Představujeme udržitelné technologie: palivové články. palivové články

Výhody palivových článků/článků

palivový článek/ článek je zařízení, které efektivně generuje stejnosměrný proud a teplo z paliva bohatého na vodík prostřednictvím elektrochemické reakce.

Palivový článek je podobný baterii v tom, že generuje stejnosměrný proud prostřednictvím chemické reakce. Palivový článek obsahuje anodu, katodu a elektrolyt. Na rozdíl od baterií se však palivové články/články neukládají elektrická energie, nevybíjejte a k dobíjení nevyžadují elektřinu. Palivové články/články mohou nepřetržitě vyrábět elektřinu, pokud mají zásobu paliva a vzduchu.

Na rozdíl od jiných generátorů energie, jako jsou motory s vnitřním spalováním nebo turbíny na plyn, uhlí, ropu atd., palivové články/články nespalují palivo. To znamená žádné hlučné vysokotlaké rotory, žádný hlasitý hluk výfuku, žádné vibrace. Palivové články/články generují elektřinu prostřednictvím tiché elektrochemické reakce. Další vlastností palivových článků/článků je, že přeměňují chemickou energii paliva přímo na elektřinu, teplo a vodu.

Palivové články jsou vysoce účinné a neprodukují velké množství skleníkových plynů, jako je oxid uhličitý, metan a oxid dusný. Jedinými produkty emitovanými při provozu jsou voda ve formě páry a malé množství oxidu uhličitého, který se při použití čistého vodíku jako paliva vůbec nevypouští. Palivové články/články se skládají do sestav a následně do jednotlivých funkčních modulů.

Historie vývoje palivových článků/článků

V 50. a 60. letech se jedna z největších výzev pro palivové články zrodila z potřeby amerického Národního úřadu pro letectví a vesmír (NASA) po zdrojích energie pro dlouhodobé vesmírné mise. Alkaline Fuel Cell/Cell společnosti NASA používá jako palivo vodík a kyslík, přičemž tyto dva spojuje v elektrochemické reakci. Výstupem jsou tři vedlejší produkty reakce užitečné při kosmických letech – elektřina pro pohon kosmické lodi, voda pro pitné a chladicí systémy a teplo pro udržení astronautů v teple.

Objev palivových článků se datuje na začátek 19. století. První důkaz o účinku palivových článků byl získán v roce 1838.

Koncem 30. let začaly práce na alkalických palivových článcích a do roku 1939 byl postaven článek využívající vysokotlaké poniklované elektrody. Během druhé světové války byly vyvinuty palivové články/články pro ponorky britského námořnictva a v roce 1958 byl představen palivový soubor sestávající z alkalických palivových článků/článků o průměru něco málo přes 25 cm.

Zájem vzrostl v 50. a 60. letech 20. století a také v 80. letech, kdy průmyslový svět zaznamenali nedostatek ropného paliva. Ve stejném období se také světové země začaly zajímat o problém znečištění ovzduší a uvažovaly o způsobech výroby elektřiny šetrné k životnímu prostředí. V současné době prochází technologie palivových článků/článků rychlým vývojem.

Jak fungují palivové články/články

Palivové články/články generují elektřinu a teplo probíhající elektrochemickou reakcí pomocí elektrolytu, katody a anody.

Na anodovém katalyzátoru molekulární vodík disociuje a ztrácí elektrony. Vodíkové ionty (protony) jsou vedeny elektrolytem ke katodě, zatímco elektrony procházejí elektrolytem a vnějším elektrickým obvodem a vytvářejí stejnosměrný proud, který lze použít k napájení zařízení. Na katodovém katalyzátoru se molekula kyslíku spojí s elektronem (který je dodáván z vnější komunikace) a příchozím protonem a vytvoří vodu, která je jediným reakčním produktem (ve formě páry a / nebo kapaliny).

Níže je odpovídající reakce:

Anodová reakce: 2H 2 => 4H+ + 4e -
Reakce na katodě: O 2 + 4H+ + 4e - => 2H 2 O
Obecná reakce prvků: 2H2 + O2 => 2H20

Typy a rozmanitost palivových článků/článků

Stejně jako existují různé typy spalovacích motorů, existují různé typy palivových článků – výběr vhodný typ palivový článek závisí na jeho použití.

Palivové články se dělí na vysokoteplotní a nízkoteplotní. Nízkoteplotní palivové články vyžadují jako palivo relativně čistý vodík. To často znamená, že k přeměně primárního paliva (jako je zemní plyn) na čistý vodík je zapotřebí zpracování paliva. Tento proces spotřebovává další energii a vyžaduje speciální vybavení. Vysokoteplotní palivové články tento dodatečný postup nepotřebují, protože mohou „interně přeměnit“ palivo při zvýšených teplotách, což znamená, že není třeba investovat do vodíkové infrastruktury.

Palivové články/články na roztaveném uhličitanu (MCFC)

Palivové články s roztaveným uhličitanem jsou vysokoteplotní palivové články. Vysoká provozní teplota umožňuje přímé použití zemního plynu bez palivového procesoru a palivového plynu s nízkou výhřevností výrobní procesy a z jiných zdrojů.

Provoz RCFC se liší od ostatních palivových článků. Tyto články využívají elektrolyt ze směsi roztavených uhličitanových solí. V současné době se používají dva typy směsí: uhličitan lithný a uhličitan draselný nebo uhličitan lithný a uhličitan sodný. K roztavení uhličitanových solí a dosažení vysoký stupeň pohyblivost iontů v elektrolytu, palivové články s roztaveným uhličitanovým elektrolytem pracují při vysokých teplotách (650°C). Účinnost se pohybuje mezi 60-80%.

Při zahřátí na teplotu 650°C se soli stávají vodičem pro uhličitanové ionty (CO 3 2-). Tyto ionty přecházejí z katody na anodu, kde se spojují s vodíkem za vzniku vody, oxidu uhličitého a volných elektronů. Tyto elektrony jsou poslány vnějším elektrickým obvodem zpět ke katodě a jako vedlejší produkt generují elektrický proud a teplo.

Anodová reakce: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Reakce na katodě: CO 2 + 1/2O 2 + 2e - => CO 3 2-
Obecná reakce prvku: H 2 (g) + 1/2O 2 (g) + CO 2 (katoda) => H 2 O (g) + CO 2 (anoda)

Vysoké provozní teploty palivových článků s elektrolytem roztaveného uhličitanu mají určité výhody. Při vysokých teplotách je zemní plyn vnitřně reformován, což eliminuje potřebu procesoru paliva. Mezi výhody navíc patří možnost použití standardních konstrukčních materiálů, jako je nerezový plech a niklový katalyzátor na elektrodách. Odpadní teplo lze využít k výrobě vysokotlaké páry pro různé průmyslové a komerční účely.

Vysoké reakční teploty v elektrolytu mají také své výhody. Použití vysokých teplot trvá dlouho, než dosáhne optimálních provozních podmínek, a systém pomaleji reaguje na změny spotřeby energie. Tyto vlastnosti umožňují použití systémů palivových článků s roztaveným uhličitanovým elektrolytem za podmínek konstantního výkonu. Vysoké teploty zabraňují poškození palivového článku oxidem uhelnatým.

Palivové články s roztaveným uhličitanem jsou vhodné pro použití ve velkých stacionárních instalacích. Průmyslově jsou vyráběny tepelné elektrárny s výstupním elektrickým výkonem 3,0 MW. Vyvíjejí se elektrárny s výstupním výkonem až 110 MW.

Palivové články/články na bázi kyseliny fosforečné (PFC)

Palivové články na bázi kyseliny fosforečné (ortofosforečné) byly první palivové články pro komerční využití.

Palivové články na bázi kyseliny fosforečné (ortofosforečné) využívají elektrolyt na bázi kyseliny ortofosforečné (H 3 PO 4) s koncentrací až 100 %. Iontová vodivost kyseliny fosforečné je při nízkých teplotách nízká, proto se tyto palivové články používají při teplotách do 150–220 °C.

Nosičem náboje v palivových článcích tohoto typu je vodík (H+, proton). Podobný proces probíhá v palivových článcích s protonovou výměnnou membránou, ve kterých se vodík přiváděný k anodě štěpí na protony a elektrony. Protony procházejí elektrolytem a spojují se s kyslíkem ze vzduchu na katodě za vzniku vody. Elektrony jsou směrovány podél vnějšího elektrického obvodu a vzniká elektrický proud. Níže jsou uvedeny reakce, které generují elektřinu a teplo.

Reakce na anodě: 2H 2 => 4H + + 4e -
Reakce na katodě: O 2 (g) + 4H + + 4e - \u003d\u003e 2 H2O
Obecná reakce prvků: 2H2 + O2 => 2H20

Účinnost palivových článků na bázi kyseliny fosforečné (ortofosforečné) je při výrobě elektrické energie více než 40 %. Při kombinované výrobě tepla a elektřiny je celková účinnost cca 85 %. Navíc při daných provozních teplotách lze odpadní teplo využít k ohřevu vody a výrobě páry při atmosférickém tlaku.

Vysoký výkon tepelných elektráren na palivové články na bázi kyseliny fosforečné (ortofosforečné) při kombinované výrobě tepla a elektřiny je jednou z výhod tohoto typu palivových článků. Závody využívají oxid uhelnatý v koncentraci asi 1,5 %, což značně rozšiřuje výběr paliva. CO 2 navíc neovlivňuje elektrolyt a činnost palivového článku, tento typ článku pracuje s reformovaným přírodním palivem. Jednoduchý design Nízká těkavost elektrolytu a zvýšená stabilita jsou také výhodami tohoto typu palivových článků.

Průmyslově jsou vyráběny tepelné elektrárny s výstupním elektrickým výkonem do 500 kW. Zařízení pro 11 MW prošly příslušnými testy. Vyvíjejí se elektrárny s výstupním výkonem až 100 MW.

Palivové články/články s pevným oxidem (SOFC)

Palivové články s pevným oxidem jsou palivové články s nejvyšší provozní teplotou. Provozní teplota se může pohybovat od 600°C do 1000°C, což umožňuje použití různých druhů paliv bez speciální předúpravy. Pro zvládnutí těchto vysokých teplot se jako elektrolyt používá tenký pevný oxid kovu na keramické bázi, často slitina yttria a zirkonia, která je vodičem iontů kyslíku (O 2-).

Pevný elektrolyt zajišťuje hermetický přechod plynu z jedné elektrody na druhou, zatímco kapalné elektrolyty jsou umístěny v porézním substrátu. Nosičem náboje v palivových článcích tohoto typu je kyslíkový iont (O 2-). Na katodě jsou molekuly kyslíku ze vzduchu odděleny na kyslíkový iont a čtyři elektrony. Kyslíkové ionty procházejí elektrolytem a spojují se s vodíkem za vzniku čtyř volných elektronů. Elektrony jsou směrovány přes vnější elektrický obvod, generují elektrický proud a odpadní teplo.

Reakce na anodě: 2H 2 + 2O 2- => 2H 2 O + 4e -
Reakce na katodě: O 2 + 4e - \u003d\u003e 2O 2-
Obecná reakce prvků: 2H2 + O2 => 2H20

Účinnost generované elektrické energie je nejvyšší ze všech palivových článků – asi 60-70 %. Vysoké provozní teploty umožňují kombinovanou výrobu tepla a elektřiny pro výrobu vysokotlaké páry. Kombinací vysokoteplotního palivového článku s turbínou vzniká hybridní palivový článek, který zvyšuje účinnost výroby energie až o 75 %.

Palivové články s pevným oxidem pracují při velmi vysokých teplotách (600°C-1000°C), což má za následek dlouhou dobu k dosažení optimálních provozních podmínek a systém pomaleji reaguje na změny spotřeby energie. Při takto vysokých provozních teplotách není potřeba žádný konvertor pro regeneraci vodíku z paliva, což umožňuje tepelné elektrárně pracovat s relativně nečistými palivy ze zplyňování uhlí nebo odpadních plynů a podobně. Tento palivový článek je také vynikající pro aplikace s vysokým výkonem, včetně průmyslových a velkých centrálních elektráren. Průmyslově vyráběné moduly s výstupním elektrickým výkonem 100 kW.

Palivové články/články s přímou oxidací metanolu (DOMTE)

Technologie využití palivových článků s přímou oxidací metanolu prochází obdobím aktivního vývoje. Úspěšně se etablovala v oblasti napájení mobilních telefonů, notebooků i pro tvorbu přenosných zdrojů energie. k čemu směřuje budoucí aplikace těchto prvků.

Struktura palivových článků s přímou oxidací metanolu je podobná jako u palivových článků s proton výměnnou membránou (MOFEC), tzn. jako elektrolyt se používá polymer a jako nosič náboje iont vodíku (proton). Kapalný metanol (CH 3 OH) je však oxidován v přítomnosti vody na anodě, přičemž se uvolňuje CO 2, vodíkové ionty a elektrony, které jsou vedeny vnějším elektrickým obvodem a vzniká elektrický proud. Vodíkové ionty procházejí elektrolytem a reagují s kyslíkem ze vzduchu a elektrony z vnějšího okruhu za vzniku vody na anodě.

Reakce na anodě: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Reakce na katodě: 3/202 + 6 H + + 6e - => 3H20
Obecná reakce prvku: CH 3 OH + 3/2O 2 => CO 2 + 2H 2 O

Výhodou tohoto typu palivových článků je jejich malá velikost, vzhledem k použití kapalného paliva, a absence nutnosti použití konvertoru.

Alkalické palivové články/články (AFC)

Alkalické palivové články jsou jedním z nejúčinnějších prvků používaných k výrobě elektřiny, přičemž účinnost výroby energie dosahuje až 70 %.

Alkalické palivové články využívají elektrolyt, tedy vodný roztok hydroxidu draselného, obsažený v porézní stabilizované matrici. Koncentrace hydroxidu draselného se může měnit v závislosti na provozní teplotě palivového článku, která se pohybuje od 65 °C do 220 °C. Nosičem náboje v SFC je hydroxidový iont (OH-) pohybující se od katody k anodě, kde reaguje s vodíkem za vzniku vody a elektronů. Voda produkovaná na anodě se vrací zpět ke katodě, kde opět vytváří hydroxidové ionty. V důsledku této série reakcí probíhajících v palivovém článku vzniká elektřina a jako vedlejší produkt teplo:

Reakce na anodě: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reakce na katodě: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4 OH -
Obecná reakce systému: 2H2 + O2 => 2H20

Výhodou SFC je, že tyto palivové články jsou nejlevnější na výrobu, protože katalyzátor potřebný na elektrodách může být jakákoliv látka, která je levnější než ty, které se používají jako katalyzátory pro jiné palivové články. SCFC fungují při relativně nízkých teplotách a patří mezi nejúčinnější palivové články – takové vlastnosti mohou přispívat k rychlejší výrobě energie a vysoké palivové účinnosti.

Jednou z charakteristických vlastností SHTE je vysoká citlivost na CO 2 , který může být obsažen v palivu nebo vzduchu. CO 2 reaguje s elektrolytem, rychle jej otráví a výrazně snižuje účinnost palivového článku. Proto je použití SFC omezeno na uzavřené prostory, jako jsou vesmírná a podvodní vozidla, musí fungovat na čistý vodík a kyslík. Navíc molekuly jako CO, H2O a CH4, které jsou bezpečné pro jiné palivové články a dokonce palivo pro některé z nich, jsou pro SFC škodlivé.

Polymerové elektrolytové palivové články/články (PETE)

V případě palivových článků s polymerním elektrolytem je polymerní membrána tvořena polymerními vlákny s vodními oblastmi, ve kterých dochází k vedení vodních iontů (H 2 O + (proton, červená) navázaná na molekulu vody). Molekuly vody představují problém kvůli pomalé výměně iontů. Proto je vyžadována vysoká koncentrace vody jak v palivu, tak na výfukových elektrodách, což omezuje provozní teplotu na 100°C.

Tuhé kyselé palivové články/články (SCFC)

V pevných kyselých palivových článcích elektrolyt (CsHSO 4 ) neobsahuje vodu. Provozní teplota je tedy 100-300°C. Rotace SO 4 2- oxy aniontů umožňuje protonů (červená) pohybovat se, jak je znázorněno na obrázku. Palivový článek s pevnou kyselinou je typicky sendvič, ve kterém je velmi tenká vrstva pevné kyselé sloučeniny vložena mezi dvě těsně stlačené elektrody, aby byl zajištěn dobrý kontakt. Při zahřátí se organická složka odpařuje, opouští póry v elektrodách, přičemž si zachovává schopnost četných kontaktů mezi palivem (nebo kyslíkem na druhém konci článku), elektrolytem a elektrodami.

Různé moduly palivových článků. baterie s palivovými články

Palivová baterie
Další vysokoteplotní zařízení (integrovaný parní generátor, spalovací komora, měnič tepelné bilance)
Tepelně odolná izolace

modul palivových článků

Srovnávací analýza typů a variant palivových článků

Inovativní energeticky úsporné komunální teplárny a elektrárny jsou obvykle postaveny na palivových článcích s pevným oxidem (SOFC), palivových článcích s polymerním elektrolytem (PEFC), palivových článcích s kyselinou fosforečnou (PCFC), palivových článcích s protonovou výměnnou membránou (MPFC) a alkalických palivových článcích ( APFC). Obvykle mají následující vlastnosti:

Palivové články s pevným oxidem (SOFC) by měly být považovány za nejvhodnější, které:

pracovat při vyšší teplotě, což snižuje potřebu drahých drahých kovů (jako je platina)
může fungovat na různé druhy uhlovodíkových paliv, především na zemní plyn
mít více času startování a jsou proto vhodnější pro dlouhodobé
vykazují vysokou účinnost výroby energie (až 70 %)
díky vysokým provozním teplotám lze jednotky kombinovat se systémy rekuperace tepla, čímž se celková účinnost systému zvýší až na 85 %
mají téměř nulové emise, pracují tiše a mají nízké provozní požadavky ve srovnání se stávajícími technologiemi výroby energie

Typ palivového článku	Pracovní teplota	Účinnost výroby energie	Typ paliva	Oblast použití
RKTE	550–700 °C	50-70%		Střední a velké instalace
FKTE	100–220 °C	35-40%	čistý vodík	Velké instalace
MOPTE	30-100 °C	35-50%	čistý vodík	Malé instalace
SOFC	450–1000 °C	45-70%	Většina uhlovodíkových paliv	Malé, střední a velké instalace
POMTE	20-90 °C	20-30%	methanol	Přenosný
SHTE	50–200 °C	40-70%	čistý vodík	vesmírný výzkum
PETE	30-100 °C	35-50%	čistý vodík	Malé instalace

Vzhledem k tomu, že malé tepelné elektrárny mohou být napojeny na konvenční síť zásobování plynem, nevyžadují palivové články samostatný systém zásobování vodíkem. Při použití malých tepelných elektráren na bázi palivových článků s tuhými oxidy lze generované teplo integrovat do výměníků tepla pro ohřev vody a větracího vzduchu, čímž se zvyšuje celková účinnost systému. Tento inovativní technologie nejvhodnější pro efektivní výrobu energie bez potřeby drahé infrastruktury a složité integrace přístrojů.

Aplikace palivového článku/článku

Aplikace palivových článků/článků v telekomunikačních systémech

S rychlým rozšířením bezdrátových komunikačních systémů po celém světě a také s rostoucími společenskými a ekonomickými výhodami technologie mobilních telefonů se potřeba spolehlivého a nákladově efektivního záložního napájení stala kritickou. Ztráty sítě v průběhu roku v důsledku špatného počasí, přírodních katastrof nebo omezené kapacity sítě jsou pro provozovatele sítí neustálou výzvou.

Tradiční řešení pro zálohování napájení v telekomunikacích zahrnují baterie (ventilově regulované olověné baterie) pro krátkodobé záložní napájení a dieselové a propanové generátory pro delší záložní napájení. Baterie jsou relativně levným zdrojem záložní energie na 1 až 2 hodiny. Baterie však nejsou vhodné pro delší dobu zálohování, protože jsou nákladné na údržbu, po dlouhé době používání se stávají nespolehlivé, jsou citlivé na teploty a jsou životu nebezpečné. životní prostředí po likvidaci. Dieselové a propanové generátory mohou poskytovat nepřetržitou záložní energii. Generátory však mohou být nespolehlivé, vyžadují rozsáhlou údržbu a do atmosféry uvolňují vysoké úrovně znečišťujících látek a skleníkových plynů.

Aby se odstranila omezení tradičních řešení záložního napájení, byla vyvinuta inovativní technologie zelených palivových článků. Palivové články jsou spolehlivé, tiché, obsahují méně pohyblivých částí než generátor, mají širší rozsah provozních teplot než baterie od -40 °C do +50 °C a v důsledku toho poskytují extrémně vysoké úrovně úspory energie. Kromě toho jsou náklady na životnost takového zařízení nižší než náklady na generátor. Nižší náklady na palivové články jsou výsledkem pouze jedné údržby za rok a výrazně vyšší produktivity závodu. Palivový článek je totiž ekologický technologické řešení s minimálním dopadem na životní prostředí.

Jednotky palivových článků poskytují záložní napájení kritickým infrastrukturám komunikačních sítí pro bezdrátové, trvalé a širokopásmové připojení v telekomunikačním systému, v rozsahu od 250W do 15kW, nabízejí mnoho nepřekonatelných inovativních funkcí:

SPOLEHLIVOST– Málo pohyblivých dílů a žádné pohotovostní vybíjení
ÚSPORA ENERGIE
UMLČET– nízká hladina hluku
STABILITA– provozní rozsah od -40°C do +50°C
PŘIZPŮSOBIVOST– venkovní a vnitřní instalace (kontejner/ochranný kontejner)
VYSOKÝ VÝKON- do 15 kW
NÍZKÁ POTŘEBA ÚDRŽBY– minimální roční údržba
EKONOMIKA- atraktivní celkové náklady na vlastnictví
ČISTÁ ENERGIE– nízké emise s minimálním dopadem na životní prostředí

Systém neustále snímá napětí stejnosměrné sběrnice a hladce přijímá kritické zátěže, pokud napětí stejnosměrné sběrnice klesne pod uživatelem definovanou požadovanou hodnotu. Systém běží na vodík, který vstupuje do zásobníku palivových článků jedním ze dvou způsobů – buď z komerčního zdroje vodíku, nebo z kapalného paliva methanolu a vody pomocí palubního reformovacího systému.

Elektrická energie je produkována soustavou palivových článků ve formě stejnosměrného proudu. Stejnosměrný proud je posílán do měniče, který převádí neregulovaný stejnosměrný proud ze sady palivových článků na vysoce kvalitní regulovaný stejnosměrný proud pro požadované zátěže. Instalace palivových článků může poskytovat záložní energii na mnoho dní, protože doba trvání je omezena pouze množstvím vodíku nebo paliva s methanolem/vodou, které je k dispozici na skladě.

Palivové články nabízejí vynikající energetickou účinnost, zvýšenou spolehlivost systému, předvídatelnější výkon v širokém spektru klimatických podmínek a spolehlivou životnost ve srovnání s průmyslovými standardními ventilem regulovanými olověnými bateriemi. Náklady na životní cyklus jsou také nižší díky výrazně menším nárokům na údržbu a výměnu. Palivové články nabízejí konečnému uživateli výhody pro životní prostředí, protože náklady na likvidaci a rizika odpovědnosti spojená s olověnými články jsou rostoucím problémem.

Výkon elektrických baterií může být nepříznivě ovlivněn celou řadou faktorů, jako je úroveň nabití, teplota, cykly, životnost a další proměnné. Poskytovaná energie se bude lišit v závislosti na těchto faktorech a není snadné ji předvídat. Výkon palivového článku s protonovou výměnnou membránou (PEMFC) není těmito faktory relativně ovlivněn a může poskytovat kritickou energii, pokud je k dispozici palivo. Zvýšená předvídatelnost je důležitou výhodou při přechodu na palivové články pro kritické aplikace záložního napájení.

Palivové články generují energii pouze při dodání paliva, jako generátor plynové turbíny, ale nemají pohyblivé části ve výrobní zóně. Proto na rozdíl od generátoru nepodléhají rychlému opotřebení a nevyžadují neustálou údržbu a mazání.

Palivo používané pro pohon Extended Duration Fuel Converter je směs metanolu a vody. Metanol je široce dostupné, komerčně vyráběné palivo, které má v současnosti mnoho aplikací, včetně ostřikovačů čelního skla, plastové lahve, přísady do motoru, emulzní barvy. Metanol se snadno přepravuje, je mísitelný s vodou, má dobrou biologickou odbouratelnost a neobsahuje síru. Má nízký bod tuhnutí (-71°C) a při dlouhém skladování se nerozkládá.

Aplikace palivových článků/článků v komunikačních sítích

Bezpečnostní sítě vyžadují spolehlivá řešení záložního napájení, která mohou v případě nouze trvat hodiny nebo dny, pokud se elektrická síť stane nedostupnou.

Inovativní technologie palivových článků s malým počtem pohyblivých částí a bez snížení spotřeby energie v pohotovostním režimu nabízí atraktivní řešení ve srovnání se v současnosti dostupnými systémy záložního napájení.

Nejpřesvědčivějším důvodem pro použití technologie palivových článků v komunikačních sítích je zvýšená celková spolehlivost a bezpečnost. Během událostí, jako jsou výpadky proudu, zemětřesení, bouře a hurikány, je důležité, aby systémy nadále fungovaly a měly spolehlivé záložní napájení po delší dobu, bez ohledu na teplotu nebo stáří záložního napájecího systému.

Řada napájecích zdrojů s palivovými články je ideální pro podporu zabezpečených komunikačních sítí. Díky svým energeticky úsporným konstrukčním principům poskytují ekologický, spolehlivý záložní zdroj s prodlouženou dobou trvání (až několik dní) pro použití ve výkonovém rozsahu od 250 W do 15 kW.

Aplikace palivových článků/článků v datových sítích

Spolehlivé napájení datových sítí, jako jsou vysokorychlostní datové sítě a páteřní sítě z optických vláken, má celosvětově klíčový význam. Informace přenášené prostřednictvím takových sítí obsahují kritická data pro instituce, jako jsou banky, letecké společnosti nebo lékařská střediska. Výpadek napájení v takových sítích představuje nejen nebezpečí přenášené informace, ale také zpravidla vede ke značným finančním ztrátám. Spolehlivé, inovativní instalace palivových článků, které poskytují pohotovostní napájení, poskytují spolehlivost, kterou potřebujete k zajištění nepřetržitého napájení.

Jednotky s palivovými články pracující na kapalné palivové směsi metanolu a vody poskytují spolehlivé záložní napájení s prodlouženou životností, až několik dní. Kromě toho se tyto jednotky vyznačují výrazně sníženými požadavky na údržbu ve srovnání s generátory a bateriemi a vyžadují pouze jednu údržbu za rok.

Typické aplikační charakteristiky pro použití instalací palivových článků v datových sítích:

Aplikace s příkony od 100 W do 15 kW
Aplikace s požadavky na životnost baterie> 4 hodiny
Opakovače v optických systémech (hierarchie synchronních digitálních systémů, vysokorychlostní internet, hlas přes IP…)
Síťové uzly vysokorychlostního přenosu dat
Přenosové uzly WiMAX

Pohotovostní instalace palivových článků nabízejí četné výhody pro kritickou infrastrukturu datových sítí oproti tradičním bateriovým nebo dieselovým generátorům, což umožňuje vyšší využití na místě:

Technologie kapalných paliv řeší problém skladování vodíku a poskytuje prakticky neomezenou záložní energii.
Díky tichému provozu, nízké hmotnosti, odolnosti vůči teplotním extrémům a provozu prakticky bez vibrací lze palivové články instalovat venku, v průmyslových prostorách/kontejnerech nebo na střechách.
Přípravy na místě pro použití systému jsou rychlé a ekonomické a náklady na provoz jsou nízké.
Palivo je biologicky rozložitelné a představuje ekologické řešení pro městské prostředí.

Aplikace palivových článků/článků v bezpečnostních systémech

Nejpečlivěji navržené bezpečnostní a komunikační systémy budov jsou pouze tak spolehlivé, jako je síla, která je pohání. Zatímco většina systémů obsahuje nějaký typ záložního nepřerušitelného napájecího systému pro krátkodobé ztráty energie, nezajišťují delší výpadky proudu, které mohou nastat po přírodních katastrofách nebo teroristických útocích. To by mohlo být kritickým problémem pro mnoho firemních a vládních agentur.

Životně důležité systémy, jako jsou CCTV monitorovací a přístupové systémy (čtečky ID karet, zařízení pro zavírání dveří, biometrická identifikační technologie atd.), automatická požární signalizace a hasicí systémy, systémy řízení výtahů a telekomunikační sítě, jsou ohroženy, pokud neexistuje spolehlivý alternativní zdroj nepřetržitého napájení.

Dieselové generátory jsou hlučné, obtížně se lokalizují a jsou známé svou spolehlivostí a údržba. Naproti tomu záložní instalace palivových článků je tichá, spolehlivá, má nulové nebo velmi nízké emise a lze ji snadno instalovat na střechu nebo mimo budovu. V pohotovostním režimu se nevybíjí ani neztrácí energii. Zajišťuje nepřetržitý provoz kritických systémů i po ukončení provozu instituce a opuštění budovy lidmi.

Inovativní instalace palivových článků chrání drahé investice do kritických aplikací. Poskytují ekologické, spolehlivé záložní napájení s prodlouženou dobou trvání (až mnoho dní) pro použití ve výkonovém rozsahu od 250 W do 15 kW v kombinaci s řadou nepřekonatelných funkcí a zejména vysokou úrovní úspory energie.

Záložní jednotky s palivovými články nabízejí řadu výhod pro kritické aplikace, jako jsou systémy zabezpečení a správy budov, oproti tradičním bateriovým nebo dieselovým generátorům. Technologie kapalných paliv řeší problém skladování vodíku a poskytuje prakticky neomezenou záložní energii.

Aplikace palivových článků/článků při vytápění domácností a výrobě elektřiny

Palivové články s pevným oxidem (SOFC) se používají k výstavbě spolehlivých, energeticky účinných a bezemisních tepelných elektráren na výrobu elektřiny a tepla z široce dostupného zemního plynu a obnovitelných zdrojů paliva. Tyto inovativní jednotky se používají na široké škále trhů, od domácí výroby energie až po napájení vzdálených oblastí a také jako pomocné zdroje energie.

Aplikace palivových článků/článků v distribučních sítích

Malé tepelné elektrárny jsou navrženy tak, aby fungovaly v síti distribuované výroby elektrické energie složené z velkého počtu malých generátorových soustrojí namísto jedné centralizované elektrárny.

Obrázek níže ukazuje ztrátu účinnosti výroby energie, když je generována v kogenerační jednotce a přenášena do domácností prostřednictvím tradičních přenosových sítí používaných v tento moment. Ztráty účinnosti v okresní výrobě zahrnují ztráty z elektrárny, přenos nízkého a vysokého napětí a ztráty v distribuci.

Obrázek ukazuje výsledky integrace malých tepelných elektráren: elektřina se vyrábí s účinností výroby až 60 % v místě použití. Kromě toho může domácnost využívat teplo generované palivovými články pro ohřev vody a vytápění, což zvyšuje celkovou efektivitu zpracování energie paliva a zlepšuje úspory energie.

Využití palivových článků k ochraně životního prostředí – Využití přidruženého ropného plynu

Jedním z nejdůležitějších úkolů v ropném průmyslu je využití souvisejícího ropného plynu. Stávající způsoby využití přidruženého ropného plynu mají řadu nevýhod, z nichž hlavní je, že nejsou ekonomicky životaschopné. Přidružený ropný plyn je spalován, což způsobuje velké škody na životním prostředí a lidském zdraví.

Inovativní elektrárny s palivovými články využívající jako palivo přidružený ropný plyn otevírají cestu k radikálnímu a nákladově efektivnímu řešení problémů souvisejícího využití ropných plynů.

Jednou z hlavních výhod instalací palivových článků je, že mohou spolehlivě a udržitelně fungovat na přidružených ropný plyn variabilní složení. V důsledku bezplamenné chemické reakce, která je základem provozu palivového článku, snížení procenta, například metanu, způsobí pouze odpovídající snížení výkonu.
Flexibilita ve vztahu k elektrickému zatížení spotřebičů, diferenciál, zátěžový ráz.
Pro instalaci a připojení tepelných elektráren na palivové články nevyžaduje jejich realizace investiční výdaje, protože Jednotky se snadno montují na nepřipravená místa v blízkosti polí, snadno se obsluhují, jsou spolehlivé a účinné.
Vysoká automatizace a moderní dálkové ovládání nevyžadují stálou přítomnost personálu v závodě.
Jednoduchost a technická dokonalost konstrukce: absence pohyblivých částí, tření, mazacích systémů poskytuje významné ekonomické výhody z provozu instalací palivových článků.
Spotřeba vody: při okolní teplotě do +30 °C žádná a při vyšších teplotách zanedbatelná.
Vývod vody: žádný.
Tepelné elektrárny s palivovými články navíc nevydávají hluk, nevibrují, nevypouštějí škodlivé emise do atmosféry

Provozují je kosmické lodě amerického Národního úřadu pro letectví a vesmír (NASA). Dodávají energii počítačům První národní banky v Omaze. Používají se v některých veřejných městských autobusech v Chicagu.

To všechno jsou palivové články. Palivové články jsou elektrochemická zařízení, která vyrábějí elektřinu bez spalovacího procesu – chemickou cestou, podobně jako baterie. Jediný rozdíl je v tom, že používají jiné chemikálie, vodík a kyslík, a produktem chemické reakce je voda. Lze použít i zemní plyn, ale při používání uhlovodíkových paliv je samozřejmě nevyhnutelná určitá úroveň emisí oxidu uhličitého.

Vzhledem k tomu, že palivové články mohou pracovat s vysokou účinností a bez škodlivých emisí, jsou velkým příslibem jako udržitelný zdroj energie, který pomůže snížit emise skleníkových plynů a dalších znečišťujících látek. Hlavní překážkou širokého používání palivových článků je jejich vysoká cena ve srovnání s jinými zařízeními, která vyrábějí elektřinu nebo pohánějí vozidla.

Historie vývoje

První palivové články předvedl Sir William Groves v roce 1839. Groves ukázal, že proces elektrolýzy – štěpení vody na vodík a kyslík působením elektrického proudu – je vratný. To znamená, že vodík a kyslík mohou být chemicky kombinovány za vzniku elektřiny.

Poté, co se to prokázalo, mnoho vědců se pilně vrhlo na studium palivových článků, ale vynález spalovacího motoru a rozvoj infrastruktury pro těžbu ropných zásob ve druhé polovině devatenáctého století zanechaly vývoj palivových článků daleko za sebou. Ještě více omezovaly vývoj palivových článků jejich vysoká cena.

Prudký rozmach vývoje palivových článků přišel v 50. letech, kdy se na ně NASA obrátila v souvislosti s potřebou kompaktního elektrického generátoru pro lety do vesmíru. Byly investovány příslušné finanční prostředky a v důsledku toho byly lety Apolla a Gemini prováděny na palivové články. Kosmické lodě také jezdí na palivové články.

Palivové články jsou stále z velké části experimentální technologie, ale již několik společností je prodává na komerčním trhu. Jen za posledních téměř deset let došlo v komerční technologii palivových článků k významnému pokroku.

Jak funguje palivový článek

Palivové články jsou jako baterie – elektřinu vyrábějí chemickou reakcí. Naproti tomu spalovací motory spalují palivo a tím vytvářejí teplo, které se následně přeměňuje na mechanickou energii. Pokud se teplo z výfukových plynů nějakým způsobem nevyužívá (například pro vytápění nebo klimatizaci), pak lze říci, že účinnost spalovacího motoru je spíše nízká. Očekává se například, že účinnost palivových článků při použití ve vozidle – projekt, který je v současné době ve vývoji – bude více než dvakrát účinnější než dnešní typické benzinové motory používané v automobilech.

Přestože baterie i palivové články vyrábějí elektřinu chemicky, plní dvě velmi odlišné funkce. Baterie jsou zařízení na uchování energie: elektřina, kterou generují, je výsledkem chemické reakce hmoty, která je již uvnitř. Palivové články energii neskladují, ale přeměňují část energie z externě dodávaného paliva na elektřinu. V tomto ohledu se palivový článek podobá spíše klasické elektrárně.

Existuje několik různých typů palivových článků. Nejjednodušší palivový článek se skládá ze speciální membrány známé jako elektrolyt. Na obou stranách membrány jsou naneseny práškové elektrody. Tato konstrukce - elektrolyt obklopený dvěma elektrodami - je samostatným prvkem. Vodík proudí na jednu stranu (anoda) a kyslík (vzduch) na druhou (katoda). Každá elektroda má jinou chemickou reakci.

Na anodě se vodík rozkládá na směs protonů a elektronů. V některých palivových článcích jsou elektrody obklopeny katalyzátorem, obvykle vyrobeným z platiny nebo jiných ušlechtilých kovů, který podporuje disociační reakci:

2H2 ==> 4H+ + 4e-.

H2 = dvouatomová molekula vodíku, forma, in

ve kterém je vodík přítomen jako plyn;

H+ = ionizovaný vodík, tzn. proton;

e- = elektron.

Činnost palivového článku je založena na skutečnosti, že elektrolyt prochází protony skrz sebe (směrem ke katodě), ale elektrony nikoli. Elektrony se pohybují směrem ke katodě podél vnějšího vodivého obvodu. Tento pohyb elektronů je elektrický proud, který lze použít k napájení externího zařízení připojeného k palivovému článku, jako je elektromotor nebo žárovka. Toto zařízení se běžně nazývá „zátěž“.

Na katodové straně palivového článku se protony (které prošly elektrolytem) a elektrony (které prošly vnější zátěží) „rekombinují“ a reagují s kyslíkem dodávaným do katody za vzniku vody, H2O:

4H+ + 4e- + 02 ==> 2H20.

Celková reakce v palivovém článku je zapsána takto:

2H2 + 02 ==> 2H20.

Palivové články při své práci využívají vodíkové palivo a kyslík ze vzduchu. Vodík lze dodávat přímo nebo jeho oddělením od externího zdroje paliva, jako je zemní plyn, benzín nebo metanol. V případě externího zdroje musí být pro extrakci vodíku chemicky přeměněn. Tento proces se nazývá „reformace“. Vodík lze také získat z čpavku, alternativních zdrojů, jako je plyn z městských skládek az úpraven plynu. odpadní voda, stejně jako elektrolýzou vody, při které se elektřina používá k rozkladu vody na vodík a kyslík. V současnosti většina technologií palivových článků používaných v dopravě využívá metanol.

Byly vyvinuty různé prostředky pro reformování paliva za účelem výroby vodíku pro palivové články. Americké ministerstvo energetiky vyvinulo palivovou elektrárnu uvnitř reformátoru benzínu, která dodává vodík do samostatného palivového článku. Výzkumníci z Pacific Northwest National Laboratory v USA předvedli kompaktní reformátor paliva, který je desetinovou velikostí energetického bloku. Americká energetická společnost, Northwest Power Systems a Sandia National Laboratory předvedly reformátor paliva, který přeměňuje naftu na vodík pro palivové články.

Každý z palivových článků produkuje asi 0,7-1,0 voltu. Pro zvýšení napětí jsou prvky sestaveny do "kaskády", tzn. sériové připojení. Pro vytvoření většího proudu jsou sady kaskádových prvků zapojeny paralelně. Pokud zkombinujete kaskády palivových článků s palivovou elektrárnou, systémem přívodu vzduchu a chlazení a řídicím systémem, získáte motor s palivovými články. Tento motor umí jezdit vozidlo, stacionární elektrárna nebo přenosný elektrický generátor6. Motory na palivové články se dodávají v různých velikostech v závislosti na aplikaci, typu palivového článku a použitém palivu. Například každá ze čtyř samostatných 200 kW stacionárních elektráren instalovaných v bance v Omaze je přibližně velká jako přívěs nákladního automobilu.

Aplikace

Palivové články lze použít ve stacionárních i mobilních zařízeních. V reakci na zpřísňující se emisní předpisy v USA automobilky včetně DaimlerChrysler, Toyota, Ford, General Motors, Volkswagen, Honda a Nissan experimentovaly a předváděly vozidla s palivovými články. Očekává se, že první komerční vozidla s palivovými články vyjedou na silnice v roce 2004 nebo 2005.

Velkým milníkem v historii technologie palivových článků bylo v červnu 1993 předvedení experimentálního 32stopého městského autobusu od Ballard Power System s 90kilowattovým motorem na vodíkové palivové články. Od té doby mnoho odlišné typy a různé generace osobních vozidel poháněných palivovými články odlišné typy pohonné hmoty. Od konce roku 1996 se v Palm Desert v Kalifornii používají tři golfové vozíky poháněné vodíkovými palivovými články. Na silnicích Chicaga, Illinois; Vancouver, Britská Kolumbie; a norské Oslo testují městské autobusy s palivovými články. V ulicích Londýna se testují taxíky s alkalickými palivovými články.

Demonstrují se také pevné instalace využívající technologii palivových článků, které se však zatím příliš nepoužívají. komerční aplikace. První národní banka Omaha v Nebrasce používá k napájení počítačů systém palivových článků, protože systém je spolehlivější než starý síťový systém s bateriovým zálohováním. Největší na světě komerční systém palivový článek o výkonu 1,2 MW bude brzy instalován v poštovním centru na Aljašce. Testují se a předvádějí se také notebooky s palivovými články, řídicí systémy používané v čističkách odpadních vod a prodejních automatech.

"Výhody a nevýhody"

Palivové články mají řadu výhod. Zatímco účinnost moderních spalovacích motorů je pouze 12-15 %, u palivových článků je tento koeficient 50 %. Účinnost palivových článků může zůstat na klidném místě vysoká úroveň, i když nejsou používány na plný jmenovitý výkon, což je velká výhoda oproti zážehovým motorům.

Modulární povaha konstrukce palivových článků znamená, že kapacitu elektrárny s palivovými články lze zvýšit pouhým přidáním několika dalších stupňů. To zajišťuje, že faktor nedostatečného využití kapacity je minimalizován, což umožňuje lepší sladění nabídky a poptávky. Protože účinnost sady palivových článků je určena výkonem jednotlivých článků, pracují malé elektrárny s palivovými články stejně efektivně jako velké. Odpadní teplo ze stacionárních systémů palivových článků lze navíc využít k ohřevu vody a prostoru, což dále zvyšuje energetickou účinnost.

Při použití palivových článků prakticky nevznikají žádné škodlivé emise. Když motor běží na čistý vodík, vzniká jako vedlejší produkty pouze teplo a čistá vodní pára. Na kosmických lodích tedy astronauti pijí vodu, která vzniká v důsledku provozu palubních palivových článků. Složení emisí závisí na charakteru zdroje vodíku. Použití metanolu má za následek nulové emise oxidů dusíku a oxidu uhelnatého a pouze malé emise uhlovodíků. Emise se zvyšují, když přecházíte od vodíku přes metanol k benzínu, i když i u benzínu zůstanou emise poměrně nízké. V každém případě by nahrazení dnešních tradičních spalovacích motorů palivovými články mělo za následek celkové snížení emisí CO2 a NOx.

Použití palivových článků poskytuje flexibilitu energetické infrastruktury, vytváření další funkce pro decentralizovanou výrobu elektřiny. Rozmanitost decentralizovaných zdrojů energie umožňuje snížit ztráty při přenosu a rozvíjet trhy s prodejem energie (což je zvláště důležité pro vzdálené a venkovské oblasti bez přístupu k elektrickému vedení). Pomocí palivových článků si mohou jednotliví obyvatelé či čtvrti zajistit většinu elektřiny sami a výrazně tak zvýšit efektivitu jejího využití.

Palivové články nabízejí energii Vysoká kvalita a zvýšenou spolehlivostí. Jsou odolné, nemají žádné pohyblivé části a produkují konstantní množství energie.

Technologii palivových článků je však třeba dále zlepšovat, aby se zlepšil výkon, snížily náklady, a tak byly palivové články konkurenceschopné s jinými energetickými technologiemi. Je třeba poznamenat, že při zvažování nákladových charakteristik energetických technologií by měla být provedena srovnání na základě všech složek. technologické vlastnosti včetně kapitálových provozních nákladů, emisí znečišťujících látek, kvality elektrické energie, životnosti, vyřazování z provozu a flexibility.

Přestože je plynný vodík nejlepší palivo, infrastruktura ani dopravní základna pro něj zatím neexistuje. Krátkodobě by stávající systémy zásobování fosilními palivy (čerpací stanice atd.) mohly být využity pro zásobování elektráren zdroji vodíku ve formě benzinu, metanolu nebo zemního plynu. To by odstranilo potřebu vyhrazených vodíkových čerpacích stanic, ale vyžadovalo by to, aby každé vozidlo bylo vybaveno konvertorem fosilního paliva na vodík („reformátor“). Nevýhodou tohoto přístupu je, že využívá fosilní paliva a tím dochází k emisím oxidu uhličitého. Metanol, v současnosti vedoucí kandidát, produkuje méně emisí než benzín, ale vyžadoval by větší kapacitu nádrže v autě, protože zabírá dvakrát tolik místa při stejném energetickém obsahu.

Na rozdíl od systémů zásobování fosilními palivy mohou solární a větrné systémy (využívající elektřinu k výrobě vodíku a kyslíku z vody) a systémy přímé fotokonverze (využívající k výrobě vodíku polovodičové materiály nebo enzymy) dodávat vodík bez reformního kroku, a tudíž tímto způsobem emise je možné se vyhnout škodlivým látkám, které jsou pozorovány při používání metanolových nebo benzínových palivových článků. Vodík by mohl být podle potřeby skladován a přeměněn na elektřinu v palivovém článku. V budoucnu bude připojení palivových článků k těmto druhům obnovitelných zdrojů energie pravděpodobně účinnou strategií, jak poskytnout produktivní, ekologický a všestranný zdroj energie.

Doporučení IEER jsou určena místním, státním a státním vládám, aby přidělily část svých rozpočtů na nákup dopravy na vozidla s palivovými články a stacionární systémy palivových článků, které budou dodávat teplo a elektřinu některým ze svých základních nebo nových budov. To přispěje k rozvoji životně důležité technologie a sníží emise skleníkových plynů.

V moderní život chemické zdroje proudu nás obklopují všude: jsou to baterie v baterkách, baterie v mobilní telefony, vodíkové palivové články, které se již používají v některých vozidlech. Rychlý rozvoj elektrochemických technologií může vést k tomu, že nás v blízké budoucnosti místo aut s benzinovými motory obklopí jen elektromobily, telefony už nebudou rychle docházet a každý dům bude mít vlastní palivový článek elektrický generátor. Jeden ze společných programů Uralské federální univerzity s Ústavem vysokoteplotní elektrochemie Uralské pobočky Ruské akademie věd, ve spolupráci s nimiž publikujeme tento článek, je věnován zvyšování účinnosti elektrochemických zásobníků a generátorů elektrické energie. .

V dnešní době existuje mnoho různých typů baterií, mezi kterými je stále obtížnější se orientovat. Zdaleka není každému jasné, jak se baterie liší od superkondenzátoru a proč lze použít vodíkový palivový článek bez obav z poškození životního prostředí. V tomto článku budeme hovořit o tom, jak se chemické reakce využívají k výrobě elektřiny, jaký je rozdíl mezi hlavními typy moderních zdrojů chemického proudu a jaké vyhlídky se otevírají elektrochemické energii.

Chemie jako zdroj elektřiny

Nejprve se podívejme, proč lze chemickou energii vůbec využívat k výrobě elektřiny. Jde o to, že při redoxních reakcích se elektrony přenášejí mezi dvěma různými ionty. Pokud jsou obě poloviny chemické reakce v prostoru odděleny tak, že oxidace a redukce probíhají odděleně od sebe, pak je možné zajistit, aby elektron, který se odtrhne od jednoho iontu, nedopadl okamžitě na druhý, ale nejprve jde po cestě k tomu předem určené. Tato reakce může být použita jako zdroj elektrického proudu.

Tento koncept byl poprvé realizován v 18. století italským fyziologem Luigim Galvanim. Působení tradičního galvanického článku je založeno na reakcích redukce a oxidace kovů s různou aktivitou. Například klasický článek je galvanický článek, ve kterém se oxiduje zinek a redukuje měď. Redukční a oxidační reakce probíhají na katodě a anodě. A aby ionty mědi a zinku nespadaly do "cizího území", kde mohou spolu přímo reagovat, bývá mezi anodu a katodu umístěna speciální membrána. V důsledku toho vzniká mezi elektrodami rozdíl potenciálů. Pokud elektrody propojíte např. žárovkou, tak ve vzniklém elektrickém obvodu začne téct proud a žárovka se rozsvítí.

Schéma galvanického článku

Wikimedia Commons

Kromě materiálů anody a katody je důležitou součástí zdroje chemického proudu elektrolyt, uvnitř kterého se pohybují ionty a na jehož hranici probíhají s elektrodami všechny elektrochemické reakce. Elektrolyt v tomto případě nemusí být kapalný – může to být jak polymer, tak i keramický materiál.

Hlavní nevýhodou galvanického článku je jeho omezená doba provozu. Jakmile dojde reakce ke konci (tedy celá postupně se rozpouštějící anoda je zcela spotřebována), přestane takový prvek jednoduše fungovat.

Prstové alkalické baterie

Dobíjecí

Prvním krokem k rozšíření možností chemických zdrojů proudu bylo vytvoření baterie – zdroje proudu, který lze dobíjet a tedy znovu použít. K tomu vědci jednoduše navrhli použít reverzibilní chemické reakce. Po prvním úplném vybití baterie lze pomocí externího zdroje proudu spustit reakci, která v ní proběhla v opačném směru. Tím se obnoví původní stav, aby bylo možné baterii po dobití znovu používat.

Automobilová olověná baterie

Dodnes bylo vytvořeno mnoho různých typů baterií, které se liší typem chemické reakce v nich probíhající. Nejběžnějším typem baterií jsou olověné (nebo jednoduše olověné), které jsou založeny na oxidačně-redukční reakci olova. Taková zařízení mají poměrně dlouhou životnost a jejich spotřeba energie je až 60 watthodin na kilogram. Ještě populárnější jsou v poslední době lithium-iontové baterie založené na lithium-redoxní reakci. Energetická náročnost moderních lithium-iontových baterií nyní přesahuje 250 watthodin na kilogram.

Li-ion baterie pro mobilní telefon

Hlavními problémy lithium-iontových baterií je jejich nízká účinnost při nízkých teplotách, rychlé stárnutí a zvýšená výbušnost. A vzhledem k tomu, že kov lithia velmi aktivně reaguje s vodou za vzniku plynného vodíku a při hoření baterie se uvolňuje kyslík, samovznícení lithium-iontové baterie je velmi obtížně použitelné tradičními metodami hašení. Aby se zlepšila bezpečnost takové baterie a urychlila doba jejího nabíjení, vědci navrhují katodový materiál, který zabraňuje tvorbě dendritických struktur lithia a do elektrolytu přidávají látky, které tvoří výbušné struktury, a složky, které se v raných fázích vznítí. .

Pevný elektrolyt

Jako další méně zřejmý způsob, jak zlepšit účinnost a bezpečnost baterií, chemici navrhli neomezovat se na kapalné elektrolyty v chemických zdrojích energie, ale vytvořit zcela pevný zdroj energie. V takových zařízeních nejsou vůbec žádné kapalné složky, ale mezi nimi je vrstvená struktura pevné anody, pevné katody a pevného elektrolytu. Elektrolyt zároveň plní funkci membrány. Nosiče náboje v pevném elektrolytu mohou být různé ionty v závislosti na jeho složení a reakcích probíhajících na anodě a katodě. Vždy se však jedná o dostatečně malé ionty, které se mohou relativně volně pohybovat krystalem, například protony H+, ionty Li + lithia nebo ionty kyslíku O 2-.

Vodíkové palivové články

Schopnost dobíjení a speciální bezpečnostní opatření dělají z baterií mnohem slibnější zdroj proudu než konvenční baterie, ale přesto každá baterie obsahuje uvnitř omezené množství reagencií, a tedy omezenou zásobu energie, a pokaždé je nutné baterii dobít. obnovit svůj výkon.

Aby byla baterie „nekonečná“, je možné použít jako zdroj energie nikoli látky, které jsou uvnitř článku, ale palivo, které je přes něj speciálně čerpané. Nejlepší ze všeho je, že jako takové palivo se nejlépe hodí látka, která je složením co nejjednodušší, šetrná k životnímu prostředí a hojně dostupná na Zemi.

Nejvhodnější látkou tohoto typu je plynný vodík. Jeho oxidace vzdušným kyslíkem za vzniku vody (podle reakce 2H 2 + O 2 → 2H 2 O) je jednoduchá redoxní reakce a jako zdroj proudu lze využít i transport elektronů mezi ionty. Reakce probíhající v tomto případě je jakousi reverzní reakcí k reakci elektrolýzy vody (při které se působením elektrického proudu voda rozkládá na kyslík a vodík) a poprvé bylo takové schéma navrženo již v r. poloviny 19. století.

Ale navzdory skutečnosti, že obvod vypadá docela jednoduše, vytvoření efektivního zařízení založeného na tomto principu není vůbec triviální úkol. K tomu je nutné oddělit toky kyslíku a vodíku v prostoru, zajistit transport potřebných iontů elektrolytem a snížit možné ztráty energie ve všech fázích provozu.

Schematické schéma činnosti vodíkového palivového článku

Schéma pracovního vodíkového palivového článku je velmi podobné schématu zdroje chemického proudu, ale obsahuje další kanály pro přívod paliva a okysličovadla a odstraňování reakčních produktů a přebytečných přiváděných plynů. Elektrody v takovém prvku jsou porézní vodivé katalyzátory. Na anodu je přiváděno plynné palivo (vodík) a na katodu oxidační činidlo (kyslík ze vzduchu) a na rozhraní každé z elektrod s elektrolytem probíhá vlastní poloviční reakce (oxidace vodík a redukce kyslíku). V tomto případě může v závislosti na typu palivového článku a typu elektrolytu probíhat samotná tvorba vody buď v anodovém nebo katodovém prostoru.

vodíkový palivový článek Toyota

Joseph Brent / flickr

Pokud je elektrolytem proton vodivý polymer nebo keramická membrána, roztok kyseliny nebo zásady, pak nosičem náboje v elektrolytu jsou vodíkové ionty. Molekulární vodík se v tomto případě na anodě oxiduje na vodíkové ionty, které procházejí elektrolytem a reagují zde s kyslíkem. Pokud je kyslíkový iont O 2– nosičem náboje, jako v případě pevného oxidového elektrolytu, pak se kyslík na katodě redukuje na iont, tento iont prochází elektrolytem a oxiduje vodík na anodě za vzniku vody a volné elektrony.

Kromě reakce oxidace vodíku pro palivové články bylo navrženo použití dalších typů reakcí. Například místo vodíku by redukčním palivem mohl být metanol, který se oxiduje kyslíkem na oxid uhličitý a vodu.

Účinnost palivového článku

Přes všechny výhody vodíkových palivových článků (jako je šetrnost k životnímu prostředí, prakticky neomezená účinnost, kompaktní rozměry a vysoká energetická náročnost) mají i řadu nevýhod. Mezi ně patří především postupné stárnutí součástí a potíže se skladováním vodíku. Právě na tom, jak tyto nedostatky odstranit, vědci dnes pracují.

V současnosti se navrhuje zvýšit účinnost palivových článků změnou složení elektrolytu, vlastností katalytické elektrody a geometrie systému (což zajišťuje přívod palivových plynů do požadovaného bodu a snižuje vedlejší účinky). K řešení problému skladování plynného vodíku se používají materiály obsahující platinu, k jejichž sycení jsou například grafenové membrány.

Díky tomu je možné dosáhnout zvýšení stability palivového článku a životnosti jeho jednotlivých součástí. Nyní koeficient přeměny chemické energie na elektrickou v takových článcích dosahuje 80 procent a za určitých podmínek může být i vyšší.

Obrovské vyhlídky pro vodíkovou energii jsou spojeny s možností kombinovat palivové články do celých baterií a přeměnit je na elektrické generátory s vysokým výkonem. Již nyní mají elektrické generátory na vodíkové palivové články výkon až několik stovek kilowattů a používají se jako zdroje energie pro vozidla.

Alternativní elektrochemické skladování

Kromě klasických elektrochemických zdrojů proudu se jako zařízení pro uchovávání energie používají i neobvyklé systémy. Jedním z těchto systémů je superkondenzátor (nebo ionistor) - zařízení, ve kterém dochází k separaci a akumulaci náboje v důsledku vytvoření dvojité vrstvy v blízkosti nabitého povrchu. Na rozhraní elektroda-elektrolyt v takovém zařízení se ionty různých znaků seřadí do dvou vrstev, tzv. „dvojitá elektrická vrstva“, tvořící jakýsi velmi tenký kondenzátor. Kapacita takového kondenzátoru, tedy množství akumulovaného náboje, bude určena měrným povrchem materiálu elektrody, proto je výhodné brát jako materiál pro porézní materiály s maximálním měrným povrchem. superkondenzátory.

Ionistory jsou přeborníky mezi nabíjecími a vybíjecími chemickými zdroji proudu z hlediska rychlosti nabíjení, což je nepochybná výhoda tohoto typu zařízení. Bohužel jsou také rekordmany v rychlosti vybíjení. Energetická hustota ionistorů je osmkrát menší ve srovnání s olověnými bateriemi a 25krát menší než u lithium-iontových. Klasické „dvouvrstvé“ ionistory nevyužívají ve svém jádru elektrochemickou reakci a nejpřesněji je pro ně aplikován termín „kondenzátor“. U těch verzí ionistorů, které jsou založeny na elektrochemické reakci a akumulace náboje zasahuje do hloubky elektrody, je však možné dosáhnout vyšších vybíjecích časů při zachování rychlé rychlosti nabíjení. Úsilí vývojářů superkondenzátorů směřuje k vytvoření hybridních zařízení s bateriemi, které spojují výhody superkondenzátorů, především vysokou rychlost nabíjení, a přednosti baterií - vysokou energetickou náročnost a dlouhou dobu vybíjení. Představte si v blízké budoucnosti ionistorovou baterii, která se nabije za pár minut a bude pohánět notebook nebo smartphone na jeden nebo více dní!

Navzdory skutečnosti, že nyní je hustota energie superkondenzátorů stále několikanásobně menší než hustota energie baterií, jsou používány v spotřební elektronika a pro motory různých vozidel, včetně většiny.

* * *

Dnes tedy existuje velké množství elektrochemických zařízení, z nichž každé je perspektivní pro své specifické aplikace. Pro zlepšení účinnosti těchto zařízení potřebují vědci vyřešit řadu problémů, jak zásadních, tak technologických. Většinu těchto úkolů v rámci jednoho z průlomových projektů řeší Uralská federální univerzita, proto jsme se zeptali Maxima Ananieva, ředitele Ústavu vysokoteplotní elektrochemie Uralské pobočky Ruské akademie věd, Profesor katedry technologie elektrochemické výroby Ústavu chemické technologie Uralské federální univerzity, aby hovořil o bezprostředních plánech a vyhlídkách na vývoj moderních palivových článků.

N+1: Existuje v blízké budoucnosti alternativa k nejoblíbenějším Li-Ion bateriím?

Maxim Ananiev: Moderní úsilí vývojářů baterií je zaměřeno na nahrazení typu nosiče náboje v elektrolytu z lithia na sodík, draslík a hliník. V důsledku výměny lithia bude možné snížit náklady na baterii, i když se úměrně zvýší hmotnostní a rozměrové charakteristiky. Jinými slovy, pro stejné elektrické vlastnosti bude sodík-iontová baterie větší a těžší než lithium-iontová baterie.

Kromě toho je jednou ze slibných rozvojových oblastí pro zlepšení baterií vytváření hybridních chemických zdrojů energie založených na kombinaci kov-iontových baterií se vzduchovou elektrodou, jako je tomu u palivových článků. Obecně platí, že směr vytváření hybridních systémů, jak již bylo ukázáno na příkladu superkondenzátorů, zjevně v blízké budoucnosti umožní vidět na trhu chemické zdroje energie s vysokými spotřebitelskými vlastnostmi.

Uralská federální univerzita spolu s akademickými a průmyslovými partnery z Ruska a světa v současnosti realizuje šest megaprojektů, které jsou zaměřeny na průlomové oblasti vědecký výzkum. Jedním z takových projektů je „Perspektivní technologie elektrochemického energetického inženýrství od chemického návrhu nových materiálů po elektrochemická zařízení nové generace pro uchování a přeměnu energie“.

Skupina vědců Strategic Academic Unit (SAU) UrFU School of Natural Sciences and Mathematics, která zahrnuje Maxim Ananiev, se zabývá návrhem a vývojem nových materiálů a technologií, včetně palivových článků, elektrolytických článků, baterií z kovového grafenu, elektrochemického systémy pro ukládání energie a superkondenzátory.

Výzkum a vědecká práce jsou vedeny ve stálé spolupráci s Ústavem vysokoteplotní elektrochemie, Uralská pobočka Ruské akademie věd a za podpory partnerů.

Které palivové články se v současnosti vyvíjejí a mají největší potenciál?

Jedním z nejslibnějších typů palivových článků jsou protonové keramické články. Mají výhody oproti polymerním palivovým článkům s protonovou výměnnou membránou a článkům s pevným oxidem, protože mohou pracovat s přímou dodávkou uhlovodíkového paliva. To výrazně zjednodušuje konstrukci elektrárny na bázi proton-keramických palivových článků a řídicího systému, a proto zvyšuje spolehlivost provozu. Je pravda, že tento typ palivových článků je v současnosti historicky méně rozvinutý, ale moderní vědecký výzkum nám umožňuje doufat ve vysoký potenciál této technologie v budoucnu.

Jaké problémy související s palivovými články se nyní řeší na Uralské federální univerzitě?

Nyní vědci z UrFU spolu s Institutem vysokoteplotní elektrochemie (IHTE) Uralské pobočky Ruské akademie věd pracují na vytvoření vysoce účinných elektrochemických zařízení a autonomních generátorů energie pro aplikace v distribuované energii. Vytvoření elektráren pro distribuovanou energii zpočátku předpokládá vývoj hybridních systémů založených na generátoru elektrické energie a akumulačním zařízení, což jsou baterie. Palivový článek přitom pracuje neustále, zajišťuje zátěž ve špičce a v klidovém režimu dobíjí baterii, která sama může fungovat jako rezerva jak v případě vysoké spotřeby, tak v případě nouzových situací.

Chemici z Uralské federální univerzity a IHTE dosáhli největšího úspěchu ve vývoji pevných oxidových a proton-keramických palivových článků. Od roku 2016 vzniká na Uralu společně se státní korporací Rosatom první ruská výroba elektráren na bázi palivových článků na bázi pevných oxidů. Vývoj uralských vědců již prošel "terénními" testy na stanici katodické ochrany plynovodu v experimentální lokalitě Uraltransgaz LLC. Elektrárna o jmenovitém výkonu 1,5 kilowattu pracovala více než 10 tisíc hodin a prokázala vysoký potenciál pro použití takových zařízení.

V rámci společné laboratoře Uralské federální univerzity a IHTE se vyvíjejí elektrochemická zařízení na bázi protonově vodivé keramické membrány. To umožní v blízké budoucnosti snížit provozní teploty pro palivové články s pevným oxidem z 900 na 500 stupňů Celsia a upustit od předběžného reformování uhlovodíkového paliva, čímž vzniknou nákladově efektivní elektrochemické generátory schopné provozu v podmínkách rozvinutá infrastruktura dodávek plynu v Rusku.

Alexandr Dubov

Ekologie znalostí Věda a technologie: Vodíková energie je jedním z nejúčinnějších průmyslových odvětví a palivové články jí umožňují zůstat v popředí inovativních technologií.

Palivový článek je zařízení, které efektivně generuje stejnosměrný proud a teplo z paliva bohatého na vodík prostřednictvím elektrochemické reakce.

Palivový článek je podobný baterii v tom, že generuje stejnosměrný proud prostřednictvím chemické reakce. Palivový článek opět jako baterie obsahuje anodu, katodu a elektrolyt. Palivové články však na rozdíl od baterií nemohou uchovávat elektrickou energii, nevybíjejí se a nevyžadují dobíjení elektřiny. Palivové články mohou nepřetržitě vyrábět elektřinu, pokud mají zásobu paliva a vzduchu. Správný termín pro popis fungujícího palivového článku se jedná o soustavu prvků, protože pro plný provoz jsou zapotřebí některé pomocné systémy.

Na rozdíl od jiných generátorů energie, jako jsou spalovací motory nebo turbíny poháněné plynem, uhlím, ropou atd., palivové články nespalují palivo. To znamená žádné hlučné vysokotlaké rotory, žádný hlasitý hluk výfuku, žádné vibrace. Palivové články generují elektřinu tichou elektrochemickou reakcí. Další vlastností palivových článků je, že přeměňují chemickou energii paliva přímo na elektřinu, teplo a vodu.

Palivové články jsou vysoce účinné a neprodukují velké množství skleníkových plynů, jako je oxid uhličitý, metan a oxid dusný. Jedinými produkty vypouštěnými palivovými články je voda ve formě páry a malé množství oxidu uhličitého, který se při použití čistého vodíku jako paliva vůbec nevypouští. Palivové články se skládají do sestav a následně do jednotlivých funkčních modulů.

Princip činnosti palivových článků

Palivové články generují elektřinu a teplo díky probíhající elektrochemické reakci pomocí elektrolytu, katody a anody.

Anoda a katoda jsou odděleny elektrolytem, který vede protony. Poté, co vodík vstoupí na anodu a kyslík do katody, začne chemická reakce, v jejímž důsledku vzniká elektrický proud, teplo a voda. Na anodovém katalyzátoru molekulární vodík disociuje a ztrácí elektrony. Vodíkové ionty (protony) jsou vedeny elektrolytem ke katodě, zatímco elektrony procházejí elektrolytem a vnějším elektrickým obvodem a vytvářejí stejnosměrný proud, který lze použít k napájení zařízení. Na katodovém katalyzátoru se molekula kyslíku spojí s elektronem (který je dodáván z vnější komunikace) a příchozím protonem a vytvoří vodu, která je jediným reakčním produktem (ve formě páry a / nebo kapaliny).

Níže je odpovídající reakce:

Anodová reakce: 2H2 => 4H+ + 4e-
Reakce na katodě: O2 + 4H+ + 4e- => 2H2O
Obecná reakce prvků: 2H2 + O2 => 2H2O

Typy palivových článků

Podobně jako u různých typů spalovacích motorů existují různé typy palivových článků - výběr vhodného typu palivového článku závisí na jeho aplikaci.Palivové články se dělí na vysokoteplotní a nízkoteplotní. Nízkoteplotní palivové články vyžadují jako palivo relativně čistý vodík.

To často znamená, že k přeměně primárního paliva (jako je zemní plyn) na čistý vodík je zapotřebí zpracování paliva. Tento proces spotřebovává další energii a vyžaduje speciální vybavení. Vysokoteplotní palivové články tento dodatečný postup nepotřebují, protože mohou „interně přeměnit“ palivo při zvýšených teplotách, což znamená, že není třeba investovat do vodíkové infrastruktury.

Palivové prvky na roztaveném uhličitanu (MCFC).

Palivové články s roztaveným uhličitanem jsou vysokoteplotní palivové články. Vysoká provozní teplota umožňuje přímé využití zemního plynu bez palivového procesoru a palivového plynu s nízkou výhřevností z procesních paliv a dalších zdrojů. Tento proces byl vyvinut v polovině 60. let 20. století. Od té doby se výrobní technologie, výkon a spolehlivost zlepšily.

Provoz RCFC se liší od ostatních palivových článků. Tyto články využívají elektrolyt ze směsi roztavených uhličitanových solí. V současné době se používají dva typy směsí: uhličitan lithný a uhličitan draselný nebo uhličitan lithný a uhličitan sodný. Pro roztavení uhličitanových solí a dosažení vysokého stupně mobility iontů v elektrolytu pracují palivové články s roztaveným uhličitanovým elektrolytem při vysokých teplotách (650°C). Účinnost se pohybuje mezi 60-80%.

Při zahřátí na teplotu 650°C se soli stávají vodičem pro uhličitanové ionty (CO32-). Tyto ionty přecházejí z katody na anodu, kde se spojují s vodíkem za vzniku vody, oxidu uhličitého a volných elektronů. Tyto elektrony jsou poslány vnějším elektrickým obvodem zpět ke katodě a jako vedlejší produkt generují elektrický proud a teplo.

Anodová reakce: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e-
Reakce na katodě: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-
Obecná reakce prvku: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(katoda) => H2O(g) + CO2(anoda)

Palivové články s roztaveným uhličitanem jsou vhodné pro použití ve velkých stacionárních instalacích. Průmyslově jsou vyráběny tepelné elektrárny s výstupním elektrickým výkonem 2,8 MW. Vyvíjejí se elektrárny s výstupním výkonem až 100 MW.

Palivové články na bázi kyseliny fosforečné (PFC).

Palivové články na bázi kyseliny fosforečné (ortofosforečné) byly první palivové články pro komerční využití. Tento proces byl vyvinut v polovině 60. let a od 70. let byl testován. Od té doby se zvýšila stabilita, výkon a náklady.

Palivové články na bázi kyseliny fosforečné (ortofosforečné) využívají elektrolyt na bázi kyseliny ortofosforečné (H3PO4) s koncentrací až 100 %. Iontová vodivost kyseliny fosforečné je při nízkých teplotách nízká, proto se tyto palivové články používají při teplotách do 150–220 °C.

Nosičem náboje v palivových článcích tohoto typu je vodík (H+, proton). Podobný proces probíhá v protonových výměnných membránových palivových článcích (MEFC), ve kterých je vodík přiváděný k anodě štěpen na protony a elektrony. Protony procházejí elektrolytem a spojují se s kyslíkem ze vzduchu na katodě za vzniku vody. Elektrony jsou směrovány podél vnějšího elektrického obvodu a vzniká elektrický proud. Níže jsou uvedeny reakce, které generují elektřinu a teplo.

Anodová reakce: 2H2 => 4H+ + 4e-
Reakce na katodě: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O
Obecná reakce prvků: 2H2 + O2 => 2H2O

Vysoký výkon tepelných elektráren na palivové články na bázi kyseliny fosforečné (ortofosforečné) při kombinované výrobě tepla a elektřiny je jednou z výhod tohoto typu palivových článků. Závody využívají oxid uhelnatý v koncentraci asi 1,5 %, což značně rozšiřuje výběr paliva. CO2 navíc neovlivňuje elektrolyt a činnost palivového článku, tento typ článku pracuje s reformovaným přírodním palivem. Výhodou tohoto typu palivového článku je také jednoduchá konstrukce, nízká těkavost elektrolytu a zvýšená stabilita.

Průmyslově jsou vyráběny tepelné elektrárny s výstupním elektrickým výkonem do 400 kW. Zařízení pro 11 MW prošly příslušnými testy. Vyvíjejí se elektrárny s výstupním výkonem až 100 MW.

Palivové články s protonovou výměnnou membránou (PME)

Palivové články s protonovou výměnnou membránou jsou považovány za nejlepší typ palivových článků pro výrobu energie ve vozidlech, které mohou nahradit benzinové a naftové spalovací motory. Tyto palivové články byly poprvé použity NASA pro program Gemini. Dnes se vyvíjejí a předvádějí instalace na MOPFC o výkonu 1 W až 2 kW.

Tyto palivové články používají jako elektrolyt pevnou polymerní membránu (tenkou plastovou fólii). Při impregnaci vodou tento polymer prochází protony, ale nevede elektrony.

Palivem je vodík a nosičem náboje je vodíkový iont (proton). Na anodě se molekula vodíku rozdělí na vodíkový iont (proton) a elektrony. Vodíkové ionty procházejí elektrolytem ke katodě, zatímco elektrony se pohybují po vnějším kruhu a produkují elektrickou energii. Kyslík, který se odebírá ze vzduchu, se přivádí ke katodě a spojuje se s elektrony a vodíkovými ionty za vzniku vody. Na elektrodách probíhají následující reakce:

Anodová reakce: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Reakce na katodě: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Obecná reakce prvků: 2H2 + O2 => 2H2O

Ve srovnání s jinými typy palivových článků produkují palivové články s protonovou výměnnou membránou více energie pro daný objem nebo hmotnost palivového článku. Tato funkce jim umožňuje být kompaktní a lehké. Provozní teplota je navíc nižší než 100 °C, což umožňuje rychlé spuštění provozu. Tyto vlastnosti, stejně jako schopnost rychle měnit energetický výstup, jsou jen některé z vlastností, díky kterým jsou tyto palivové články hlavním kandidátem pro použití ve vozidlech.

Další výhodou je, že elektrolyt je spíše pevná než kapalná látka. Udržení plynů na katodě a anodě je snazší s pevným elektrolytem, a proto jsou takové palivové články levnější na výrobu. Oproti jiným elektrolytům nezpůsobuje použití pevného elektrolytu problémy jako je orientace, je méně problémů z důvodu výskytu koroze, což vede k delší životnosti článku a jeho součástí.

Palivové články s pevným oxidem (SOFC)

Palivové články s pevným oxidem jsou palivové články s nejvyšší provozní teplotou. Provozní teplota se může pohybovat od 600°C do 1000°C, což umožňuje použití různých druhů paliv bez speciální předúpravy. Ke zvládnutí těchto vysokých teplot se jako elektrolyt používá tenký pevný oxid kovu na keramické bázi, často slitina yttria a zirkonia, což je vodič iontů kyslíku (O2-). Technologie využití palivových článků s pevným oxidem se rozvíjí od konce 50. let 20. století. a má dvě konfigurace: rovinnou a trubkovou.

Pevný elektrolyt zajišťuje hermetický přechod plynu z jedné elektrody na druhou, zatímco kapalné elektrolyty jsou umístěny v porézním substrátu. Nosičem náboje v palivových článcích tohoto typu je kyslíkový iont (О2-). Na katodě jsou molekuly kyslíku ze vzduchu odděleny na kyslíkový iont a čtyři elektrony. Kyslíkové ionty procházejí elektrolytem a spojují se s vodíkem za vzniku čtyř volných elektronů. Elektrony jsou směrovány přes vnější elektrický obvod, generují elektrický proud a odpadní teplo.

Anodová reakce: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e-
Reakce na katodě: O2 + 4e- => 2O2-
Obecná reakce prvků: 2H2 + O2 => 2H2O

Účinnost generované elektrické energie je ze všech palivových článků nejvyšší – asi 60 %. Vysoké provozní teploty navíc umožňují kombinovanou výrobu tepla a elektřiny pro výrobu vysokotlaké páry. Spojením vysokoteplotního palivového článku s turbínou vznikne hybridní palivový článek, který zvýší účinnost výroby elektrické energie až o 70 %.

Palivové články s přímou oxidací metanolu (DOMTE)

Struktura palivových článků s přímou oxidací metanolu je podobná jako u palivových článků s proton výměnnou membránou (MOFEC), tzn. jako elektrolyt se používá polymer a jako nosič náboje iont vodíku (proton). Kapalný metanol (CH3OH) je však oxidován v přítomnosti vody na anodě, přičemž se uvolňuje CO2, vodíkové ionty a elektrony, které jsou vedeny vnějším elektrickým obvodem a vzniká elektrický proud. Vodíkové ionty procházejí elektrolytem a reagují s kyslíkem ze vzduchu a elektrony z vnějšího okruhu za vzniku vody na anodě.

Anodová reakce: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e-
Reakce na katodě: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O
Obecná reakce prvku: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O

Vývoj těchto palivových článků začal na počátku 90. let. Po vývoji vylepšených katalyzátorů a díky dalším nedávným inovacím se hustota výkonu a účinnost zvýšila až o 40 %.

Tyto prvky byly testovány v teplotním rozsahu 50-120°C. S nízkými provozními teplotami a bez potřeby konvertoru jsou přímé metanolové palivové články tím nejlepším kandidátem pro aplikace od mobilních telefonů a dalších spotřebních produktů až po automobilové motory. Výhodou tohoto typu palivových článků je jejich malá velikost, vzhledem k použití kapalného paliva, a absence nutnosti použití konvertoru.

Alkalické palivové články (AFC)

Alkalické palivové články (ALFC) jsou jednou z nejvíce studovaných technologií a používají se od poloviny 60. let. NASA v programech Apollo a Space Shuttle. Na palubě těchto kosmické lodě palivové články vyrábějí elektřinu a pití vody. Alkalické palivové články jsou jedním z nejúčinnějších prvků používaných k výrobě elektřiny, přičemž účinnost výroby energie dosahuje až 70 %.

Anodová reakce: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Reakce na katodě: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Obecná reakce systému: 2H2 + O2 => 2H2O

Výhodou SFC je, že tyto palivové články jsou nejlevnější na výrobu, protože katalyzátor potřebný na elektrodách může být jakákoliv látka, která je levnější než ty, které se používají jako katalyzátory pro jiné palivové články. SCFC navíc pracují při relativně nízké teplotě a patří mezi nejúčinnější palivové články – takové vlastnosti mohou přispívat k rychlejší výrobě energie a vysoké palivové účinnosti.

Jednou z charakteristických vlastností SFC je jeho vysoká citlivost na CO2, který může být obsažen v palivu nebo vzduchu. CO2 reaguje s elektrolytem, rychle jej otráví a výrazně snižuje účinnost palivového článku. Proto je použití SFC omezeno na uzavřené prostory, jako jsou vesmírná a podvodní vozidla, musí fungovat na čistý vodík a kyslík. Navíc molekuly jako CO, H2O a CH4, které jsou bezpečné pro jiné palivové články a dokonce palivo pro některé z nich, jsou pro SFC škodlivé.

Polymerové elektrolytické palivové články (PETE)

V případě palivových článků s polymerním elektrolytem je polymerní membrána tvořena polymerními vlákny s vodními oblastmi, ve kterých je k molekule vody připojena vodivost vodních iontů H2O+ (proton, červená). Molekuly vody představují problém kvůli pomalé výměně iontů. Proto je vyžadována vysoká koncentrace vody jak v palivu, tak na výfukových elektrodách, což omezuje provozní teplotu na 100°C.

Tuhé kyselé palivové články (SCFC)

Palivový článek s pevnou kyselinou je typicky sendvič, ve kterém je velmi tenká vrstva pevné kyselé sloučeniny vložena mezi dvě těsně stlačené elektrody, aby byl zajištěn dobrý kontakt. Při zahřátí se organická složka odpařuje, opouští póry v elektrodách, přičemž si zachovává schopnost četných kontaktů mezi palivem (nebo kyslíkem na druhém konci článku), elektrolytem a elektrodami.

Typ palivového článku	Pracovní teplota	Účinnost výroby energie	Typ paliva	Oblast použití
RKTE	550–700 °C	50-70%		Střední a velké instalace
FKTE	100–220 °C	35-40%	čistý vodík	Velké instalace
MOPTE	30-100 °C	35-50%	čistý vodík	Malé instalace
SOFC	450–1000 °C	45-70%	Většina uhlovodíkových paliv	Malé, střední a velké instalace
POMTE	20-90 °C	20-30%	methanol	Přenosné jednotky
SHTE	50–200 °C	40-65%	čistý vodík	vesmírný výzkum
PETE	30-100 °C	35-50%	čistý vodík	Malé instalace

Připojte se k nám na

Spojené státy podnikly několik iniciativ k vývoji vodíkových palivových článků, infrastruktury a technologií, aby byla vozidla s palivovými články do roku 2020 praktická a ekonomická. Na tyto účely byla vyčleněna více než jedna miliarda dolarů.

Palivové články vyrábějí elektřinu tiše a efektivně, aniž by znečišťovaly životní prostředí. Na rozdíl od zdrojů energie z fosilních paliv jsou vedlejšími produkty palivových článků teplo a voda. Jak to funguje?

V tomto článku stručně zhodnotíme každou z dnes existujících palivových technologií, pohovoříme si o konstrukci a provozu palivových článků a porovnáme je s jinými formami výroby energie. Budeme také diskutovat o některých překážkách, kterým čelí výzkumní pracovníci při vytváření praktických a dostupných palivových článků pro spotřebitele.

Palivové články jsou zařízení pro elektrochemickou přeměnu energie. Palivový článek přeměňuje chemikálie, vodík a kyslík, na vodu v procesu výroby elektřiny.

Dalším elektrochemickým zařízením, které všichni dobře známe, je baterie. Baterie má vše potřebné chemické prvky uvnitř sebe a přeměňuje tyto látky na elektřinu. To znamená, že baterie nakonec „umře“ a vy ji buď vyhodíte, nebo dobijete.

V palivovém článku jsou do něj neustále přiváděny chemikálie, aby nikdy "neumře". Elektřina se bude vyrábět tak dlouho, dokud bude proudit chemické substance do prvku. Většina dnes používaných palivových článků využívá vodík a kyslík.

Vodík je nejběžnějším prvkem v naší galaxii. Vodík však na Zemi ve své elementární podobě prakticky neexistuje. Inženýři a vědci musí extrahovat čistý vodík ze sloučenin vodíku, včetně fosilních paliv nebo vody. Chcete-li získat vodík z těchto sloučenin, musíte vynaložit energii ve formě tepla nebo elektřiny.

Vynález palivových článků

Sir William Grove vynalezl první palivový článek v roce 1839. Grove věděl, že vodu lze rozdělit na vodík a kyslík tím, že jí prochází elektrický proud (proces tzv elektrolýza). Navrhl, že v opačném pořadí by bylo možné získat elektřinu a vodu. Vytvořil primitivní palivový článek a pojmenoval ho plynová galvanická baterie. Po experimentování se svým novým vynálezem Grove svou hypotézu potvrdil. O padesát let později tento termín vymysleli vědci Ludwig Mond a Charles Langer palivové články při pokusu o vytvoření praktického modelu pro výrobu energie.

Palivový článek bude konkurovat mnoha dalším zařízením na přeměnu energie, včetně plynových turbín v městských elektrárnách, spalovacích motorů v autech a baterií všeho druhu. Spalovací motory, stejně jako plynové turbíny, hoří různé druhy palivo a využívat tlak vzniklý expanzí plynů k provádění mechanické práce. Baterie v případě potřeby přeměňují chemickou energii na elektrickou energii. Palivové články musí tyto úkoly plnit efektivněji.

Palivový článek poskytuje stejnosměrné (stejnosměrné) napětí, které lze využít k napájení elektromotorů, osvětlení a dalších elektrických spotřebičů.

Existuje několik různých typů palivových článků, z nichž každý používá jiné chemické procesy. Palivové články jsou obvykle klasifikovány podle jejich Provozní teplota a typelektrolyt, které používají. Některé typy palivových článků se dobře hodí pro použití ve stacionárních elektrárnách. Jiné mohou být užitečné pro malá přenosná zařízení nebo pro napájení automobilů. Mezi hlavní typy palivových článků patří:

Palivový článek s polymerní výměnnou membránou (PEMFC)

PEMFC je považován za nejpravděpodobnějšího kandidáta pro dopravní aplikace. PEMFC má jak vysoký výkon, tak relativně nízkou provozní teplotu (v rozmezí 60 až 80 stupňů Celsia). Nízká provozní teplota znamená, že se palivové články mohou rychle zahřát a začít vyrábět elektřinu.

Palivový článek s pevným oxidem (SOFC)

Tyto palivové články jsou nejvhodnější pro velké stacionární generátory elektrické energie, které by mohly dodávat elektřinu továrnám nebo městům. Tento typ palivových článků pracuje při velmi vysokých teplotách (700 až 1000 stupňů Celsia). Vysoká teplota je problémem spolehlivosti, protože některé palivové články mohou selhat po několika cyklech zapnutí a vypnutí. Palivové články s pevným oxidem jsou však v nepřetržitém provozu velmi stabilní. SOFC skutečně prokázaly nejdelší provozní životnost ze všech palivových článků za určitých podmínek. Vysoká teplota má také tu výhodu, že pára generovaná palivovými články může být směrována do turbín a generovat více elektřiny. Tento proces se nazývá kogenerace tepla a elektřiny a zlepšuje celkovou efektivitu systému.

Alkalický palivový článek (AFC)

Je to jedna z nejstarších konstrukcí palivových článků, používaná od 60. let minulého století. AFC jsou velmi náchylné ke znečištění, protože vyžadují čistý vodík a kyslík. Navíc jsou velmi drahé, takže tento typ palivových článků se pravděpodobně nedostane do sériové výroby.

Roztavený karbonátový palivový článek (MCFC)

Stejně jako SOFC jsou tyto palivové články také nejvhodnější pro velké stacionární elektrárny a generátory. Pracují při 600 stupních Celsia, takže mohou vytvářet páru, kterou lze zase použít k výrobě ještě většího výkonu. Mají nižší provozní teplotu než palivové články s pevným oxidem, což znamená, že nepotřebují tak žáruvzdorné materiály. Díky tomu jsou o něco levnější.

Palivový článek s kyselinou fosforečnou (PAFC)

Palivový článek s kyselinou fosforečnou má potenciál pro použití v malých stacionárních energetických systémech. Pracuje při vyšší teplotě než palivový článek s polymerovou výměnnou membránou, takže jeho zahřátí trvá déle, a proto není vhodný pro použití v automobilech.

Metanolové palivové články Přímý metanolový palivový článek (DMFC)

Metanolové palivové články jsou z hlediska provozní teploty srovnatelné s PEMFC, ale nejsou tak účinné. Navíc DMFC vyžadují poměrně hodně platiny jako katalyzátoru, což tyto palivové články prodražuje.

Palivový článek s polymerovou výměnnou membránou

Palivový článek s polymerovou výměnnou membránou (PEMFC) je jednou z nejslibnějších technologií palivových článků. PEMFC využívá jednu z nejjednodušších reakcí ze všech palivových článků. Zvažte, z čeho se skládá.

1. ALE uzel – Záporný pól palivového článku. Vede elektrony, které se uvolňují z molekul vodíku, a poté je lze použít ve vnějším obvodu. Jsou na něm vyryty kanály, kterými je plynný vodík rovnoměrně distribuován po povrchu katalyzátoru.

2.Na atom - kladná svorka palivového článku má také kanály pro distribuci kyslíku po povrchu katalyzátoru. Také vede elektrony zpět z vnějšího řetězce katalyzátoru, kde se mohou spojit s vodíkovými a kyslíkovými ionty za vzniku vody.

3.Elektrolyt-protonová výměnná membrána. Jedná se o speciálně upravený materiál, který vede pouze kladně nabité ionty a blokuje elektrony. V PEMFC musí být membrána hydratovaná, aby správně fungovala a zůstala stabilní.

4. Katalyzátor je speciální materiál, který podporuje reakci kyslíku a vodíku. Obvykle se vyrábí z platinových nanočástic nanesených velmi tence na uhlíkovém papíru nebo tkanině. Katalyzátor má takovou povrchovou strukturu, že maximální povrch platiny může být vystaven vodíku nebo kyslíku.

Obrázek ukazuje plynný vodík (H2) vstupující pod tlakem do palivového článku ze strany anody. Když molekula H2 přijde do kontaktu s platinou na katalyzátoru, rozdělí se na dva H+ ionty a dva elektrony. Elektrony procházejí anodou, kde jsou použity ve vnějším obvodu (výkon užitečná práce, jako je rotace motoru) a vraťte se na katodovou stranu palivového článku.

Mezitím na katodové straně palivového článku kyslík (O2) ze vzduchu prochází katalyzátorem, kde tvoří dva atomy kyslíku. Každý z těchto atomů má silný záporný náboj. Tento negativní náboj přitahuje dva ionty H+ přes membránu, kde se spojí s atomem kyslíku a dvěma elektrony z vnějšího obvodu za vzniku molekuly vody (H2O).

Tato reakce v jediném palivovém článku produkuje pouze přibližně 0,7 voltu. Aby se napětí zvýšilo na rozumnou úroveň, musí být zkombinováno mnoho jednotlivých palivových článků do sestavy palivových článků. Bipolární desky se používají k propojení jednoho palivového článku s druhým a procházejí oxidací s klesajícím potenciálem. Velkým problémem bipolárních desek je jejich stabilita. Kovové bipolární desky mohou zkorodovat a vedlejší produkty (ionty železa a chrómu) snižují účinnost membrán palivových článků a elektrod. Nízkoteplotní palivové články proto využívají lehké kovy, grafit a kompozitní sloučeniny uhlíku a termosetového materiálu (termosetový materiál je druh plastu, který zůstává pevný i při vystavení vysokým teplotám) ve formě bipolárního plošného materiálu.

Účinnost palivového článku

Snížení znečištění je jedním z hlavních cílů palivového článku. Porovnáním automobilu poháněného palivovým článkem s automobilem poháněným benzinovým motorem a automobilem poháněným baterií můžete zjistit, jak by palivové články mohly zlepšit účinnost automobilů.

Vzhledem k tomu, že všechny tři typy vozů mají mnoho stejných součástí, budeme tuto část vozu ignorovat a porovnáme prospěšné akce do bodu, kdy se vyrábí mechanická energie. Začněme autem s palivovými články.

Pokud je palivový článek poháněn čistým vodíkem, jeho účinnost může být až 80 procent. Přeměňuje tedy 80 procent energetického obsahu vodíku na elektřinu. Stále však musíme přeměňovat elektrickou energii na mechanickou práci. Toho je dosaženo elektromotorem a invertorem. Účinnost motoru + měniče je také přibližně 80 procent. To dává celkovou účinnost přibližně 80*80/100=64 procent. Koncepční vozidlo Honda FCX má údajně 60procentní energetickou účinnost.

Pokud zdroj paliva není ve formě čistého vodíku, pak bude vozidlo potřebovat také reformátor. Reformátoři přeměňují uhlovodíková nebo alkoholová paliva na vodík. Vytvářejí teplo a kromě vodíku produkují také CO a CO2. K čištění výsledného vodíku používají různá zařízení, ale toto čištění je nedostatečné a snižuje účinnost palivového článku. Proto se vědci rozhodli zaměřit se na palivové články pro vozidla na čistý vodík, a to i přes problémy spojené s výrobou a skladováním vodíku.

Účinnost benzínového motoru a automobilu na elektrické baterie

Účinnost auta poháněného benzínem je překvapivě nízká. Veškeré teplo, které jde ven ve formě výfukových plynů nebo je absorbováno radiátorem, je zbytečná energie. Motor také spotřebovává mnoho energie k otáčení různých čerpadel, ventilátorů a generátorů, které jej udržují v chodu. Celková účinnost automobilového benzínového motoru je tedy přibližně 20 procent. Na mechanickou práci se tak přemění pouze přibližně 20 procent obsahu tepelné energie benzínu.

Elektromobil na baterie má poměrně vysokou účinnost. Baterie má účinnost přibližně 90 procent (většina baterií vytváří určité teplo nebo vyžaduje vytápění) a účinnost motoru + měniče je přibližně 80 procent. To dává celkovou účinnost přibližně 72 procent.

Ale to není všechno. Aby se elektromobil mohl pohybovat, musí se nejprve někde vyrobit elektřina. Pokud se jednalo o elektrárnu, která využívala proces spalování fosilních paliv (spíše než jadernou, vodní, solární nebo větrnou energii), pak se na elektřinu přeměnilo jen asi 40 procent paliva spotřebovaného elektrárnou. Proces nabíjení automobilu navíc vyžaduje přeměnu střídavého proudu (AC) na stejnosměrný proud (DC). Tento proces má účinnost přibližně 90 procent.

Nyní, když se podíváme na celý cyklus, účinnost elektrického vozidla je 72 procent pro samotné auto, 40 procent pro elektrárnu a 90 procent pro nabíjení auta. To dává celkovou účinnost 26 procent. Celková účinnost se značně liší v závislosti na tom, která elektrárna se k nabíjení baterie používá. Pokud elektřinu pro automobil vyrábí například vodní elektrárna, pak bude účinnost elektromobilu zhruba 65 procent.

Vědci zkoumají a zdokonalují návrhy, aby pokračovali ve zlepšování účinnosti palivových článků. Jedním z nových přístupů je kombinace vozidel poháněných palivovými články a bateriemi. Vyvíjí se koncepční vozidlo, které bude poháněno hybridním pohonem poháněným palivovými články. K napájení vozu používá lithiovou baterii, zatímco palivový článek dobíjí baterii.

Vozidla na palivové články jsou potenciálně stejně účinná jako auto na baterie, které se nabíjí z elektrárny bez fosilních paliv. Ale dosažení takového potenciálu praktickým a přístupným způsobem může být obtížné.

Proč používat palivové články?

Hlavním důvodem je vše, co souvisí s ropou. Amerika musí dovážet téměř 60 procent své ropy. Do roku 2025 se očekává nárůst dovozu na 68 %. Američané spotřebují dvě třetiny ropy denně na přepravu. I kdyby každé auto na ulici bylo hybridním vozem, do roku 2025 by USA stále musely používat stejné množství ropy, jaké Američané spotřebovali v roce 2000. Amerika skutečně spotřebuje čtvrtinu veškeré ropy vyprodukované na světě, ačkoli zde žije pouze 4,6 % světové populace.

Odborníci očekávají, že ceny ropy budou v příštích několika desetiletích nadále růst, protože levnější zdroje budou vyschnout. Ropné společnosti by se měl rozvíjet ropná pole ve stále obtížnějších podmínkách, což způsobuje růst cen ropy.

Obavy sahají daleko za hranice ekonomické zabezpečení. Velká část výnosů z prodeje ropy jde na podporu mezinárodního terorismu, radikálních politických stran a nestabilní situace v oblastech těžící ropu.

Využívání ropy a jiných fosilních paliv pro energii produkuje znečištění. Pro každého je nejlepší najít alternativu – spalování fosilních paliv na energii.

Palivové články jsou atraktivní alternativou k závislosti na ropě. Palivové články produkují čistou vodu jako vedlejší produkt namísto znečištění. Zatímco se inženýři dočasně zaměřili na výrobu vodíku z různých fosilních zdrojů, jako je benzín nebo zemní plyn, v budoucnu se zkoumají obnovitelné, k životnímu prostředí šetrné způsoby výroby vodíku. Nejslibnější bude samozřejmě proces získávání vodíku z vody.

Závislost na ropě a globální oteplování je mezinárodní problém. Několik zemí se společně podílí na vývoji výzkumu a vývoje technologie palivových článků.

Je zřejmé, že před vědci a výrobci čeká spousta práce, než se palivové články stanou alternativou. moderní metody výroba energie. A přesto, s podporou celého světa a globální spoluprací, se životaschopný energetický systém založený na palivových článcích může stát za pár desetiletí realitou.

ZVONEK

Historie vývoje palivových článků/článků

Jak fungují palivové články/články

Typy a rozmanitost palivových článků/článků

Palivové články/články na roztaveném uhličitanu (MCFC)

Palivové články/články na bázi kyseliny fosforečné (PFC)

Palivové články/články s pevným oxidem (SOFC)

Palivové články/články s přímou oxidací metanolu (DOMTE)

Alkalické palivové články/články (AFC)

Polymerové elektrolytové palivové články/články (PETE)

Tuhé kyselé palivové články/články (SCFC)

Různé moduly palivových článků. baterie s palivovými články

Srovnávací analýza typů a variant palivových článků

Aplikace palivového článku/článku

Aplikace palivových článků/článků v telekomunikačních systémech

Aplikace palivových článků/článků v komunikačních sítích

Aplikace palivových článků/článků v datových sítích

Aplikace palivových článků/článků v bezpečnostních systémech

Aplikace palivových článků/článků při vytápění domácností a výrobě elektřiny

Aplikace palivových článků/článků v distribučních sítích

Využití palivových článků k ochraně životního prostředí – Využití přidruženého ropného plynu

Chemie jako zdroj elektřiny

Dobíjecí

Pevný elektrolyt

Vodíkové palivové články

Účinnost palivového článku

Alternativní elektrochemické skladování

* * *

Princip činnosti palivových článků

Vynález palivových článků

Palivový článek s polymerní výměnnou membránou (PEMFC)

Palivový článek s pevným oxidem (SOFC)

Alkalický palivový článek (AFC)

Roztavený karbonátový palivový článek (MCFC)

Palivový článek s kyselinou fosforečnou (PAFC)

Palivový článek s polymerovou výměnnou membránou

Účinnost palivového článku

Účinnost benzínového motoru a automobilu na elektrické baterie

Proč používat palivové články?

Přečtěte si také

Hrady ve středověké Evropě Hrad je budova (nebo komplex budov), která kombinuje obytné a obranné úkoly.

Prezentace "Na rytířském hradě" Prezentace k hodině dějepisu (6. ročník) na dané téma

Prezentace na téma "Jak vidím budoucnost"

ZVONEK