavo protonov z nizkimi obratovalnimi temperaturami.

Za avtonomno napajanje stavb so potrebne gorivne celice z visoko vgrajeno močjo, hkrati pa obstaja možnost uporabe toplotne energije, zato se lahko v te namene uporabljajo tudi gorivne celice drugih vrst.

Membranske gorivne celice z izmenjavo protonov (PEMFC)

Te gorivne celice delujejo pri relativno nizkih obratovalnih temperaturah (60-160 ° C). Odlikuje jih velika gostota moči, omogočajo hitro prilagajanje izhodne moči in jih je mogoče hitro vklopiti. Pomanjkljivost te vrste elementov so visoke zahteve glede kakovosti goriva, saj lahko onesnaženo gorivo poškoduje membrano. Nazivna moč te vrste gorivnih celic je 1-100 kW.

Membranske gorivne celice s protonsko izmenjavo je prvotno razvil General Electric v šestdesetih letih prejšnjega stoletja za NASA. Ta vrsta gorivne celice uporablja polimerni elektrolit v trdnem stanju, imenovan Proton Exchange Membrane (PEM). Protoni se lahko premikajo skozi membrano za izmenjavo protonov, vendar elektroni ne prehajajo skozi to, zaradi česar nastane potencialna razlika med katodo in anodo. Zaradi svoje preprostosti in zanesljivosti so bile takšne gorivne celice uporabljene kot vir energije v vesoljskem plovilu Gemini s posadko.

Ta vrsta gorivne celice se uporablja kot vir energije za številne naprave, vključno s prototipi in prototipi, od mobilnih telefonov do avtobusov in stacionarnih energetskih sistemov. Nizka delovna temperatura omogoča uporabo takšnih celic za napajanje različnih vrst kompleksnih elektronskih naprav. Njihova uporaba je manj učinkovita kot vir toplotne in električne energije za javne in industrijske zgradbe, kjer so potrebne velike količine toplotne energije. Hkrati so takšni elementi obetavni kot avtonomni vir napajanja za majhne stanovanjske stavbe, kot so koče, zgrajene v regijah z vročim podnebjem.

tabela 2 Vrste gorivnih celic

Vrsta predmeta Delavci temperatura, ° C Izhodna učinkovitost električni energija),% Skupaj Učinkovitost,% Gorivne celice s membrano za izmenjavo protonov (PEMFC) 60–160 30–35 50–70 Gorivne celice na osnovi ortofosforije (fosforjeva) kislina (PAFC) 150–200 35 70–80 Gorivne celice na osnovi staljeni karbonat (MCFC) 600–700 45–50 70–80 Trdni oksid gorivne celice (SOFC) 700–1 000 50–60 70–80

Gorivne celice s fosforno kislino (PAFC)

Gorivne celice te vrste so bile preizkušene že v začetku sedemdesetih let. Območje delovne temperature - 150-200 ° C. Glavno področje uporabe so avtonomni viri toplote in oskrbe s povprečno močjo (približno 200 kW).

Te gorivne celice uporabljajo raztopino fosforjeve kisline kot elektrolit. Elektrode so izdelane iz papirja, prevlečenega z ogljikom, v katerem je razpršen platinasti katalizator.

Električna učinkovitost gorivnih celic PAFC je 37-42%. Ker pa te gorivne celice delujejo pri dovolj visoki temperaturi, je možno uporabiti paro, ki nastane pri tem delovanju. V tem primeru lahko celotna učinkovitost doseže 80%.

Za proizvodnjo energije je treba surovine, ki vsebujejo vodik, pretvoriti v čisti vodik s postopkom reformiranja. Na primer, če se kot gorivo uporablja bencin, je treba odstraniti spojine, ki vsebujejo žveplo, saj lahko žveplo poškoduje platinski katalizator.

Gorivne celice tipa PAFC so bile prve komercialne gorivne celice, ki so bile ekonomsko upravičene. Najpogostejši model je 200 kW gorivna celica PC25 proizvajalca ONSI Corporation (zdaj United Technologies, Inc.) (slika 13). Ti elementi se na primer uporabljajo kot vir toplote in električne energije na policijski postaji v Central Parku v New Yorku ali kot dodaten vir energije za stavbo Conde Nast Building in Four Times Square. Največja tovarna te vrste se na Japonskem preizkuša kot elektrarna z močjo 11 MW.

Gorivne celice s fosforno kislino se uporabljajo tudi kot vir energije v vozilih. Na primer, leta 1994 so H-Power Corp., univerza Georgetown in ameriško ministrstvo za energijo opremili avtobus z elektrarno 50 kW.

Gorivne celice iz staljenega karbonata (MCFC)

Gorivne celice te vrste delujejo pri zelo visokih temperaturah - 600-700 ° C. Te delovne temperature omogočajo uporabo goriva neposredno v sami celici, brez potrebe po ločenem reformatorju. Ta proces se imenuje "notranje reformiranje". Bistveno poenostavi zasnovo gorivne celice.

Gorivne celice na osnovi staljenega karbonata zahtevajo precejšen zagonski čas in ne omogočajo takojšnje regulacije izhodne moči, zato so njihovo glavno področje uporabe veliki stacionarni viri toplotne in električne energije. Odlikuje pa jih visoka učinkovitost pretvorbe goriva - 60% električni izkoristek in do 85% skupni izkoristek.

Pri tej vrsti gorivne celice je elektrolit sestavljen iz kalijevega karbonata in soli litijevega karbonata, segretih na približno 650 ° C. V teh pogojih so soli v staljenem stanju in tvorijo elektrolit. Na anodi vodik medsebojno deluje z ioni CO 3 in tvori vodo, ogljikov dioksid in sprošča elektrone, ki se pošljejo v zunanje vezje, na katodi pa kisik medsebojno deluje z ogljikovim dioksidom in elektroni iz zunanjega tokokroga, spet tvori ione CO 3 .

Laboratorijske vzorce te vrste gorivnih celic so konec petdesetih let ustvarili nizozemski znanstveniki G. H. J. Broers in J. A. A. Ketelaar. V šestdesetih letih je s temi elementi delal inženir Francis T. Bacon, potomec slavnega angleškega pisatelja in znanstvenika 17. stoletja, zato se gorivne celice MCFC včasih imenujejo Baconove celice. Nasini programi Apollo, Apollo-Soyuz in Scylab so kot vir energije uporabljali prav takšne gorivne celice (slika 14). V istih letih je ameriško obrambno ministrstvo preizkusilo več vzorcev gorivnih celic MCFC podjetja Texas Instruments, ki so kot gorivo uporabljali vojaški bencin. Sredi sedemdesetih let prejšnjega stoletja je ameriško ministrstvo za energijo začelo raziskave, namenjene ustvarjanju stacionarne gorivne celice iz staljenega karbonata, primerne za praktično uporabo. V devetdesetih letih so bile na primer v letalski bazi Miramar v Kaliforniji ameriške mornarice zagnane številne poslovne enote z nazivno zmogljivostjo do 250 kW. Leta 1996 je FuelCell Energy, Inc. je v Santa Clari v Kaliforniji naročil nominalno predproizvodno enoto z močjo 2 MW.

Gorivne celice iz trdnega oksida (SOFC)

Trdne oksidne gorivne celice so preproste zasnove in delujejo pri zelo visokih temperaturah-700-1000 ° C. Te visoke temperature omogočajo uporabo relativno "umazanega", surovega goriva. Iste lastnosti kot gorivne celice na osnovi staljenega karbonata določajo podobno področje uporabe - veliki stacionarni viri toplotne in električne energije.

Gorivne celice iz trdnega oksida se strukturno razlikujejo od gorivnih celic iz PAFC in MCFC. Anoda, katoda in elektrolit so izdelani iz posebne keramike. Najpogosteje uporabljen elektrolit je mešanica cirkonijevega oksida in kalcijevega oksida, lahko pa uporabimo tudi druge okside. Elektrolit tvori kristalno mrežo, ki je na obeh straneh prekrita s poroznim materialom elektrode. Strukturno so takšni elementi izdelani v obliki cevi ali plošč, kar omogoča uporabo tehnologij, ki se v elektronski industriji pogosto uporabljajo pri njihovi izdelavi. Posledično lahko trdne oksidne gorivne celice delujejo pri zelo visokih temperaturah in so zato ugodne za proizvodnjo električne in toplotne energije.

Pri visokih obratovalnih temperaturah se na katodi tvorijo kisikovi ioni, ki se preselijo skozi kristalno mrežo na anodo, kjer medsebojno delujejo z vodikovimi ioni, tvorijo vodo in sproščajo proste elektrone. V tem primeru se vodik sprosti iz zemeljskega plina neposredno v celici, torej ni potrebe po ločenem reformatorju.

Teoretični temelji za nastanek trdnih oksidnih gorivnih celic so bili postavljeni v poznih tridesetih letih prejšnjega stoletja, ko sta švicarska znanstvenika Emil Bauer in H. Preis eksperimentirala s cirkonijem, itrijem, cerijem, lantanom in volframom ter jih uporabila kot elektrolite.

Prve prototipe takšnih gorivnih celic so v poznih petdesetih letih ustvarila številna ameriška in nizozemska podjetja. Večina teh podjetij je kmalu opustila nadaljnje raziskave zaradi tehnoloških težav, a eno izmed njih, Westinghouse Electric Corp. (zdaj Siemens Westinghouse Power Corporation) je nadaljeval z delom. Družba trenutno sprejema prednaročila za komercialni model cevastih polprevodniških gorivnih celic, ki bo predvidoma izšel letos (slika 15). Tržni segment takšnih elementov so stacionarne naprave za proizvodnjo toplote in električne energije z zmogljivostjo od 250 kW do 5 MW.

Gorivne celice tipa SOFC so pokazale zelo visoko zanesljivost. Na primer, prototip gorivnih celic Siemens Westinghouse je deloval 16.600 ur in se še naprej izvaja, zaradi česar je najdaljša neprekinjena življenjska doba gorivnih celic na svetu.

Visokotemperaturni in visokotlačni način delovanja gorivnih celic SOFC omogoča ustvarjanje hibridnih naprav, v katerih emisije gorivnih celic vrtijo plinske turbine, ki se uporabljajo za proizvodnjo električne energije. Prva tovrstna hibridna naprava deluje v Irvineju v Kaliforniji. Nazivna moč te naprave je 220 kW, od tega 200 kW iz gorivne celice in 20 kW iz generatorja mikroturbin.