Fenntartható technológiák bemutatása: üzemanyagcellák. üzemanyagcellák

Az üzemanyagcellák/cellák előnyei

benzintank/ cella egy olyan eszköz, amely elektrokémiai reakcióval hatékonyan állít elő egyenáramot és hőt hidrogénben gazdag üzemanyagból.

Az üzemanyagcella abban hasonlít az akkumulátorhoz, hogy kémiai reakción keresztül egyenáramot állít elő. Az üzemanyagcella anódot, katódot és elektrolitot tartalmaz. Az akkumulátorokkal ellentétben azonban az üzemanyagcellák/cellák nem tárolhatók elektromos energia, ne merítse le és nincs szükség áramra az újratöltéshez. Az üzemanyagcellák/cellák folyamatosan képesek villamos energiát termelni mindaddig, amíg rendelkeznek üzemanyaggal és levegővel.

Ellentétben más áramfejlesztőkkel, például a motorokkal belső égés vagy gázzal, szénnel, olajjal stb. működő turbinák, az üzemanyagcellák/cellák nem égetnek üzemanyagot. Ez azt jelenti, hogy nincsenek zajos nagynyomású rotorok, nincs hangos kipufogó zaj, nincs vibráció. Az üzemanyagcellák/cellák csendes elektrokémiai reakcióval termelnek áramot. Az üzemanyagcellák/cellák másik jellemzője, hogy az üzemanyag kémiai energiáját közvetlenül elektromos árammá, hővé és vízzé alakítják.

Az üzemanyagcellák rendkívül hatékonyak, és nem termelnek nagy mennyiségű üvegházhatású gázt, például szén-dioxidot, metánt és dinitrogén-oxidot. Az egyetlen termék, amely a működés során kibocsátott, a víz gőz formájában és kis mennyiségű szén-dioxid, amely egyáltalán nem bocsát ki, ha tiszta hidrogént használnak üzemanyagként. Az üzemanyagcellákat/cellákat szerelvényekké, majd egyedi funkcionális modulokká szerelik össze.

Az üzemanyagcella/cella fejlesztés története

Az 1950-es és 1960-as években az egyik legnagyobb kihívás az üzemanyagcellák számára az Egyesült Államok Nemzeti Repülési és Űrkutatási Hivatalának (NASA) hosszú távú űrmissziókhoz szükséges energiaforrásaiból fakadt. A NASA Alkaline Fuel Cell/Cell hidrogént és oxigént használ üzemanyagként, és a kettőt elektrokémiai reakcióban egyesíti. A kimenet a reakció három mellékterméke, amelyek hasznosak az űrrepülésben: elektromos áram az űrhajó energiaellátásához, víz az ivó- és hűtőrendszerekhez, valamint hő, hogy melegen tartsa az űrhajósokat.

Az üzemanyagcellák felfedezése a 19. század elejére nyúlik vissza. Az üzemanyagcellák hatásának első bizonyítékát 1838-ban szerezték meg.

Az 1930-as évek végén megkezdődtek a lúgos tüzelőanyag-cellák munkálatai, és 1939-re megépítettek egy nagynyomású nikkelezett elektródákat használó cellát. A második világháború alatt üzemanyagcellákat/cellákat fejlesztettek ki a brit haditengerészet tengeralattjáróihoz, és 1958-ban egy alig több mint 25 cm átmérőjű lúgos üzemanyagcellákból/cellákból álló üzemanyag-kazettát vezettek be.

Az 1950-es és 1960-as években, valamint az 1980-as években megnőtt az érdeklődés. ipari világ hiányt tapasztalt kőolajból. Ugyanebben az időszakban a világ országai is aggódtak a levegőszennyezés problémája miatt, és megfontolták a környezetbarát villamos energia előállításának módjait. Jelenleg az üzemanyagcella/cella technológia gyors fejlődésen megy keresztül.

Hogyan működnek az üzemanyagcellák/cellák

Az üzemanyagcellák/cellák áramot és hőt termelnek egy folyamatban lévő elektrokémiai reakció során, elektrolit, katód és anód felhasználásával.

Az anódkatalizátoron a molekuláris hidrogén disszociál és elektronokat veszít. A hidrogénionokat (protonokat) az elektroliton keresztül a katódhoz vezetik, míg az elektronokat az elektroliton és egy külső elektromos áramkörön keresztül vezetik át, és egyenáramot hoznak létre, amely a berendezések táplálására használható. A katódkatalizátoron egy oxigénmolekula egyesül egy elektronnal (amely külső kommunikációból származik) és egy bejövő protonnal, és vizet képez, amely az egyetlen reakciótermék (gőz és/vagy folyadék formájában).

Alább látható a megfelelő reakció:

Anód reakció: 2H 2 => 4H+ + 4e -
Reakció a katódon: O 2 + 4H+ + 4e - => 2H 2 O
Általános elemreakció: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Az üzemanyagcellák/cellák típusai és változatossága

Csakúgy, mint a belső égésű motorok különböző típusai, az üzemanyagcellák különböző típusai – a választás megfelelő típus az üzemanyagcella alkalmazásától függ.

Az üzemanyagcellákat magas hőmérsékletre és alacsony hőmérsékletre osztják. Az alacsony hőmérsékletű üzemanyagcellák viszonylag tiszta hidrogént igényelnek üzemanyagként. Ez gyakran azt jelenti, hogy üzemanyag-feldolgozásra van szükség ahhoz, hogy az elsődleges tüzelőanyagot (például földgázt) tiszta hidrogénné alakítsák. Ez a folyamat további energiát fogyaszt, és speciális felszerelést igényel. A magas hőmérsékletű üzemanyagcelláknak nincs szükségük erre a további eljárásra, mivel magas hőmérsékleten képesek "belsőleg átalakítani" az üzemanyagot, ami azt jelenti, hogy nincs szükség hidrogén-infrastruktúrába való beruházásra.

Üzemanyagcellák/cellák olvadt karbonáton (MCFC)

Az olvadt karbonát elektrolit üzemanyagcellák magas hőmérsékletű üzemanyagcellák. A magas üzemi hőmérséklet lehetővé teszi a földgáz közvetlen felhasználását üzemanyag-feldolgozó és alacsony fűtőértékű tüzelőgáz nélkül termelési folyamatokés más forrásokból.

Az RCFC működése eltér a többi üzemanyagcellától. Ezek a cellák olvadt karbonátsók keverékéből származó elektrolitot használnak. Jelenleg kétféle keveréket használnak: lítium-karbonátot és kálium-karbonátot vagy lítium-karbonátot és nátrium-karbonátot. A karbonátsók megolvasztásához és eléréséhez magas fokozat ionok mobilitása az elektrolitban, az olvadt karbonát elektrolittal rendelkező üzemanyagcellák magas hőmérsékleten (650°C) működnek. A hatásfok 60-80% között változik.

650°C-ra hevítve a sók a karbonátionok (CO 3 2-) vezetőjévé válnak. Ezek az ionok a katódról az anódra jutnak, ahol hidrogénnel egyesülve vizet, szén-dioxidot és szabad elektronokat képeznek. Ezeket az elektronokat egy külső elektromos áramkörön keresztül visszaküldik a katódra, és melléktermékként elektromos áramot és hőt állítanak elő.

Anód reakció: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Reakció a katódon: CO 2 + 1/2O 2 + 2e - => CO 3 2-
Általános elemreakció: H 2 (g) + 1/2O 2 (g) + CO 2 (katód) => H 2 O (g) + CO 2 (anód)

Az olvadt karbonát elektrolit üzemanyagcellák magas üzemi hőmérséklete bizonyos előnyökkel jár. Magas hőmérsékleten a földgáz belülről megreformálódik, így nincs szükség üzemanyag-feldolgozóra. Ezenkívül az előnyök közé tartozik, hogy az elektródákon szabványos anyagokat, például rozsdamentes acéllemezt és nikkelkatalizátort lehet használni. A hulladékhő felhasználható nagynyomású gőz előállítására különféle ipari és kereskedelmi alkalmazásokhoz.

Az elektrolit magas reakcióhőmérsékletének is megvannak a maga előnyei. A magas hőmérséklet alkalmazása hosszú ideig tart az optimális működési feltételek eléréséhez, és a rendszer lassabban reagál az energiafogyasztás változásaira. Ezek a jellemzők lehetővé teszik az olvadt karbonát elektrolitot tartalmazó üzemanyagcellás rendszerek használatát állandó teljesítmény mellett. A magas hőmérséklet megakadályozza, hogy a szén-monoxid károsítsa az üzemanyagcellát.

Az olvadt karbonát üzemanyagcellák alkalmasak nagy, helyhez kötött létesítményekben való használatra. A 3,0 MW kimenő villamos teljesítményű hőerőműveket iparilag gyártják. Legfeljebb 110 MW kimenő teljesítményű erőművek fejlesztése folyik.

Foszforsav (PFC) alapú üzemanyagcellák/cellák

A foszforsav (ortofoszforsav) alapú üzemanyagcellák voltak az első üzemanyagcellák kereskedelmi használatra.

A foszforsav (ortofoszforsav) alapú üzemanyagcellák ortofoszforsav (H 3 PO 4) alapú elektrolitot használnak, amelynek koncentrációja akár 100%. A foszforsav ionvezetőképessége alacsony hőmérsékleten alacsony, ezért ezeket az üzemanyagcellákat 150-220°C-ig használják.

Az ilyen típusú üzemanyagcellák töltéshordozója a hidrogén (H+, proton). Hasonló folyamat megy végbe a protoncserélő membrán üzemanyagcellákban is, amelyek során az anódhoz juttatott hidrogén protonokra és elektronokra bomlik. A protonok áthaladnak az elektroliton, és a katódon a levegőből származó oxigénnel egyesülve vizet képeznek. Az elektronokat egy külső elektromos áramkör mentén irányítják, és elektromos áram keletkezik. Az alábbiakban bemutatjuk azokat a reakciókat, amelyek elektromosságot és hőt termelnek.

Reakció az anódon: 2H 2 => 4H + + 4e -
Reakció a katódon: O 2 (g) + 4H + + 4e - \u003d\u003e 2 H 2 O
Általános elemreakció: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

A foszforsav (ortofoszforsav) alapú üzemanyagcellák hatékonysága több mint 40% elektromos energia előállítása során. A kombinált hő- és villamosenergia-termelésben a teljes hatásfok körülbelül 85%. Ezenkívül adott üzemi hőmérsékleten a hulladékhő felhasználható víz melegítésére és légköri nyomású gőz előállítására.

Az ilyen típusú tüzelőanyagcellák egyik előnye a foszforsav (ortofoszfor)sav alapú tüzelőanyag-cellás hőerőművek nagy teljesítménye a hő és villamos energia kombinált előállításában. Az üzemek körülbelül 1,5%-os koncentrációban használnak szén-monoxidot, ami nagymértékben bővíti az üzemanyag választékot. Ezenkívül a CO 2 nem befolyásolja az elektrolitot és az üzemanyagcella működését, ez a típusú cella reformált természetes üzemanyaggal működik. Egyszerű kialakítás, az alacsony elektrolit illékonyság és a megnövekedett stabilitás szintén az ilyen típusú üzemanyagcellák előnyei.

Az 500 kW-ig terjedő villamos teljesítményű hőerőműveket iparilag gyártják. A 11 MW-os létesítmények megfeleltek a vonatkozó teszteknek. Legfeljebb 100 MW kimenő teljesítményű erőművek fejlesztése folyik.

Szilárd oxid üzemanyagcellák/cellák (SOFC)

A szilárd oxid üzemanyagcellák a legmagasabb üzemi hőmérsékletű üzemanyagcellák. Az üzemi hőmérséklet 600°C és 1000°C között változhat, ami lehetővé teszi különféle típusú üzemanyagok használatát speciális előkezelés nélkül. E magas hőmérsékletek kezelésére az elektrolit vékony kerámia alapú szilárd fém-oxid, gyakran ittrium és cirkónium ötvözete, amely oxigén (O 2-) ionok vezetője.

A szilárd elektrolit hermetikus gázátmenetet biztosít egyik elektródáról a másikra, míg a folyékony elektrolitok porózus hordozóban helyezkednek el. Az ilyen típusú üzemanyagcellák töltéshordozója az oxigénion (O 2-). A katódon az oxigénmolekulák a levegőtől egy oxigénionra és négy elektronra válnak el. Az oxigénionok áthaladnak az elektroliton, és a hidrogénnel egyesülve négy szabad elektront képeznek. Az elektronokat egy külső elektromos áramkörön keresztül irányítják, elektromos áramot és hulladékhőt termelve.

Reakció az anódon: 2H 2 + 2O 2- => 2H 2 O + 4e -
Reakció a katódon: O 2 + 4e - \u003d\u003e 2O 2-
Általános elemreakció: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

A megtermelt elektromos energia hatásfoka az összes tüzelőanyagcella közül a legmagasabb - körülbelül 60-70%. A magas üzemi hőmérséklet lehetővé teszi a kombinált hő- és villamosenergia-termelést nagynyomású gőz előállítására. A magas hőmérsékletű tüzelőanyag-cella és a turbina kombinálása egy hibrid üzemanyagcellát hoz létre, amely akár 75%-kal növeli az energiatermelés hatékonyságát.

A szilárd oxid üzemanyagcellák nagyon magas hőmérsékleten (600°C-1000°C) működnek, így hosszú időre van szükség az optimális működési feltételek eléréséhez, és a rendszer lassabban reagál az energiafogyasztás változásaira. Ilyen magas üzemi hőmérsékleten nincs szükség konverterre a hidrogén visszanyeréséhez a tüzelőanyagból, ami lehetővé teszi, hogy a hőerőmű viszonylag szennyezett tüzelőanyaggal működjön a szénelgázosításból vagy a füstgázokból és hasonlókból. Ezenkívül ez az üzemanyagcella kiválóan alkalmas nagy teljesítményű alkalmazásokhoz, beleértve az ipari és nagy központi erőműveket. Iparilag gyártott modulok 100 kW kimenő elektromos teljesítménnyel.

Üzemanyagcellák/cellák közvetlen metanol-oxidációval (DOMTE)

A metanol közvetlen oxidációjával működő üzemanyagcellák alkalmazásának technológiája aktív fejlesztési időszakon megy keresztül. Sikeresen megállja a helyét a mobiltelefonok, laptopok táplálása, valamint a hordozható áramforrások létrehozása terén. mire irányul ezen elemek jövőbeni alkalmazása.

A metanol direkt oxidációjával rendelkező üzemanyagcellák szerkezete hasonló a protoncserélő membránnal (MOFEC) rendelkező üzemanyagcellákhoz, pl. elektrolitként polimert, töltéshordozóként hidrogéniont (protont) használnak. A folyékony metanol (CH 3 OH) azonban az anódnál víz jelenlétében oxidálódik, CO 2 , hidrogénionok és elektronok szabadulnak fel, amelyeket egy külső elektromos áramkörön keresztül vezetnek, és elektromos áram keletkezik. A hidrogénionok áthaladnak az elektroliton, és reakcióba lépnek a levegő oxigénjével és a külső áramkör elektronjaival, hogy vizet képezzenek az anódon.

Reakció az anódon: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Reakció a katódon: 3/2O 2 + 6 H + + 6e - => 3H 2 O
Általános elemreakció: CH 3 OH + 3/2O 2 => CO 2 + 2H 2 O

Az ilyen típusú üzemanyagcellák előnye a kis méretük a folyékony tüzelőanyag felhasználása miatt, valamint a konverter használatának hiánya.

Alkáli üzemanyagcellák/cellák (AFC)

Az alkáli tüzelőanyagcellák az egyik leghatékonyabb villamosenergia-termelési elem, az energiatermelés hatékonysága eléri a 70%-ot.

Az alkáli tüzelőanyag-cellák elektrolitot, azaz kálium-hidroxid vizes oldatát használnak, amely porózus, stabilizált mátrixban található. A kálium-hidroxid koncentrációja az üzemanyagcella üzemi hőmérsékletétől függően változhat, amely 65°C és 220°C között van. Az SFC töltéshordozója egy hidroxidion (OH-), amely a katódról az anódra mozog, ahol hidrogénnel reagálva vizet és elektronokat termel. Az anódon keletkező víz visszakerül a katódra, és ott ismét hidroxidionokat generál. Az üzemanyagcellában lezajló reakciósorozat eredményeként villamos energia és melléktermékként hő keletkezik:

Reakció az anódon: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reakció a katódon: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4 OH -
A rendszer általános reakciója: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Az SFC-k előnye, hogy ezeket az üzemanyagcellákat a legolcsóbban előállítani, mivel az elektródákon szükséges katalizátor bármely olyan anyag lehet, amely olcsóbb, mint a többi üzemanyagcella katalizátora. Az SCFC-k viszonylag alacsony hőmérsékleten működnek, és a leghatékonyabb üzemanyagcellák közé tartoznak – ezek a jellemzők hozzájárulhatnak a gyorsabb energiatermeléshez és a magas üzemanyag-hatékonysághoz.

Az SHTE egyik jellemző tulajdonsága a nagy érzékenysége a CO 2 -re, amelyet az üzemanyag vagy a levegő tartalmazhat. A CO 2 reakcióba lép az elektrolittal, gyorsan megmérgezi, és nagymértékben csökkenti az üzemanyagcella hatékonyságát. Ezért az SFC-k használata zárt terekre korlátozódik, például űr- és víz alatti járművekre, tiszta hidrogénnel és oxigénnel kell működniük. Sőt, az olyan molekulák, mint a CO, a H 2 O és a CH4, amelyek biztonságosak más üzemanyagcellák számára, sőt némelyikük üzemanyaga is, károsak az SFC-kre.

Polimer elektrolit üzemanyagcellák/cellák (PETE)

A polimer elektrolit üzemanyagcellák esetében a polimer membrán polimer szálakból áll, vizes régiókkal, amelyekben vízionok (a vízmolekulához kapcsolódó H 2 O + (proton, vörös)) vezetnek. A vízmolekulák problémát jelentenek a lassú ioncsere miatt. Ezért mind az üzemanyagban, mind a kipufogóelektródákon magas vízkoncentrációra van szükség, ami az üzemi hőmérsékletet 100°C-ra korlátozza.

Szilárd savas üzemanyagcellák/cellák (SCFC)

A szilárd savas üzemanyagcellákban az elektrolit (CsHSO 4 ) nem tartalmaz vizet. Az üzemi hőmérséklet tehát 100-300°C. Az SO 4 2-oxi-anionok forgása lehetővé teszi a protonok (vörös) mozgását az ábrán látható módon. A szilárd savas tüzelőanyag-cella általában olyan szendvics, amelyben egy nagyon vékony réteg szilárd savvegyületet helyeznek el két szorosan összenyomott elektróda közé a jó érintkezés biztosítása érdekében. Melegítéskor a szerves komponens elpárolog, és az elektródák pórusain keresztül távozik, megtartva az üzemanyag (vagy a cella másik végén lévő oxigén), az elektrolit és az elektródák közötti számos érintkezési képességet.

Különféle üzemanyagcellás modulok. üzemanyagcellás akkumulátor

Üzemanyagcellás akkumulátor
Egyéb magas hőmérsékletű berendezések (beépített gőzfejlesztő, égéstér, hőegyensúly-váltó)
Hőálló szigetelés

üzemanyagcellás modul

Az üzemanyagcellák típusainak és fajtáinak összehasonlító elemzése

Az innovatív energiatakarékos települési hő- és erőművek jellemzően szilárd oxid üzemanyagcellákra (SOFC), polimer elektrolit üzemanyagcellákra (PEFC), foszforsavas üzemanyagcellákra (PCFC), protoncserélő membrán üzemanyagcellákra (MPFC) és lúgos üzemanyagcellákra épülnek ( APFC-k). Általában a következő jellemzőkkel rendelkeznek:

A legmegfelelőbbnek a szilárd oxid üzemanyagcellákat (SOFC) kell elismerni, amelyek:

magasabb hőmérsékleten működik, ami csökkenti a drága nemesfémek (például platina) szükségességét
különböző típusú szénhidrogén üzemanyagokkal, főként földgázzal működhet
van több időt kezdődően, ezért alkalmasabbak hosszú távra
demonstrálja az energiatermelés magas hatékonyságát (akár 70%)
a magas üzemi hőmérsékletnek köszönhetően az egységek hővisszanyerő rendszerekkel kombinálhatók, így a teljes rendszer hatásfoka akár 85%
közel nulla károsanyag-kibocsátásúak, csendesen működnek, és a meglévő energiatermelési technológiákhoz képest alacsonyak az üzemeltetési követelmények

Üzemanyagcella típus	Üzemhőmérséklet	Energiatermelési hatékonyság	Üzemanyagtípus	Alkalmazási terület
RKTE	550-700°C	50-70%		Közepes és nagy telepítések
FKTE	100-220°C	35-40%	tiszta hidrogén	Nagy telepítések
MOPTE	30-100 °C	35-50%	tiszta hidrogén	Kisebb telepítések
SOFC	450-1000°C	45-70%	A legtöbb szénhidrogén üzemanyag	Kis, közepes és nagy telepítések
POMTE	20-90 °C	20-30%	metanol	Hordozható
SHTE	50-200°C	40-70%	tiszta hidrogén	űrkutatás
PETE	30-100 °C	35-50%	tiszta hidrogén	Kisebb telepítések

Mivel a kis hőerőművek hagyományos gázellátó hálózatra csatlakoztathatók, az üzemanyagcellák nem igényelnek külön hidrogénellátó rendszert. Szilárd oxid tüzelőanyag-cellás kisméretű hőerőművek alkalmazásakor a megtermelt hő hőcserélőkbe integrálható a víz és a szellőzőlevegő fűtésére, növelve a rendszer általános hatásfokát. Ez innovatív technológia a legalkalmasabb a hatékony energiatermeléshez anélkül, hogy költséges infrastruktúrára és bonyolult műszerintegrációra lenne szükség.

Üzemanyagcellás/cella alkalmazások

Üzemanyagcellák/cellák alkalmazása távközlési rendszerekben

A vezeték nélküli kommunikációs rendszerek világszerte történő gyors elterjedésével, valamint a mobiltelefon-technológia növekvő társadalmi és gazdasági előnyeivel a megbízható és költséghatékony tartalék energia iránti igény kritikussá vált. A rossz időjárás, a természeti katasztrófák vagy a korlátozott hálózati kapacitás miatti egész éves hálózati veszteségek állandó kihívást jelentenek a hálózatüzemeltetők számára.

A hagyományos telekommunikációs tartalékmegoldások közé tartoznak az akkumulátorok (szeleppel szabályozott ólom-savas akkumulátorcellák) a rövid távú tartalék energiaellátáshoz, valamint a dízel- és propángenerátorok a hosszabb tartalékteljesítmény érdekében. Az akkumulátorok viszonylag olcsó tartalék energiaforrást jelentenek 1-2 órán keresztül. Az akkumulátorok azonban nem alkalmasak hosszabb tartalékolási időszakra, mert költséges karbantartásuk, hosszú használat után megbízhatatlanná válnak, érzékenyek a hőmérsékletre és életveszélyesek. környezetártalmatlanítás után. A dízel- és propángenerátorok folyamatos tartalék áramellátást biztosíthatnak. A generátorok azonban megbízhatatlanok lehetnek, kiterjedt karbantartást igényelnek, és nagy mennyiségű szennyező anyagot és üvegházhatású gázt bocsátanak ki a légkörbe.

A hagyományos tartalék energiaellátási megoldások korlátainak kiküszöbölése érdekében innovatív zöld üzemanyagcellás technológiát fejlesztettek ki. Az üzemanyagcellák megbízhatóak, csendesek, kevesebb mozgó alkatrészt tartalmaznak, mint egy generátor, üzemi hőmérséklet-tartományuk szélesebb, mint az akkumulátoré, -40°C és +50°C között, és ennek köszönhetően rendkívül magas energiamegtakarítást biztosítanak. Ezenkívül egy ilyen üzem élettartama alatti költsége alacsonyabb, mint egy generátoré. Az alacsonyabb üzemanyagcella-költségek csak évi egyszeri karbantartási látogatásnak és jelentősen magasabb üzemi termelékenységnek köszönhetők. Végül is az üzemanyagcella környezetbarát technológiai megoldás minimális környezeti hatással.

Az üzemanyagcellás egységek tartalék tápellátást biztosítanak a kritikus kommunikációs hálózati infrastruktúrák számára vezeték nélküli, állandó és szélessávú a távközlési rendszerben, 250 W és 15 kW között, számos páratlan innovatív funkciót kínálnak:

MEGBÍZHATÓSÁG– Kevés mozgó alkatrész és nincs készenléti kisülés
ENERGIATAKARÉKOS
CSEND- alacsony zajszint
STABILITÁS– működési tartomány -40°C és +50°C között
ALKALMAZHATÓSÁG– kültéri és beltéri beépítés (konténer/védőkonténer)
NAGY TELJESÍTMÉNYŰ– 15 kW-ig
ALACSONY KARBANTARTÁSI IGÉNY– minimális éves karbantartás
GAZDASÁG- vonzó teljes birtoklási költség
TISZTA ENERGIA– alacsony károsanyag-kibocsátás minimális környezeti hatással

A rendszer folyamatosan érzékeli az egyenáramú busz feszültségét, és zökkenőmentesen fogadja a kritikus terheléseket, ha az egyenáramú busz feszültsége egy felhasználó által meghatározott alapjel alá esik. A rendszer hidrogénnel működik, amely kétféle módon jut be az üzemanyagcella-kötegbe – vagy kereskedelmi hidrogénforrásból, vagy folyékony üzemanyagból, metanolból és vízből, egy fedélzeti reformáló rendszer segítségével.

A villamos energiát az üzemanyagcella köteg egyenáram formájában állítja elő. Az egyenáram egy átalakítóba kerül, amely a tüzelőanyagcella-köteg szabályozatlan egyenáramát kiváló minőségű, szabályozott egyenárammá alakítja a szükséges terhelésekhez. Az üzemanyagcellás telepítés több napig is tartalék energiát biztosíthat, mivel az időtartamot csak a raktáron lévő hidrogén vagy metanol/víz üzemanyag mennyisége korlátozza.

Az üzemanyagcellák kiemelkedő energiahatékonyságot, megnövelt rendszer-megbízhatóságot, kiszámíthatóbb teljesítményt kínálnak az éghajlati viszonyok széles tartományában, és megbízható élettartamot kínálnak az ipari szabvány szeleppel szabályozott ólom-savas akkumulátorokhoz képest. Az életciklus költségei is alacsonyabbak a lényegesen kevesebb karbantartási és csereigény miatt. Az üzemanyagcellák környezeti előnyöket kínálnak a végfelhasználóknak, mivel az ólomsavcellákkal kapcsolatos ártalmatlanítási költségek és felelősségi kockázatok egyre nagyobb aggodalomra adnak okot.

Az elektromos akkumulátorok teljesítményét számos tényező hátrányosan befolyásolhatja, például a töltési szint, a hőmérséklet, a ciklusok, az élettartam és más változók. A szolgáltatott energia ezektől a tényezőktől függően változik, és nem könnyű megjósolni. A protoncserélő membrán üzemanyagcella (PEMFC) teljesítményét ezek a tényezők viszonylag nem befolyásolják, és mindaddig kritikus teljesítményt tud biztosítani, amíg üzemanyag áll rendelkezésre. A megnövelt kiszámíthatóság fontos előnyt jelent, ha az üzemanyagcellákra váltanak a kritikus tartalékenergia-alkalmazások esetében.

Az üzemanyagcellák csak akkor termelnek energiát, ha tüzelőanyagot szolgáltatnak, mint például egy gázturbinás generátor, de nincsenek mozgó alkatrészeik a termelési zónában. Ezért a generátorral ellentétben nincsenek kitéve gyors kopásnak, és nem igényelnek állandó karbantartást és kenést.

Az Extended Duration Fuel Converter meghajtásához használt üzemanyag metanol és víz keveréke. A metanol egy széles körben elérhető, kereskedelemben előállított üzemanyag, amely jelenleg számos alkalmazási területtel rendelkezik, beleértve a szélvédőmosót, műanyag palackok, motoradalékok, emulziós festékek. A metanol könnyen szállítható, vízzel elegyedik, biológiailag jól lebontható és kénmentes. Alacsony fagyponttal rendelkezik (-71°C), hosszú tárolás során sem bomlik el.

Üzemanyagcellák/cellák alkalmazása kommunikációs hálózatokban

A biztonsági hálózatok megbízható tartalék energiamegoldásokat igényelnek, amelyek vészhelyzet esetén órákig vagy napokig is kitartanak, ha az elektromos hálózat elérhetetlenné válik.

A kevés mozgó alkatrésznek és a készenléti teljesítménycsökkentésnek köszönhetően az innovatív üzemanyagcellás technológia vonzó megoldást kínál a jelenleg elérhető tartalék energiaellátó rendszerekhez képest.

Az üzemanyagcellás technológia kommunikációs hálózatokban való használatának legnyomósabb oka a megnövekedett általános megbízhatóság és biztonság. Az olyan események során, mint például áramkimaradások, földrengések, viharok és hurrikánok, fontos, hogy a rendszerek továbbra is működjenek, és hosszú ideig megbízható tartalék áramellátással rendelkezzenek, függetlenül a tartalék áramellátási rendszer hőmérsékletétől vagy korától.

Az üzemanyagcellás tápegységek választéka ideális a biztonságos kommunikációs hálózatok támogatásához. Energiatakarékos tervezési elveiknek köszönhetően környezetbarát, megbízható tartalék teljesítményt biztosítanak hosszabb ideig (akár több napig) 250 W és 15 kW közötti teljesítménytartományban.

Üzemanyagcellák/cellák alkalmazása adathálózatokban

Az adathálózatok, például a nagy sebességű adathálózatok és a száloptikai gerinchálózatok megbízható tápellátása kulcsfontosságú az egész világon. Az ilyen hálózatokon továbbított információk kritikus adatokat tartalmaznak olyan intézmények számára, mint a bankok, légitársaságok vagy egészségügyi központok. Az ilyen hálózatok áramkimaradása nem csak veszélyt jelent továbbított információ, hanem általában jelentős anyagi veszteségekhez is vezet. A készenléti áramellátást biztosító, megbízható, innovatív üzemanyagcellás berendezések biztosítják a megszakítás nélküli áramellátáshoz szükséges megbízhatóságot.

A metanol és víz folyékony tüzelőanyag-keverékével működő üzemanyagcellás egységek megbízható tartalék áramellátást biztosítanak hosszabb ideig, akár több napig is. Ezen túlmenően ezeknek az egységeknek a karbantartási igénye jelentősen csökken a generátorokhoz és akkumulátorokhoz képest, és évente csak egy karbantartási látogatást igényel.

Tipikus alkalmazási jellemzők az üzemanyagcellás berendezések adathálózatokban történő használatához:

Alkalmazások 100 W és 15 kW közötti bemeneti teljesítménnyel
Alkalmazások követelményekkel elem élettartam> 4 óra
Átjátszók száloptikai rendszerekben (szinkron digitális rendszerek hierarchiája, nagy sebességű internet, IP-n keresztüli hang…)
A nagy sebességű adatátvitel hálózati csomópontjai
WiMAX átviteli csomópontok

Az üzemanyagcellás készenléti telepítések számos előnnyel rendelkeznek a kritikus adathálózati infrastruktúrák számára a hagyományos akkumulátoros vagy dízelgenerátorokkal szemben, lehetővé téve a fokozott helyszíni kihasználást:

A folyékony üzemanyag-technológia megoldja a hidrogéntárolás problémáját, és gyakorlatilag korlátlan tartalék energiát biztosít.
Halk működésüknek, kis súlyuknak, szélsőséges hőmérsékleti ellenállásuknak és gyakorlatilag vibrációmentes működésüknek köszönhetően az üzemanyagcellák kültéren, ipari helyiségekben/konténerekben vagy háztetőkre szerelhetők.
A rendszer használatának helyszíni előkészítése gyors és gazdaságos, az üzemeltetés költsége alacsony.
Az üzemanyag biológiailag lebomló, és környezetbarát megoldást jelent a városi környezet számára.

Üzemanyagcellák/cellák alkalmazása biztonsági rendszerekben

A leggondosabban megtervezett épületbiztonsági és kommunikációs rendszerek csak annyira megbízhatóak, amennyire áramellátást biztosítanak. Míg a legtöbb rendszer tartalmaz valamilyen tartalék szünetmentes áramellátó rendszert a rövid távú áramkimaradások esetére, nem biztosítják a természeti katasztrófák vagy terrortámadások után előforduló hosszabb áramkimaradásokat. Ez számos vállalati és kormányzati szerv számára kritikus probléma lehet.

Az olyan létfontosságú rendszerek, mint a CCTV felügyeleti és beléptető rendszerek (személyi kártya olvasók, ajtózáró eszközök, biometrikus azonosítási technológia stb.), automatikus tűzjelző és tűzoltó rendszerek, liftvezérlő rendszerek és távközlési hálózatok veszélyben vannak, ha nincs megbízható alternatív folyamatos áramforrás.

A dízelgenerátorok zajosak, nehezen lokalizálhatók, és jól ismertek megbízhatóságukról és karbantartás. Ezzel szemben az üzemanyagcellás tartalék telepítés csendes, megbízható, nulla vagy nagyon alacsony károsanyag-kibocsátású, és könnyen felszerelhető a tetőre vagy az épületen kívülre. Készenléti üzemmódban nem merül le, és nem veszíti el az áramellátást. Biztosítja a kritikus rendszerek folyamatos működését az intézmény működésének megszűnése és az épület elhagyása után is.

Az innovatív üzemanyagcellás berendezések megvédik a költséges beruházásokat a kritikus alkalmazásokban. Környezetbarát, megbízható tartalék teljesítményt nyújtanak hosszabb ideig (akár több napig) a 250 W-tól 15 kW-ig terjedő teljesítménytartományban, számos felülmúlhatatlan tulajdonsággal és különösen magas szintű energiamegtakarítással kombinálva.

Az üzemanyagcellás tartalék egységek számos előnnyel rendelkeznek az olyan kritikus alkalmazásokhoz, mint például a biztonsági és épületfelügyeleti rendszerek a hagyományos akkumulátoros vagy dízelgenerátorokhoz képest. A folyékony üzemanyag-technológia megoldja a hidrogéntárolás problémáját, és gyakorlatilag korlátlan tartalék energiát biztosít.

Üzemanyagcellák/cellák alkalmazása háztartási fűtésben és villamosenergia-termelésben

A szilárd oxid üzemanyagcellákat (SOFC) megbízható, energiahatékony és károsanyag-kibocsátásmentes hőerőművek építésére használják, amelyek villamos energiát és hőt termelnek széles körben elérhető földgázból és megújuló üzemanyagforrásokból. Ezeket az innovatív egységeket a legkülönfélébb piacokon alkalmazzák, a hazai áramtermeléstől a távoli területek áramellátásáig, valamint a kiegészítő áramforrásokig.

Üzemanyagcellák/cellák alkalmazása elosztó hálózatokban

A kis hőerőműveket úgy tervezték, hogy egy központi erőmű helyett nagyszámú kis generátoregységből álló elosztott villamosenergia-termelő hálózatban működjenek.

Az alábbi ábra az energiatermelés hatékonyságának csökkenését mutatja, amikor azt CHP-erőműben állítják elő, és a hagyományos átviteli hálózatokon keresztül továbbítják az otthonokba. Ebben a pillanatban. A körzeti termelés hatékonysági veszteségei közé tartoznak az erőműből származó veszteségek, a kis- és nagyfeszültségű átvitel, valamint az elosztási veszteségek.

Az ábra a kis hőerőművek integrációjának eredményeit mutatja: a felhasználás helyén akár 60%-os termelési hatásfokkal állítják elő a villamos energiát. Emellett a háztartás felhasználhatja az üzemanyagcellák által termelt hőt víz- és helyiségfűtésre, ami növeli az üzemanyag-energia-feldolgozás általános hatékonyságát és javítja az energiamegtakarítást.

Üzemanyagcellák használata a környezet védelmében – A kapcsolódó kőolajgáz hasznosítása

Az olajipar egyik legfontosabb feladata a kapcsolódó kőolajgáz hasznosítása. A kapcsolódó kőolajgáz hasznosításának jelenlegi módszerei számos hátránnyal járnak, amelyek közül a legfontosabb, hogy gazdaságilag nem életképesek. A kapcsolódó kőolajgázt fáklyázzák, ami nagy károkat okoz a környezetre és az emberi egészségre.

A kapcsolódó kőolajgázt tüzelőanyagként használó innovatív tüzelőanyagcellás hő- és erőművek utat nyitnak a kapcsolódó kőolajgáz-hasznosítás problémáinak radikális és költséghatékony megoldásához.

Az üzemanyagcellás berendezések egyik fő előnye, hogy megbízhatóan és fenntarthatóan működhetnek a kapcsolódó berendezéseken kőolajgáz változó összetételű. Az üzemanyagcella működésének alapjául szolgáló lángmentes kémiai reakció miatt például a metán százalékos arányának csökkenése csak a kimenő teljesítmény megfelelő csökkenését okozza.
Rugalmasság a fogyasztók elektromos terhelésével, differenciálművel, terhelési túlfeszültséggel kapcsolatban.
A hőerőművek tüzelőanyagcellás telepítéséhez és csatlakoztatásához azok megvalósítása nem igényel beruházást, mert Az egységek könnyen felszerelhetők a szántóföld közelében, előkészítetlen helyekre, könnyen kezelhetők, megbízhatóak és hatékonyak.
A magas szintű automatizálás és a modern távvezérlés nem igényli a személyzet állandó jelenlétét az üzemben.
A tervezés egyszerűsége és műszaki tökéletessége: a mozgó alkatrészek hiánya, a súrlódás, a kenőrendszerek jelentős gazdasági előnyöket biztosítanak az üzemanyagcellás berendezések üzemeltetéséből.
Vízfogyasztás: +30 °C-ig nincs környezeti hőmérsékleten, magasabb hőmérsékleten pedig elhanyagolható.
Vízkimenet: nincs.
Ráadásul az üzemanyagcellás hőerőművek nem adnak zajt, nem rezegnek, nem bocsátanak ki káros anyagokat a légkörbe

Ezeket az Egyesült Államok Nemzeti Repülési és Űrhivatalának (NASA) űrrepülőgépei üzemeltetik. Ezek biztosítják az Omaha-i First National Bank számítógépeinek áramellátását. Néhány chicagói nyilvános városi buszon használják.

Ezek mind üzemanyagcellák. Az üzemanyagcellák olyan elektrokémiai eszközök, amelyek égési folyamat nélkül termelnek áramot – kémiai úton, hasonlóan az akkumulátorokhoz. Az egyetlen különbség az, hogy más vegyszereket, hidrogént és oxigént használnak, és a kémiai reakció terméke víz. Földgáz is használható, de természetesen bizonyos szintű szén-dioxid-kibocsátás elkerülhetetlen szénhidrogén üzemanyagok használatakor.

Mivel az üzemanyagcellák nagy hatékonysággal és káros kibocsátások nélkül működhetnek, nagy ígéretekkel bírnak fenntartható energiaforrásként, amely segít csökkenteni az üvegházhatású gázok és más szennyező anyagok kibocsátását. Az üzemanyagcellák széles körben elterjedt használatának fő akadálya azok magas költsége más elektromos áramot termelő vagy járműveket meghajtó eszközökhöz képest.

A fejlődés története

Az első üzemanyagcellákat Sir William Groves mutatta be 1839-ben. Groves kimutatta, hogy az elektrolízis folyamata - a víz elektromos áram hatására hidrogénné és oxigénné történő felosztása - reverzibilis. Vagyis a hidrogén és az oxigén kémiailag egyesíthető elektromossággá.

Miután ez bebizonyosodott, sok tudós rohant szorgalmasan tanulmányozni az üzemanyagcellákat, de a tizenkilencedik század második felében a belső égésű motor feltalálása és az olajkészletek kitermelésére szolgáló infrastruktúra fejlesztése messze elmaradt az üzemanyagcellák fejlesztésétől. Még inkább korlátozza az üzemanyagcellák fejlesztését a magas költségek.

Az üzemanyagcellák fejlesztésének felfutása az 1950-es években következett be, amikor a NASA hozzájuk fordult egy kompakt elektromos generátor szükségessége miatt az űrrepülésekhez. Megfelelő pénzeszközöket fektettek be, és ennek eredményeként az Apollo és a Gemini repüléseit üzemanyagcellákkal hajtották végre. Az űrhajók üzemanyagcellákkal is működnek.

Az üzemanyagcellák még mindig nagyrészt kísérleti technológia, de már több cég értékesíti őket a kereskedelmi piacon. Csak az elmúlt közel tíz évben jelentős előrelépés történt a kereskedelmi üzemanyagcellás technológia terén.

Hogyan működik az üzemanyagcella

Az üzemanyagcellák olyanok, mint az akkumulátorok – kémiai reakciók során áramot termelnek. Ezzel szemben a belső égésű motorok tüzelőanyagot égetnek el, és így hőt termelnek, ami aztán mechanikai energiává alakul. Hacsak a kipufogógázokból származó hőt nem használják fel valamilyen módon (például fűtésre vagy légkondicionálásra), akkor elmondható, hogy a belső égésű motorok hatásfoka meglehetősen alacsony. Például várható, hogy az üzemanyagcellák hatásfoka, ha járműben használják őket – ez a projekt jelenleg fejlesztés alatt áll – több mint kétszer olyan hatékony lesz, mint a mai, tipikus autókban használt benzinmotoroké.

Bár mind az akkumulátorok, mind az üzemanyagcellák kémiai úton termelnek elektromosságot, két nagyon eltérő funkciót látnak el. Az akkumulátorok tárolt energiaeszközök: az általuk termelt elektromosság a bennük lévő anyagok kémiai reakciójának eredménye. Az üzemanyagcellák nem tárolják az energiát, hanem a kívülről szállított tüzelőanyagból származó energia egy részét alakítják át elektromos árammá. Ebből a szempontból az üzemanyagcella inkább egy hagyományos erőműhöz hasonlít.

Számos különböző típusú üzemanyagcella létezik. A legegyszerűbb üzemanyagcella egy speciális membránból áll, amelyet elektrolitnak neveznek. A por alakú elektródákat a membrán mindkét oldalán helyezik el. Ez a kialakítás - két elektródával körülvett elektrolit - külön elem. A hidrogén az egyik oldalra (anód), az oxigén (levegő) a másik oldalra (katód) áramlik. Minden elektródának más a kémiai reakciója.

Az anódnál a hidrogén protonok és elektronok keverékére bomlik. Egyes üzemanyagcellákban az elektródákat általában platinából vagy más nemesfémből készült katalizátor veszi körül, amely elősegíti a disszociációs reakciót:

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

H2 = kétatomos hidrogénmolekula, forma, in

amelyben a hidrogén gázként van jelen;

H+ = ionizált hidrogén, azaz. proton;

e- = elektron.

Az üzemanyagcella működése azon alapul, hogy az elektrolit protonokat enged át magán (a katód felé), de az elektronok nem. Az elektronok a katód felé mozognak a külső vezetőkör mentén. Ez az elektronmozgás olyan elektromos áram, amely az üzemanyagcellához csatlakoztatott külső eszköz, például villanymotor vagy izzó táplálására használható. Ezt az eszközt általában "terhelésnek" nevezik.

Az üzemanyagcella katód oldalán a protonok (amelyek áthaladtak az elektroliton) és az elektronok (amelyek áthaladtak a külső terhelésen) „rekombinálódnak”, és reakcióba lépnek a katódba juttatott oxigénnel, így víz, H2O keletkezik:

4H+ + 4e- + O2 ==> 2H2O.

Az üzemanyagcellában az általános reakció a következőképpen írható:

2H2 + O2 ==> 2H2O.

Munkájuk során az üzemanyagcellák hidrogént és a levegőből származó oxigént használnak fel. A hidrogént közvetlenül vagy külső tüzelőanyag-forrástól, például földgáztól, benzintől vagy metanoltól való leválasztással lehet szállítani. Külső forrás esetén kémiailag kell átalakítani a hidrogén kinyeréséhez. Ezt a folyamatot "reformálásnak" nevezik. A hidrogén ammóniából, alternatív forrásokból, például városi hulladéklerakókból és gáztisztító üzemekből származó gázból is nyerhető. Szennyvíz, valamint a víz elektrolízisével, amelynek során elektromosságot használnak fel a víz hidrogénné és oxigénné történő lebontására. Jelenleg a közlekedésben használt üzemanyagcellás technológiák többsége metanolt használ.

Különféle eszközöket fejlesztettek ki az üzemanyag reformálására, hogy hidrogént állítsanak elő üzemanyagcellákhoz. Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma kifejlesztett egy üzemanyag-üzemet egy benzinreformer belsejében, amely egy önálló üzemanyagcellát hidrogénnel lát el. Az egyesült államokbeli Pacific Northwest National Laboratory kutatói egy kompakt üzemanyag-reformert mutattak be, amely egytizede egy tápegység méretének. Az amerikai közszolgáltató, a Northwest Power Systems és a Sandia National Laboratory bemutatott egy üzemanyag-reformálót, amely a dízelüzemanyagot hidrogénné alakítja át üzemanyagcellákhoz.

Egyenként az üzemanyagcellák körülbelül 0,7-1,0 voltot termelnek. A feszültség növelése érdekében az elemeket "kaszkádba" állítják össze, azaz. soros csatlakozás. Nagyobb áram létrehozása érdekében a kaszkádelem-készleteket párhuzamosan csatlakoztatják. Ha kombinálja az üzemanyagcellás kaszkádokat egy üzemanyaggyárral, egy levegőellátó és hűtőrendszerrel, valamint egy vezérlőrendszerrel, akkor üzemanyagcellás motort kap. Ez a motor képes vezetni jármű, helyhez kötött erőmű vagy hordozható elektromos generátor6. Az üzemanyagcellás motorok az alkalmazástól, az üzemanyagcella típusától és a felhasznált üzemanyagtól függően többféle méretben kaphatók. Például az omahai bankban telepített négy különálló 200 kW-os helyhez kötött erőmű mindegyike megközelítőleg akkora, mint egy kamion utánfutó.

Alkalmazások

Az üzemanyagcellák helyhez kötött és mobil eszközökben is használhatók. Az Egyesült Államok szigorodó károsanyag-kibocsátási szabályozására válaszul az autógyártók, köztük a DaimlerChrysler, a Toyota, a Ford, a General Motors, a Volkswagen, a Honda és a Nissan kísérleteztek és mutattak be üzemanyagcellás járműveket. Az első kereskedelmi üzemanyagcellás járművek várhatóan 2004-ben vagy 2005-ben kerülnek az utakra.

Az üzemanyagcellás technológia történetének jelentős mérföldköve volt, amikor 1993 júniusában bemutatták a Ballard Power System egy 90 kilowattos hidrogén üzemanyagcellás motorral felszerelt, 32 láb hosszú városi buszát. Azóta sokan különböző típusokés különböző generációs üzemanyagcellás személygépjárművek hajtják különböző típusoküzemanyag. 1996 vége óta három hidrogén üzemanyagcellás golfkocsit használnak a kaliforniai Palm Desertben. Az Illinois állambeli Chicago útjain; Brit Columbia, Vancouver; és Oslo, Norvégia üzemanyagcellás városi buszokat tesztel. Lúgos üzemanyagcellás taxikat tesztelnek London utcáin.

Az üzemanyagcellás technológiát alkalmazó helyhez kötött létesítményeket is bemutatják, de még nem használják széles körben. kereskedelmi alkalmazás. A First National Bank of Omaha Nebraska államban üzemanyagcellás rendszert használ a számítógépek áramellátására, mivel a rendszer megbízhatóbb, mint a régi, akkumulátoros tartalékkal ellátott hálózati rendszer. A legnagyobb a világon kereskedelmi rendszer hamarosan egy 1,2 MW-os üzemanyagcellát telepítenek egy alaszkai levelezőközpontba. Az üzemanyagcellás laptopokat, a szennyvíztisztítókban használt vezérlőrendszereket és az automatákat is tesztelik és demonstrálják.

"Érvek és ellenérvek"

Az üzemanyagcelláknak számos előnye van. Míg a modern belsőégésű motorok hatásfoka mindössze 12-15%, addig az üzemanyagcelláknál ez az együttható 50%. Az üzemanyagcellák hatásfoka továbbra is jó szinten maradhat magas szint, még akkor is, ha nem teljes névleges teljesítménnyel használják őket, ami jelentős előny a benzinmotorokhoz képest.

Az üzemanyagcellás kialakítás moduláris jellege azt jelenti, hogy az üzemanyagcellás erőmű kapacitása néhány további fokozat hozzáadásával növelhető. Ez biztosítja, hogy a kapacitáskihasználtsági tényező minimálisra csökken, ami lehetővé teszi a kereslet és a kínálat jobb összehangolását. Mivel az üzemanyagcella-köteg hatékonyságát az egyes cellák teljesítménye határozza meg, a kis tüzelőanyagcellás erőművek ugyanolyan hatékonyan működnek, mint a nagyok. Emellett a helyhez kötött üzemanyagcellás rendszerek hulladékhője felhasználható víz- és helyiségfűtésre, tovább növelve az energiahatékonyságot.

Az üzemanyagcellák használatakor gyakorlatilag nincs káros kibocsátás. Amikor a motor tiszta hidrogénnel működik, csak hő és tiszta vízgőz keletkezik melléktermékként. Tehát az űrhajókon az űrhajósok vizet isznak, amely a fedélzeti üzemanyagcellák működésének eredményeként keletkezik. A kibocsátások összetétele a hidrogénforrás természetétől függ. A metanol használata nulla nitrogén-oxid- és szén-monoxid-kibocsátást eredményez, és csak csekély szénhidrogén-kibocsátást eredményez. A kibocsátás növekszik, ahogy a hidrogénről a metanolra áttérünk a benzinre, bár a kibocsátás még benzin esetén is meglehetősen alacsony marad. Mindenesetre a mai hagyományos belső égésű motorok üzemanyagcellás cseréje a CO2- és NOx-kibocsátás általános csökkenését eredményezné.

Az üzemanyagcellák alkalmazása biztosítja az energetikai infrastruktúra rugalmasságát, megteremtve további jellemzők decentralizált energiatermeléshez. A decentralizált energiaforrások sokasága lehetővé teszi az átviteli veszteségek csökkentését és az energiaértékesítési piacok fejlesztését (ami különösen fontos a távoli és vidéki területeken, ahol nincs vezetékes hozzáférés). Az üzemanyagcellák segítségével az egyes lakók vagy városrészek saját maguk biztosíthatják az áram nagy részét, és ezzel jelentősen növelhetik a felhasználás hatékonyságát.

Az üzemanyagcellák energiát kínálnak Jó minőségés megnövekedett megbízhatóság. Strapabíróak, nincsenek mozgó alkatrészeik, és állandó teljesítményt adnak.

Az üzemanyagcellás technológiát azonban tovább kell fejleszteni a teljesítmény javítása, a költségek csökkentése és ezáltal az üzemanyagcellák más energiatechnológiákkal szembeni versenyképessége érdekében. Megjegyzendő, hogy az energiatechnológiák költségjellemzőinek mérlegelésekor az összes komponens alapján összehasonlítást kell végezni. technológiai jellemzők beleértve a működési tőkeköltségeket, a szennyezőanyag-kibocsátást, az energiaminőséget, a tartósságot, a leszerelést és a rugalmasságot.

Bár a hidrogéngáz a legjobb üzemanyag, ehhez még nem létezik infrastruktúra vagy közlekedési bázis. Rövid távon a meglévő fosszilis tüzelőanyag-ellátó rendszereket (benzinkutak stb.) fel lehetne használni arra, hogy az erőműveket benzin, metanol vagy földgáz formájában hidrogénforrással látják el. Ez megszüntetné a dedikált hidrogéntöltő állomások szükségességét, de minden járművet fel kell szerelni egy fosszilis tüzelőanyag-hidrogén átalakítóval ("reformer"). Ennek a megközelítésnek az a hátránya, hogy fosszilis tüzelőanyagokat használ, és így szén-dioxid-kibocsátást eredményez. A jelenleg vezető jelölt metanol kevesebb károsanyag-kibocsátással jár, mint a benzin, de nagyobb űrtartalmú tartályra lenne szükség egy autóban, mert kétszer annyi helyet foglal el ugyanazon energiatartalom mellett.

Ellentétben a fosszilis tüzelőanyag-ellátó rendszerekkel, a nap- és szélenergia rendszerek (amelyek vízből hidrogént és oxigént állítanak elő elektromos árammal) és a közvetlen fotokonverziós rendszerek (félvezető anyagokat vagy enzimeket használnak a hidrogén előállítására) képesek hidrogént szolgáltatni reformálási lépés nélkül, és így ily módon a kibocsátások. A metanol vagy benzin üzemanyagcellák használatakor észlelhető káros anyagok elkerülése elkerülhető lenne. A hidrogén tárolható és szükség szerint elektromos árammá alakítható az üzemanyagcellában. A jövőben az üzemanyagcelláknak az ilyen típusú megújuló energiaforrásokhoz való csatlakoztatása valószínűleg hatékony stratégia lesz a produktív, környezetbarát és sokoldalú energiaforrás biztosítására.

Az IEER ajánlásai szerint a helyi, állami és állami kormányzatok közlekedési beszerzési költségvetésük egy részét üzemanyagcellás járművekre és helyhez kötött üzemanyagcellás rendszerekre fordítsák, hogy hőt és villamos energiát biztosítsanak egyes alapvető vagy új épületeik számára. Ez hozzájárul a létfontosságú technológia fejlesztéséhez és csökkenti az üvegházhatású gázok kibocsátását.

NÁL NÉL modern élet kémiai áramforrások vesznek körül minket mindenhol: ezek az elemek a zseblámpákban, az elemek a benne mobiltelefonok, hidrogén üzemanyagcellák, amelyeket már használnak egyes járművekben. Az elektrokémiai technológiák rohamos fejlődése oda vezethet, hogy a közeljövőben a benzinmotoros autók helyett csak elektromos járművek vesznek körül bennünket, a telefonok már nem fogynak ki gyorsan, minden háznak saját üzemanyagcellája lesz. elektromos generátor. Az Uráli Szövetségi Egyetem és az Orosz Tudományos Akadémia Uráli Fiókjának Magas Hőmérsékletű Elektrokémiai Intézetének egyik közös programja, amellyel ezt a cikket publikáljuk, az elektrokémiai tárolók és az áramfejlesztők hatékonyságának növelésére irányul. .

Manapság sokféle akkumulátor létezik, amelyek között egyre nehezebb eligazodni. Korántsem világos mindenki számára, hogy miben különbözik az akkumulátor a szuperkondenzátortól, és miért használható a hidrogén üzemanyagcella anélkül, hogy félne a környezet károsításától. Ebben a cikkben arról lesz szó, hogy a kémiai reakciókat hogyan használják fel az elektromos áram előállítására, mi a különbség a modern kémiai áramforrások fő típusai között, és milyen távlatok nyílnak meg az elektrokémiai energia előtt.

A kémia mint áramforrás

Először is nézzük meg, hogy miért lehet egyáltalán kémiai energiát felhasználni elektromos áram előállítására. A helyzet az, hogy a redox reakciókban az elektronok két különböző ion között kerülnek átadásra. Ha a kémiai reakció két felét térben úgy választjuk el egymástól, hogy az oxidáció és a redukció egymástól elkülönülve megy végbe, akkor megbizonyosodhatunk arról, hogy az egyik ionról leszakadó elektron nem rögtön a másodikra esik, hanem előbb. előre meghatározott úton halad. Ez a reakció elektromos áram forrásaként használható.

Ezt a koncepciót először Luigi Galvani olasz fiziológus alkalmazta a 18. században. A hagyományos galvánelem működése a különböző aktivitású fémek redukciós és oxidációs reakcióin alapul. Például a klasszikus cella egy galvánelem, amelyben a cink oxidálódik és a réz redukálódik. A redukciós és oxidációs reakció a katódon, illetve az anódon megy végbe. És hogy a réz- és cinkionok ne kerüljenek "idegen területre", ahol közvetlenül reagálhatnak egymással, általában egy speciális membránt helyeznek az anód és a katód közé. Ennek eredményeként potenciálkülönbség keletkezik az elektródák között. Ha például az elektródákat egy izzóval csatlakoztatja, akkor az áram elkezd folyni a keletkező elektromos áramkörben, és az izzó kigyullad.

A galvánelem diagramja

Wikimedia Commons

A kémiai áramforrás fontos eleme az anód és a katód anyagain kívül az elektrolit, amelyen belül ionok mozognak, és amelynek határán az elektródákkal minden elektrokémiai reakció lezajlik. Ebben az esetben az elektrolitnak nem kell folyékonynak lennie - lehet polimer és kerámia is.

A galvánelem fő hátránya a korlátozott működési idő. Amint a reakció véget ér (vagyis a teljes fokozatosan feloldódó anód teljesen elfogy), egy ilyen elem egyszerűen leáll.

Ujj alkáli elemek

Újratölthető

Az első lépés a vegyi áramforrások képességeinek bővítése felé egy akkumulátor létrehozása volt – egy olyan áramforrás, amely újratölthető és így újra felhasználható. Ehhez a tudósok egyszerűen reverzibilis kémiai reakciók alkalmazását javasolták. Az akkumulátor első teljes lemerülése után külső áramforrás segítségével a benne lezajlott reakció az ellenkező irányba indítható. Ez visszaállítja az eredeti állapotot, így az akkumulátor újratöltés után újra használható.

Autóipari ólomsavas akkumulátor

A mai napig számos különféle típusú akkumulátort hoztak létre, amelyek különböznek a bennük lezajló kémiai reakciók típusától. A leggyakoribb akkumulátortípusok az ólom-savas (vagy egyszerűen ólom) akkumulátorok, amelyek az ólom oxidációs-redukciós reakcióján alapulnak. Az ilyen eszközök meglehetősen hosszú élettartamúak, energiafogyasztásuk kilogrammonként akár 60 wattóra is lehet. Az utóbbi időben még népszerűbbek a lítium-redox reakción alapuló lítium-ion akkumulátorok. A modern lítium-ion akkumulátorok energiaintenzitása ma már meghaladja a 250 wattórát kilogrammonként.

Li-ion akkumulátor mobiltelefonhoz

A lítium-ion akkumulátorok fő problémája az alacsony hőmérsékleten való alacsony hatásfok, a gyors öregedés és a fokozott robbanékonyság. És mivel a fém lítium nagyon aktívan reagál a vízzel, hidrogéngáz keletkezik, és oxigén szabadul fel, amikor az akkumulátor ég, a lítium-ion akkumulátor spontán égése nagyon nehéz a hagyományos tűzoltási módszerekkel. Az ilyen akkumulátorok biztonságának javítása és töltési idejének felgyorsítása érdekében a tudósok olyan katódanyagot javasolnak, amely megakadályozza a dendrites lítium struktúrák kialakulását, és olyan anyagokat ad az elektrolithoz, amelyek robbanásveszélyes szerkezeteket képeznek, és olyan alkatrészeket, amelyek a korai szakaszban meggyulladnak. .

Szilárd elektrolit

Az akkumulátorok hatékonyságának és biztonságának javításának egy másik kevésbé nyilvánvaló módjaként a vegyészek azt javasolták, hogy ne korlátozzák magukat a kémiai energiaforrásokban lévő folyékony elektrolitokra, hanem egy teljesen szilárdtestű energiaforrást hozzanak létre. Az ilyen eszközökben egyáltalán nincsenek folyékony komponensek, hanem egy szilárd anód, egy szilárd katód és egy szilárd elektrolit réteges szerkezete van közöttük. Az elektrolit ugyanakkor ellátja a membrán funkcióját. A szilárd elektrolitban a töltéshordozók különféle ionok lehetnek, az összetételtől, valamint az anódon és a katódon lejátszódó reakcióktól függően. De ezek mindig elég kicsi ionok, amelyek viszonylag szabadon mozoghatnak a kristályon, például H + protonok, Li + lítium ionok vagy O 2 - oxigén ionok.

Hidrogén üzemanyagcellák

Az újratöltési képesség és a speciális biztonsági intézkedések az akkumulátorokat sokkal ígéretesebb áramforrássá teszik, mint a hagyományos akkumulátorok, de ennek ellenére minden akkumulátor korlátozott mennyiségű reagenst tartalmaz, ezért korlátozott az energiaellátás, és minden alkalommal újra kell tölteni az akkumulátort. teljesítményének folytatásához.

Az akkumulátor „végtelenné” tételéhez energiaforrásként nem azokat az anyagokat lehet használni, amelyek a cellában vannak, hanem a speciálisan átszivattyúzott üzemanyagot. A legjobb az egészben, hogy a lehető legegyszerűbb összetételű, környezetbarát és a Földön bőségesen elérhető anyag a legalkalmasabb ilyen üzemanyagként.

A legalkalmasabb ilyen típusú anyag a hidrogéngáz. Légköri oxigénnel vízzé történő oxidációja (a 2H 2 + O 2 → 2H 2 O reakció szerint) egyszerű redox reakció, áramforrásként az ionok közötti elektrontranszport is használható. Az ebben az esetben lezajló reakció egyfajta fordított reakció a víz elektrolízis reakciójához (amelyben elektromos áram hatására a víz oxigénre és hidrogénre bomlik), és először javasoltak ilyen sémát század közepe.

De annak ellenére, hogy az áramkör meglehetősen egyszerűnek tűnik, egy hatékony eszköz létrehozása ezen az elven egyáltalán nem triviális feladat. Ehhez el kell választani az oxigén és a hidrogén áramlását a térben, biztosítani kell a szükséges ionok elszállítását az elektroliton, és csökkenteni kell az esetleges energiaveszteségeket a működés minden szakaszában.

Hidrogén üzemanyagcella működésének sematikus diagramja

A működő hidrogén üzemanyagcella sémája nagyon hasonló a kémiai áramforrás sémájához, de további csatornákat tartalmaz az üzemanyag és az oxidálószer ellátására, valamint a reakciótermékek és a feleslegben szállított gázok eltávolítására. Az ilyen elemben lévő elektródák porózus, vezetőképes katalizátorok. Az anódhoz gáznemű tüzelőanyagot (hidrogént), a katódra oxidálószert (levegő oxigénjét) juttatnak, és az egyes elektródák és az elektrolit határán saját félreakció megy végbe (az oxidáció hidrogén és oxigén redukciója). Ebben az esetben az üzemanyagcella típusától és az elektrolit típusától függően maga a vízképződés akár az anód-, akár a katódtérben mehet végbe.

Toyota hidrogén üzemanyagcellás

Joseph Brent / flickr

Ha az elektrolit protonvezető polimer vagy kerámia membrán, sav vagy lúg oldat, akkor az elektrolit töltéshordozója hidrogénion. Ebben az esetben a molekuláris hidrogén az anódnál hidrogénionokká oxidálódik, amelyek áthaladnak az elektroliton, és ott reakcióba lépnek az oxigénnel. Ha az oxigénion O 2– a töltéshordozó, mint egy szilárd oxid-elektrolit esetében, akkor az oxigén a katódon ionná redukálódik, ez az ion áthalad az elektroliton és az anódon oxidálja a hidrogént, így víz keletkezik és szabaddá válik. elektronok.

Az üzemanyagcellák hidrogén-oxidációs reakcióján kívül más típusú reakciók alkalmazását is javasolták. Például a hidrogén helyett a redukáló tüzelőanyag lehet metanol, amelyet az oxigén szén-dioxiddá és vízzé oxidál.

Üzemanyagcella-hatékonyság

A hidrogén üzemanyagcellák minden előnye ellenére (például környezetbarátság, gyakorlatilag korlátlan hatásfok, kompakt méret és nagy energiaintenzitás) számos hátrányuk is van. Ide tartozik mindenekelőtt az alkatrészek fokozatos öregedése és a hidrogén tárolásának nehézségei. A tudósok manapság ezen hiányosságok kiküszöbölésén dolgoznak.

Jelenleg az üzemanyagcellák hatásfokának növelését javasolják az elektrolit összetételének, a katalizátor elektróda tulajdonságainak, valamint a rendszer geometriájának megváltoztatásával (ami biztosítja a tüzelőanyag-gázok kívánt pontig történő ellátását, és csökkenti a mellékhatásokat). A hidrogéngáz tárolási problémájának megoldására platinatartalmú anyagokat használnak, amelyek telítésére például grafén membránokat alkalmaznak.

Ennek eredményeként az üzemanyagcella stabilitása és egyes alkatrészeinek élettartama megnövekszik. Most az ilyen cellákban a kémiai energia elektromos energiává alakításának együtthatója eléri a 80 százalékot, és bizonyos feltételek mellett még magasabb is lehet.

A hidrogénenergia hatalmas kilátásai azzal a lehetőséggel járnak, hogy az üzemanyagcellákat egész akkumulátorokká kombinálják, és azokat nagy teljesítményű elektromos generátorokká alakítják. A hidrogén-üzemanyagcellákkal működő elektromos generátorok jelenleg is akár több száz kilowatt teljesítményűek, és járművek áramforrásaként szolgálnak.

Alternatív elektrokémiai tárolás

A klasszikus elektrokémiai áramforrások mellett szokatlanabb rendszereket is alkalmaznak energiatárolóként. Az egyik ilyen rendszer egy szuperkondenzátor (vagy ionisztor) - olyan eszköz, amelyben a töltés szétválása és felhalmozódása kettős réteg képződése miatt következik be a töltött felület közelében. Az elektróda-elektrolit határfelületen egy ilyen készülékben a különböző előjelű ionok két rétegben, az úgynevezett "kettős elektromos rétegben" sorakoznak fel, egyfajta nagyon vékony kondenzátort alkotva. Egy ilyen kondenzátor kapacitását, vagyis a felhalmozott töltés mennyiségét az elektróda anyagának fajlagos felülete határozza meg, ezért előnyös a maximális fajlagos felületű porózus anyagokat venni anyagként. szuperkondenzátorok.

Az ionisztorok bajnokok a töltés-kisütési kémiai áramforrások között a töltési sebesség tekintetében, ami kétségtelen előnye az ilyen típusú készülékeknek. Sajnos a kisülési sebesség tekintetében is rekorderek. Az ionisztorok energiasűrűsége nyolcszor kisebb, mint az ólom akkumulátoroké, és 25-ször kisebb, mint a lítium-ionoké. A klasszikus "kétrétegű" ionisztorok magjában nem alkalmaznak elektrokémiai reakciót, és a "kondenzátor" kifejezést a legpontosabban rájuk alkalmazzák. Az ionisztorok azon változataiban azonban, amelyek elektrokémiai reakción alapulnak, és a töltés felhalmozódása az elektróda mélységéig terjed, nagyobb kisülési időket lehet elérni a gyors töltési sebesség fenntartása mellett. A szuperkondenzátorok fejlesztőinek erőfeszítései olyan akkumulátorokkal rendelkező hibrid eszközök létrehozására irányulnak, amelyek egyesítik a szuperkondenzátorok előnyeit, elsősorban a magas töltési sebességet, valamint az akkumulátorok előnyeit - nagy energiaintenzitást és hosszú kisütési időt. Képzeljen el a közeljövőben egy ionisztor akkumulátort, amely néhány perc alatt feltöltődik, és egy laptopot vagy okostelefont egy napig vagy tovább táplál!

Annak ellenére, hogy a szuperkondenzátorok energiasűrűsége még mindig többszöröse az akkumulátorok energiasűrűségének, ezeket használják a fogyasztói elektronikaés különféle járművek motorjaihoz, beleértve a legtöbbet is.

* * *

Így manapság nagyszámú elektrokémiai eszköz létezik, amelyek mindegyike ígéretes a sajátos alkalmazásai szempontjából. Ezen eszközök hatékonyságának javítása érdekében a tudósoknak számos alapvető és technológiai problémát kell megoldaniuk. Az egyik áttörést jelentő projekt keretében ezen feladatok nagy részével az Uráli Szövetségi Egyetem foglalkozik, ezért Maxim Ananievet, az Orosz Tudományos Akadémia Uráli Kirendeltsége Magas hőmérsékletű Elektrokémiai Intézetének igazgatóját kérdeztük: Az Uráli Szövetségi Egyetem Vegyipari Technológiai Intézetének Elektrokémiai Termeléstechnológiai Tanszékének professzora, hogy beszéljen a korszerű üzemanyagcellák fejlesztésének közvetlen terveiről és kilátásairól.

N+1: Van a közeljövőben alternatívája a legnépszerűbb Li-Ion akkumulátoroknak?

Maxim Ananiev: Az akkumulátorfejlesztők modern erőfeszítései arra irányulnak, hogy az elektrolitban lévő töltéshordozót lítiumról nátriumra, káliumra és alumíniumra cseréljék. A lítium cseréje révén csökkenthető lesz az akkumulátor költsége, bár a súly- és méretjellemzők arányosan nőnek. Más szóval, ugyanazon elektromos jellemzők mellett a nátrium-ion akkumulátor nagyobb és nehezebb lesz, mint egy lítium-ion akkumulátor.

Emellett az akkumulátorok fejlesztésének egyik ígéretes fejlesztési területe a fém-ion akkumulátorok légelektródával való kombinációján alapuló hibrid kémiai energiaforrások létrehozása, mint az üzemanyagcellákban. Általánosságban elmondható, hogy a hibrid rendszerek létrehozásának iránya, amint azt a szuperkondenzátorok példáján már bemutattuk, a közeljövőben láthatóan lehetővé teszi a magas fogyasztói tulajdonságokkal rendelkező kémiai energiaforrások megjelenését a piacon.

Az Ural Szövetségi Egyetem az oroszországi és a világ tudományos és ipari partnereivel együtt jelenleg hat olyan megaprojektet valósít meg, amelyek az áttörést jelentő területekre összpontosítanak. tudományos kutatás. Az egyik ilyen projekt az "Elektrokémiai energiamérnökség perspektivikus technológiái az új anyagok kémiai tervezésétől az új generációs elektrokémiai eszközökig az energiamegtakarítás és -átalakítás érdekében".

A Stratégiai Akadémiai Egység (SAU) UrFU Természettudományi és Matematikai Iskola tudóscsoportja, amelynek tagja Maxim Ananiev is, új anyagok és technológiák tervezésével és fejlesztésével foglalkozik, beleértve az üzemanyagcellákat, elektrolitikus cellákat, fémgrafén akkumulátorokat, elektrokémiai elemeket. energiatároló rendszerek és szuperkondenzátorok.

Kutatás és tudományos munka Az Orosz Tudományos Akadémia Uráli Kirendeltségével, a Magas Hőmérsékletű Elektrokémiai Intézettel és partnerek támogatásával folyamatos együttműködésben zajlanak.

Mely üzemanyagcellák fejlesztése folyik jelenleg, és melyekben rejlik a legnagyobb potenciál?

Az üzemanyagcellák egyik legígéretesebb típusa a proton-kerámia cella. Előnyük van a protoncserélő membránnal és szilárd oxid cellákkal rendelkező polimer üzemanyagcellákkal szemben, mivel közvetlen szénhidrogén üzemanyag-ellátással is működhetnek. Ez jelentősen leegyszerűsíti a proton-kerámia tüzelőanyag-cellákra épülő erőmű tervezését és a vezérlőrendszert, ezáltal növeli a működés megbízhatóságát. Igaz, ez a fajta üzemanyagcellák jelenleg történelmileg kevésbé fejlettek, de a modern tudományos kutatások lehetővé teszik számunkra, hogy reménykedjünk ebben a technológiában a jövőben.

Milyen üzemanyagcellákkal kapcsolatos problémákkal foglalkoznak most az Uráli Szövetségi Egyetem?

Az UrFU tudósai az Orosz Tudományos Akadémia Uráli Fiókjának Magas Hőmérsékletű Elektrokémiai Intézetével (IHTE) közösen nagy hatékonyságú elektrokémiai eszközök és autonóm áramfejlesztők létrehozásán dolgoznak az elosztott energiában való alkalmazásokhoz. Az elosztott energiát használó erőművek létrehozása kezdetben elektromos áramgenerátoron és tárolóeszközön alapuló hibrid rendszerek kifejlesztését jelenti, amelyek akkumulátorok. Ugyanakkor az üzemanyagcella folyamatosan működik, csúcsidőben terhelést biztosít, üresjáratban pedig tölti az akkumulátort, amely maga is tartalékként működhet nagy energiafogyasztás és vészhelyzet esetén is.

Az Ural Szövetségi Egyetem és az IHTE vegyészei a legnagyobb sikert a szilárd-oxid és protonkerámia üzemanyagcellák fejlesztésében érték el. 2016 óta az Urálban a Rosatom állami vállalattal közösen létrehozták az első oroszországi szilárd oxid üzemanyagcellákon alapuló erőműveket. Az uráli tudósok fejlesztése már átment a "terepi" teszteken az Uraltransgaz LLC kísérleti helyszínén található gázvezeték katódos védelmi állomásán. Az 1,5 kilowatt névleges teljesítményű erőmű több mint 10 ezer órát dolgozott, és nagy potenciált mutatott az ilyen eszközök használatában.

Az Uráli Szövetségi Egyetem és az IHTE közös laboratóriuma keretében protonvezető kerámia membránon alapuló elektrokémiai berendezéseket fejlesztenek. Ez lehetővé teszi a közeljövőben a szilárd oxidos üzemanyagcellák üzemi hőmérsékletének 900-ról 500 Celsius-fokra való csökkentését, valamint a szénhidrogén üzemanyag előzetes reformálásának elhagyását, így költséghatékony elektrokémiai generátorokat hozva létre, amelyek a környezet körülményei között működhetnek. fejlett gázellátási infrastruktúra Oroszországban.

Sándor Dubov

A tudás ökológiája Tudomány és technológia: A hidrogénenergia az egyik leghatékonyabb iparág, és az üzemanyagcellák lehetővé teszik számára, hogy az innovatív technológiák élvonalában maradjon.

Az üzemanyagcella olyan eszköz, amely elektrokémiai reakcióval hatékonyan állít elő egyenáramot és hőt hidrogénben gazdag üzemanyagból.

Az üzemanyagcella abban hasonlít az akkumulátorhoz, hogy kémiai reakción keresztül egyenáramot állít elő. Az akkumulátorhoz hasonlóan az üzemanyagcella is tartalmaz egy anódot, egy katódot és egy elektrolitot. Az akkumulátoroktól eltérően azonban az üzemanyagcellák nem tárolhatnak elektromos energiát, nem merülnek le, és nem igényelnek áramot az újratöltéshez. Az üzemanyagcellák mindaddig képesek folyamatosan villamos energiát termelni, amíg rendelkeznek üzemanyaggal és levegővel. Helyes kifejezés működő tüzelőanyag-cella leírására egy elemrendszer, hiszen a teljes működéshez néhány segédrendszerre van szükség.

Ellentétben más áramfejlesztőkkel, mint például a belső égésű motorok vagy a gázzal, szénnel, olajjal stb. működő turbinák, az üzemanyagcellák nem égetnek üzemanyagot. Ez azt jelenti, hogy nincsenek zajos nagynyomású rotorok, nincs hangos kipufogó zaj, nincs vibráció. Az üzemanyagcellák csendes elektrokémiai reakcióval termelnek áramot. Az üzemanyagcellák másik jellemzője, hogy az üzemanyag kémiai energiáját közvetlenül elektromos árammá, hővé és vízzé alakítják.

Az üzemanyagcellák rendkívül hatékonyak, és nem termelnek nagy mennyiségű üvegházhatású gázt, például szén-dioxidot, metánt és dinitrogén-oxidot. Az üzemanyagcellák által kibocsátott termékek kizárólag a víz gőz formájában és kis mennyiségű szén-dioxid, amely egyáltalán nem bocsát ki, ha tiszta hidrogént használnak üzemanyagként. Az üzemanyagcellákat szerelvényekké, majd külön funkcionális modulokká szerelik össze.

Az üzemanyagcellák működési elve

Az üzemanyagcellák a folyamatban lévő elektrokémiai reakció következtében elektromosságot és hőt termelnek elektrolit, katód és anód felhasználásával.

Az anódot és a katódot egy elektrolit választja el, amely protonokat vezet. Miután a hidrogén belép az anódba és az oxigén a katódra, kémiai reakció kezdődik, melynek eredményeként elektromos áram, hő és víz keletkezik. Az anódkatalizátoron a molekuláris hidrogén disszociál és elektronokat veszít. A hidrogénionokat (protonokat) az elektroliton keresztül a katódhoz vezetik, míg az elektronokat az elektroliton és egy külső elektromos áramkörön keresztül vezetik át, és egyenáramot hoznak létre, amely a berendezések táplálására használható. A katódkatalizátoron egy oxigénmolekula egyesül egy elektronnal (amely külső kommunikációból származik) és egy bejövő protonnal, és vizet képez, amely az egyetlen reakciótermék (gőz és/vagy folyadék formájában).

Alább látható a megfelelő reakció:

Anód reakció: 2H2 => 4H+ + 4e-
Reakció a katódon: O2 + 4H+ + 4e- => 2H2O
Általános elemreakció: 2H2 + O2 => 2H2O

Üzemanyagcella típusok

A különböző típusú belső égésű motorokhoz hasonlóan különböző típusú üzemanyagcellák is léteznek – a megfelelő típusú üzemanyagcella kiválasztása annak alkalmazásától függ.Az üzemanyagcellákat magas hőmérsékletre és alacsony hőmérsékletre osztják. Az alacsony hőmérsékletű üzemanyagcellák viszonylag tiszta hidrogént igényelnek üzemanyagként.

Ez gyakran azt jelenti, hogy üzemanyag-feldolgozásra van szükség ahhoz, hogy az elsődleges tüzelőanyagot (például földgázt) tiszta hidrogénné alakítsák. Ez a folyamat további energiát fogyaszt, és speciális felszerelést igényel. A magas hőmérsékletű üzemanyagcelláknak nincs szükségük erre a további eljárásra, mivel magas hőmérsékleten képesek "belsőleg átalakítani" az üzemanyagot, ami azt jelenti, hogy nincs szükség hidrogén-infrastruktúrába való beruházásra.

Üzemanyag elemek olvadt karbonáton (MCFC).

Az olvadt karbonát elektrolit üzemanyagcellák magas hőmérsékletű üzemanyagcellák. A magas üzemi hőmérséklet lehetővé teszi a földgáz közvetlen felhasználását tüzelőanyag-feldolgozó nélkül, valamint az alacsony fűtőértékű fűtőgázt technológiai tüzelőanyagokból és egyéb forrásokból. Ezt a folyamatot az 1960-as évek közepén fejlesztették ki. Azóta a gyártási technológia, a teljesítmény és a megbízhatóság javult.

Az RCFC működése eltér a többi üzemanyagcellától. Ezek a cellák olvadt karbonátsók keverékéből származó elektrolitot használnak. Jelenleg kétféle keveréket használnak: lítium-karbonátot és kálium-karbonátot vagy lítium-karbonátot és nátrium-karbonátot. A karbonátsók megolvasztásához és az ionok nagyfokú mobilitásának eléréséhez az elektrolitban az olvadt karbonát elektrolitot tartalmazó üzemanyagcellák magas hőmérsékleten (650 °C) működnek. A hatásfok 60-80% között változik.

650°C-ra hevítve a sók a karbonátionok (CO32-) vezetőjévé válnak. Ezek az ionok a katódról az anódra jutnak, ahol hidrogénnel egyesülve vizet, szén-dioxidot és szabad elektronokat képeznek. Ezeket az elektronokat egy külső elektromos áramkörön keresztül visszaküldik a katódra, és melléktermékként elektromos áramot és hőt állítanak elő.

Anód reakció: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e-
Reakció a katódon: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-
Általános elemreakció: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(katód) => H2O(g) + CO2(anód)

Az elektrolit magas reakcióhőmérsékletének is megvannak a maga előnyei. A magas hőmérséklet alkalmazása hosszú ideig tart az optimális működési feltételek eléréséhez, és a rendszer lassabban reagál az energiafogyasztás változásaira. Ezek a jellemzők lehetővé teszik az olvadt karbonát elektrolitot tartalmazó üzemanyagcellás rendszerek használatát állandó teljesítmény mellett. A magas hőmérséklet megakadályozza az üzemanyagcellák szén-monoxid okozta károsodását, "mérgezést" stb.

Az olvadt karbonát üzemanyagcellák alkalmasak nagy, helyhez kötött létesítményekben való használatra. A 2,8 MW kimenő villamos teljesítményű hőerőműveket iparilag gyártják. Legfeljebb 100 MW kimenő teljesítményű erőművek fejlesztése folyik.

Foszforsav (PFC) alapú üzemanyagcellák.

A foszforsav (ortofoszforsav) alapú üzemanyagcellák voltak az első üzemanyagcellák kereskedelmi használatra. Ezt az eljárást az 1960-as évek közepén fejlesztették ki, és az 1970-es évek óta tesztelik. Azóta nőtt a stabilitás, a teljesítmény és a költségek.

A foszforsav (ortofoszforsav) alapú üzemanyagcellák ortofoszforsav (H3PO4) alapú elektrolitot használnak, amelynek koncentrációja akár 100%. A foszforsav ionvezetőképessége alacsony hőmérsékleten alacsony, ezért ezeket az üzemanyagcellákat 150-220°C-ig használják.

Az ilyen típusú üzemanyagcellák töltéshordozója a hidrogén (H+, proton). Hasonló folyamat megy végbe a protoncserélő membrán üzemanyagcellákban (MEFC), amelyek során az anódhoz juttatott hidrogén protonokra és elektronokra bomlik. A protonok áthaladnak az elektroliton, és a katódon a levegőből származó oxigénnel egyesülve vizet képeznek. Az elektronokat egy külső elektromos áramkör mentén irányítják, és elektromos áram keletkezik. Az alábbiakban bemutatjuk azokat a reakciókat, amelyek elektromosságot és hőt termelnek.

Anód reakció: 2H2 => 4H+ + 4e-
Reakció a katódon: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O
Általános elemreakció: 2H2 + O2 => 2H2O

Az ilyen típusú tüzelőanyagcellák egyik előnye a foszforsav (ortofoszfor)sav alapú tüzelőanyag-cellás hőerőművek nagy teljesítménye a hő és villamos energia kombinált előállításában. Az üzemek körülbelül 1,5%-os koncentrációban használnak szén-monoxidot, ami nagymértékben bővíti az üzemanyag választékot. Ezenkívül a CO2 nem befolyásolja az elektrolitot és az üzemanyagcella működését, ez a típusú cella reformált természetes üzemanyaggal működik. Az egyszerű felépítés, az alacsony elektrolit illékonyság és a fokozott stabilitás szintén az ilyen típusú üzemanyagcellák előnyei.

A legfeljebb 400 kW kimenő villamos teljesítményű hőerőműveket iparilag gyártják. A 11 MW-os létesítmények megfeleltek a vonatkozó teszteknek. Legfeljebb 100 MW kimenő teljesítményű erőművek fejlesztése folyik.

Üzemanyagcellák protoncserélő membránnal (PME)

A protoncserélő membrán üzemanyagcellák a legjobb üzemanyagcella-típusok a járművek energiatermelésében, amelyek helyettesíthetik a benzines és dízel belső égésű motorokat. Ezeket az üzemanyagcellákat először a NASA használta a Gemini programhoz. Napjainkban 1 W és 2 kW közötti teljesítményű MOPFC berendezéseket fejlesztenek és mutatnak be.

Ezek az üzemanyagcellák szilárd polimer membránt (vékony műanyag fóliát) használnak elektrolitként. Vízzel impregnálva ez a polimer áthalad a protonokon, de nem vezet elektronokat.

Az üzemanyag hidrogén, a töltéshordozó pedig egy hidrogénion (proton). Az anódnál a hidrogénmolekula hidrogénionra (protonra) és elektronokra válik szét. A hidrogénionok az elektroliton keresztül a katódhoz jutnak, míg az elektronok a külső kör körül mozogva elektromos energiát termelnek. A levegőből vett oxigént a katódra táplálják, és elektronokkal és hidrogénionokkal egyesülve vizet képeznek. Az elektródákon a következő reakciók mennek végbe:

Anód reakció: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Reakció a katódon: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Általános elemreakció: 2H2 + O2 => 2H2O

Más típusú üzemanyagcellákhoz képest a protoncserélő membrán üzemanyagcellák adott térfogathoz vagy tömeghez képest több energiát termelnek. Ez a funkció lehetővé teszi, hogy kompaktak és könnyűek legyenek. Ezenkívül az üzemi hőmérséklet 100 °C alatt van, ami lehetővé teszi a működés gyors elindítását. Ezek a jellemzők, valamint az energiakibocsátás gyors megváltoztatásának képessége csak néhány azon jellemzők közül, amelyek miatt ezek az üzemanyagcellák első számú jelöltek a járművekben való használatra.

További előny, hogy az elektrolit szilárd, nem pedig folyékony anyag. Szilárd elektrolittal könnyebb a gázokat a katódon és az anódon tartani, ezért olcsóbb az ilyen üzemanyagcellák előállítása. Más elektrolitokhoz képest a szilárd elektrolit használata nem okoz olyan problémákat, mint az orientáció, kevesebb a probléma a korrózió fellépése miatt, ami a cella és alkatrészeinek hosszabb élettartamát eredményezi.

Szilárd oxid üzemanyagcellák (SOFC)

A szilárd oxid üzemanyagcellák a legmagasabb üzemi hőmérsékletű üzemanyagcellák. Az üzemi hőmérséklet 600°C és 1000°C között változhat, ami lehetővé teszi különféle típusú üzemanyagok használatát speciális előkezelés nélkül. E magas hőmérsékletek kezelésére az elektrolitként vékony, kerámia alapú szilárd fém-oxidot használnak, amely gyakran ittrium és cirkónium ötvözete, amely oxigén (O2-) ionok vezetője. A szilárd oxid üzemanyagcellák alkalmazásának technológiája az 1950-es évek vége óta fejlődik. és két konfigurációja van: sík és cső alakú.

A szilárd elektrolit hermetikus gázátmenetet biztosít egyik elektródáról a másikra, míg a folyékony elektrolitok porózus hordozóban helyezkednek el. Az ilyen típusú üzemanyagcellák töltéshordozója az oxigénion (О2-). A katódon az oxigénmolekulák a levegőtől egy oxigénionra és négy elektronra válnak el. Az oxigénionok áthaladnak az elektroliton, és a hidrogénnel egyesülve négy szabad elektront képeznek. Az elektronokat egy külső elektromos áramkörön keresztül irányítják, elektromos áramot és hulladékhőt termelve.

Anód reakció: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e-
Reakció a katódon: O2 + 4e- => 2O2-
Általános elemreakció: 2H2 + O2 => 2H2O

A megtermelt elektromos energia hatásfoka az összes tüzelőanyag-cella közül a legmagasabb - körülbelül 60%. Ezenkívül a magas üzemi hőmérséklet lehetővé teszi a kombinált hő- és villamosenergia-termelést nagynyomású gőz előállítására. A magas hőmérsékletű üzemanyagcella és a turbina kombinálása egy hibrid üzemanyagcellát hoz létre, amely akár 70%-kal növeli az elektromos energiatermelés hatékonyságát.

Üzemanyagcellák közvetlen metanol-oxidációval (DOMTE)

A metanol direkt oxidációjával rendelkező üzemanyagcellák szerkezete hasonló a protoncserélő membránnal (MOFEC) rendelkező üzemanyagcellákhoz, pl. elektrolitként polimert, töltéshordozóként hidrogéniont (protont) használnak. A folyékony metanol (CH3OH) azonban az anódnál víz jelenlétében oxidálódik, CO2, hidrogénionok és elektronok szabadulnak fel, amelyeket egy külső elektromos áramkörön keresztül vezetnek, és elektromos áram keletkezik. A hidrogénionok áthaladnak az elektroliton, és reakcióba lépnek a levegő oxigénjével és a külső áramkör elektronjaival, hogy vizet képezzenek az anódon.

Anód reakció: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e-
Reakció a katódon: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O
Általános elemreakció: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O

Ezeknek az üzemanyagcelláknak a fejlesztése az 1990-es évek elején kezdődött. A továbbfejlesztett katalizátorok kifejlesztése után, valamint a közelmúlt egyéb újításainak köszönhetően a teljesítménysűrűség és a hatásfok 40%-ra nőtt.

Ezeket az elemeket 50-120°C hőmérséklet-tartományban tesztelték. Alacsony üzemi hőmérséklettel és konverter nélkül, a közvetlen metanol üzemanyagcellák a legjobb jelöltek a mobiltelefonoktól és egyéb fogyasztói termékektől az autómotorokig. Az ilyen típusú üzemanyagcellák előnye a kis méretük a folyékony tüzelőanyag felhasználása miatt, valamint a konverter használatának hiánya.

Alkáli üzemanyagcellák (AFC)

Az alkáli üzemanyagcellák (ALFC) az egyik legtöbbet tanulmányozott technológia, és az 1960-as évek közepe óta használják őket. a NASA az Apollo és Space Shuttle programban. Ezek fedélzetén űrhajók az üzemanyagcellák villamos energiát termelnek és vizet inni. Az alkáli tüzelőanyagcellák az egyik leghatékonyabb villamosenergia-termelési elem, az energiatermelés hatékonysága eléri a 70%-ot.

Anód reakció: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Reakció a katódon: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
A rendszer általános reakciója: 2H2 + O2 => 2H2O

Az SFC-k előnye, hogy ezeket az üzemanyagcellákat a legolcsóbban előállítani, mivel az elektródákon szükséges katalizátor bármely olyan anyag lehet, amely olcsóbb, mint a többi üzemanyagcella katalizátora. Ezenkívül az SCFC-k viszonylag alacsony hőmérsékleten működnek, és a leghatékonyabb üzemanyagcellák közé tartoznak – ezek a jellemzők rendre hozzájárulhatnak a gyorsabb energiatermeléshez és a magas üzemanyag-hatékonysághoz.

Az SFC egyik jellemző tulajdonsága a nagy érzékenysége a CO2-ra, amelyet az üzemanyag vagy a levegő tartalmazhat. A CO2 reakcióba lép az elektrolittal, gyorsan megmérgezi, és nagymértékben csökkenti az üzemanyagcella hatékonyságát. Ezért az SFC-k használata zárt terekre korlátozódik, például űr- és víz alatti járművekre, tiszta hidrogénnel és oxigénnel kell működniük. Ezenkívül az olyan molekulák, mint a CO, a H2O és a CH4, amelyek biztonságosak más tüzelőanyag-cellák számára, sőt némelyikük üzemanyaga is, károsak az SFC-kre.

Polimer elektrolit üzemanyagcellák (PETE)

A polimer elektrolit üzemanyagcellák esetében a polimer membrán polimer szálakból áll, vizes régiókkal, amelyekben a vízionok vezetése H2O+ (proton, vörös) kapcsolódik a vízmolekulához. A vízmolekulák problémát jelentenek a lassú ioncsere miatt. Ezért mind az üzemanyagban, mind a kipufogóelektródákon magas vízkoncentrációra van szükség, ami az üzemi hőmérsékletet 100°C-ra korlátozza.

Szilárd savas üzemanyagcellák (SCFC)

A szilárd savas tüzelőanyag-cella általában olyan szendvics, amelyben egy nagyon vékony réteg szilárd savvegyületet helyeznek el két szorosan összenyomott elektróda közé a jó érintkezés biztosítása érdekében. Melegítéskor a szerves komponens elpárolog, az elektródák pórusain keresztül távozik, megtartva az üzemanyag (vagy a cella másik végén lévő oxigén), az elektrolit és az elektródák közötti számos érintkezési képességet.

Üzemanyagcella típus	Üzemhőmérséklet	Energiatermelési hatékonyság	Üzemanyagtípus	Alkalmazási terület
RKTE	550-700°C	50-70%		Közepes és nagy telepítések
FKTE	100-220°C	35-40%	tiszta hidrogén	Nagy telepítések
MOPTE	30-100 °C	35-50%	tiszta hidrogén	Kisebb telepítések
SOFC	450-1000°C	45-70%	A legtöbb szénhidrogén üzemanyag	Kis, közepes és nagy telepítések
POMTE	20-90 °C	20-30%	metanol	Hordozható egységek
SHTE	50-200°C	40-65%	tiszta hidrogén	űrkutatás
PETE	30-100 °C	35-50%	tiszta hidrogén	Kisebb telepítések

Csatlakozzon hozzánk a

Az Egyesült Államok számos kezdeményezést tett a hidrogénüzemanyagcellák, az infrastruktúra és a technológiák fejlesztése érdekében, hogy az üzemanyagcellás járműveket 2020-ra praktikussá és gazdaságossá tegye. Több mint egymilliárd dollárt különítettek el ezekre a célokra.

Az üzemanyagcellák csendesen és hatékonyan termelnek áramot a környezet szennyezése nélkül. A fosszilis tüzelőanyagokkal ellentétben az üzemanyagcellák melléktermékei a hő és a víz. Hogyan működik?

Ebben a cikkben röviden áttekintjük az egyes napjainkban létező üzemanyag-technológiákat, valamint szót ejtünk az üzemanyagcellák kialakításáról és működéséről, valamint összehasonlítjuk azokat más energiatermelési formákkal. Megvitatjuk azokat az akadályokat is, amelyekkel a kutatók szembesülnek az üzemanyagcellák praktikus és a fogyasztók számára megfizethetővé tétele terén.

Az üzemanyagcellák azok elektrokémiai energiaátalakító eszközök. Az üzemanyagcella a vegyi anyagokat, a hidrogént és az oxigént vízzé alakítja, miközben elektromos áramot termel.

Egy másik elektrokémiai eszköz, amelyet mindannyian nagyon ismerünk, az akkumulátor. Az akkumulátorban minden szükséges kémiai elemek magában, és ezeket az anyagokat elektromossággá alakítja. Ez azt jelenti, hogy az akkumulátor végül "meghal", és vagy kidobod, vagy újratöltöd.

Az üzemanyagcellában folyamatosan vegyszereket adagolnak bele, hogy soha ne "haljon meg". Az áramot addig termelik, amíg van áramlás vegyi anyagok az elembe. A legtöbb manapság használt üzemanyagcella hidrogént és oxigént használ.

A hidrogén a legelterjedtebb elem galaxisunkban. A hidrogén azonban gyakorlatilag nem létezik a Földön elemi formájában. A mérnököknek és tudósoknak tiszta hidrogént kell kivonniuk a hidrogénvegyületekből, beleértve a fosszilis tüzelőanyagokat vagy a vizet. A hidrogén kinyeréséhez ezekből a vegyületekből energiát kell felhasználnia hő vagy elektromosság formájában.

Az üzemanyagcellák feltalálása

Sir William Grove 1839-ben találta fel az első üzemanyagcellát. Grove tudta, hogy a vizet hidrogénre és oxigénre lehet osztani, ha elektromos áramot vezetnek át rajta (ezt a folyamatot ún elektrolízis). Azt javasolta, hogy fordított sorrendben lehetne beszerezni az áramot és a vizet. Létrehozott egy primitív üzemanyagcellát, és elnevezte gáz galvanikus akkumulátor. Miután kísérletezett új találmányával, Grove bebizonyította hipotézisét. Ötven évvel később Ludwig Mond és Charles Langer tudósok alkották meg a kifejezést üzemanyagcellák amikor az energiatermelés gyakorlati modelljét próbálják felépíteni.

Az üzemanyagcella sok más energiaátalakító eszközzel versenyez majd, beleértve a városi erőművek gázturbináit, az autók belső égésű motorjait és mindenféle akkumulátort. A belső égésű motorok, mint a gázturbinák, égnek különböző fajták tüzelőanyagot és a gázok tágulása által létrehozott nyomást mechanikai munkák elvégzésére használja fel. Az akkumulátorok szükség esetén a kémiai energiát elektromos energiává alakítják át. Az üzemanyagcelláknak hatékonyabban kell ellátniuk ezeket a feladatokat.

Az üzemanyagcella egyenáramú (egyenáramú) feszültséget biztosít, amely elektromos motorok, világítás és más elektromos készülékek táplálására használható.

Számos különböző típusú üzemanyagcella létezik, amelyek mindegyike különböző kémiai folyamatokat alkalmaz. Az üzemanyagcellákat általában aszerint osztályozzák Üzemi hőmérsékletés típuselektrolit, amelyeket használnak. Az üzemanyagcellák bizonyos típusai jól használhatók helyhez kötött erőművekben. Mások hasznosak lehetnek kis hordozható eszközökhöz vagy autók meghajtásához. Az üzemanyagcellák fő típusai a következők:

Polimercserélő membrán üzemanyagcella (PEMFC)

A PEMFC-t tartják a legvalószínűbb jelöltnek a közlekedési alkalmazásokban. A PEMFC nagy teljesítményű és viszonylag alacsony üzemi hőmérséklettel rendelkezik (60-80 Celsius fok között). Az alacsony üzemi hőmérséklet azt jelenti, hogy az üzemanyagcellák gyorsan felmelegedhetnek, és megkezdhetik az áramtermelést.

Szilárd oxid üzemanyagcella (SOFC)

Ezek az üzemanyagcellák a legalkalmasabbak a nagyméretű, helyhez kötött áramtermelőkhöz, amelyek gyárakat vagy városokat szolgáltathatnak árammal. Az ilyen típusú üzemanyagcellák nagyon magas hőmérsékleten (700-1000 Celsius fok) működnek. A magas hőmérséklet megbízhatósági problémát jelent, mivel néhány üzemanyagcella több be- és kikapcsolás után meghibásodhat. A szilárd oxid üzemanyagcellák azonban nagyon stabilak folyamatos üzemben. Valójában a SOFC-k bizonyították az üzemanyagcellák leghosszabb élettartamát bizonyos feltételek mellett. A magas hőmérsékletnek megvan az az előnye is, hogy az üzemanyagcellák által termelt gőzt a turbinákba lehet irányítani, és több villamos energiát lehet termelni. Ezt a folyamatot ún kapcsolt hő- és villamosenergia-termelésés javítja a rendszer általános hatékonyságát.

Alkáli üzemanyagcellás (AFC)

Ez az egyik legrégebbi üzemanyagcellás kivitel, amelyet az 1960-as évek óta használnak. Az AFC-k nagyon érzékenyek a szennyezésre, mivel tiszta hidrogént és oxigént igényelnek. Ráadásul nagyon drágák, így az ilyen típusú üzemanyagcellákat nem valószínű, hogy tömeggyártásba kezdik.

Olvadt karbonát üzemanyagcella (MCFC)

A SOFC-khoz hasonlóan ezek az üzemanyagcellák is a legjobban alkalmasak nagy, helyhez kötött erőművekhez és generátorokhoz. 600 Celsius fokon működnek, így gőzt tudnak termelni, amivel viszont még több energiát lehet termelni. Alacsonyabb üzemi hőmérsékletük van, mint a szilárd oxid üzemanyagcelláknak, ami azt jelenti, hogy nincs szükségük ilyen hőálló anyagokra. Ez egy kicsit olcsóbbá teszi őket.

Foszforsav üzemanyagcella (PAFC)

Foszforsav üzemanyagcella kis helyhez kötött villamosenergia-rendszerekben is használható. Magasabb hőmérsékleten működik, mint a polimercserélő membrán üzemanyagcella, így tovább tart a felmelegedése, így autóipari használatra alkalmatlan.

Metanol üzemanyagcellák Közvetlen metanol üzemanyagcella (DMFC)

A metanolos üzemanyagcellák működési hőmérsékletüket tekintve a PEMFC-hez hasonlíthatók, de nem olyan hatékonyak. Ezenkívül a DMFC-k katalizátorként meglehetősen sok platinát igényelnek, ami drágává teszi ezeket az üzemanyagcellákat.

Üzemanyagcella polimer cserélő membránnal

A polimercserélő membrán üzemanyagcella (PEMFC) az egyik legígéretesebb üzemanyagcellás technológia. A PEMFC az üzemanyagcellák közül az egyik legegyszerűbb reakciót alkalmazza. Fontolja meg, miből áll.

1. DE csomópont – Az üzemanyagcella negatív pólusa. A hidrogénmolekulákból felszabaduló elektronokat vezeti, ami után külső áramkörben használhatók fel. Csatornákkal van gravírozva, amelyeken keresztül a hidrogéngáz egyenletesen oszlik el a katalizátor felületén.

2.Nak nek atom - az üzemanyagcella pozitív pólusán is vannak csatornák az oxigén elosztására a katalizátor felületén. Ezenkívül visszavezeti az elektronokat a katalizátor külső láncából, ahol hidrogén- és oxigénionokkal egyesülve vizet képezhetnek.

3.Elektrolit-proton cserélő membrán. Ez egy speciálisan kezelt anyag, amely csak pozitív töltésű ionokat vezet, és blokkolja az elektronokat. A PEMFC-ben a membránt hidratálni kell, hogy megfelelően működjön és stabil maradjon.

4. Katalizátor egy speciális anyag, amely elősegíti az oxigén és a hidrogén reakcióját. Általában szénpapírra vagy szövetre nagyon vékonyan lerakott platina nanorészecskékből készül. A katalizátor felületi szerkezete olyan, hogy a platina maximális felületét hidrogénnek vagy oxigénnek lehet kitenni.

Az ábrán a hidrogéngáz (H2) látható, amely nyomás alatt belép az üzemanyagcellába az anód felől. Amikor egy H2 molekula érintkezésbe kerül a katalizátoron lévő platinával, két H+ ionra és két elektronra bomlik. Az elektronok áthaladnak az anódon, ahol egy külső áramkörben használják őket (végrehajtó hasznos munka, mint például a motor forgása) és térjen vissza az üzemanyagcella katódoldalára.

Eközben az üzemanyagcella katód oldalán a levegőből származó oxigén (O2) áthalad a katalizátoron, ahol két oxigénatomot képez. Ezen atomok mindegyike erős negatív töltéssel rendelkezik. Ez a negatív töltés vonz két H+ iont a membránon keresztül, ahol ezek egy oxigénatommal és a külső áramkörből származó két elektronnal egyesülve vízmolekulát (H2O) alkotnak.

Ez a reakció egyetlen üzemanyagcellában csak körülbelül 0,7 voltot termel. A feszültség ésszerű szintre emelése érdekében sok egyedi tüzelőanyag-cellát kell kombinálni egy tüzelőanyag-cella köteggé. A bipoláris lemezeket arra használják, hogy az egyik üzemanyagcellát összekapcsolják a másikkal, és csökkenő potenciállal oxidálódnak. A bipoláris lemezekkel a nagy probléma a stabilitásuk. A fém bipoláris lemezek korrodálódhatnak, és a melléktermékek (vas- és krómionok) csökkentik az üzemanyagcella membránok és elektródák hatékonyságát. Ezért az alacsony hőmérsékletű üzemanyagcellákban könnyűfémeket, grafitot, valamint szén és hőre keményedő anyag (a hőre keményedő anyag egyfajta műanyag, amely magas hőmérsékletnek kitéve is szilárd marad) kompozit vegyületeit használnak, bipoláris lemezanyag formájában.

Üzemanyagcella-hatékonyság

A szennyezés csökkentése az üzemanyagcellák egyik fő célja. Ha összehasonlít egy üzemanyagcellás autót egy benzinmotorral és egy akkumulátorral hajtott autóval, láthatja, hogyan javíthatják az üzemanyagcellák az autók hatékonyságát.

Mivel mindhárom típusú autónak sok azonos alkatrésze van, figyelmen kívül hagyjuk az autó ezen részét, és összehasonlítjuk előnyös cselekvések addig a pontig, ahol mechanikai energia keletkezik. Kezdjük az üzemanyagcellás autóval.

Ha egy üzemanyagcella tiszta hidrogénnel működik, hatásfoka akár 80 százalék is lehet. Így a hidrogén energiatartalmának 80 százalékát alakítja át elektromos árammá. Az elektromos energiát azonban még mechanikai munkává kell alakítanunk. Ezt elektromos motorral és inverterrel érik el. A motor + inverter hatásfoka is megközelítőleg 80 százalék. Ez körülbelül 80*80/100=64 százalékos összhatékonyságot ad. A Honda FCX koncepcióautójának energiahatékonysága 60 százalékos.

Ha az üzemanyagforrás nem tiszta hidrogén, akkor a járműnek reformátorra is szüksége lesz. A reformátorok a szénhidrogént vagy alkoholt hidrogénné alakítják át. Hőt termelnek, és a hidrogén mellett CO-t és CO2-t is termelnek. A kapott hidrogén tisztítására használják különféle eszközök, de ez a tisztítás nem elegendő, és csökkenti az üzemanyagcella hatékonyságát. Ezért a kutatók úgy döntöttek, hogy a tiszta hidrogénnel üzemelő járművek üzemanyagcelláira összpontosítanak, a hidrogén előállításával és tárolásával kapcsolatos problémák ellenére.

A benzinmotor és az autó hatékonysága elektromos akkumulátorokon

A benzinnel hajtott autók hatásfoka meglepően alacsony. Minden hő, amely kipufogógáz formájában távozik vagy a radiátor elnyeli, elpazarolt energia. A motor sok energiát használ fel a különféle szivattyúk, ventilátorok és generátorok forgatására is, amelyek folyamatosan működnek. Így az autó benzinmotorjának általános hatásfoka megközelítőleg 20 százalék. Így a benzin hőenergia-tartalmának csak megközelítőleg 20 százaléka válik mechanikai munkává.

Az akkumulátorral hajtott elektromos járműnek meglehetősen magas a hatásfoka. Az akkumulátor körülbelül 90 százalékos hatásfokú (a legtöbb akkumulátor némi hőt termel, vagy fűtést igényel), a motor + inverter pedig körülbelül 80 százalékos. Ez körülbelül 72 százalékos összhatékonyságot ad.

De ez még nem minden. Ahhoz, hogy egy elektromos autó mozogni tudjon, valahol először áramot kell termelni. Ha olyan erőműről van szó, amely fosszilis tüzelőanyagok égetési folyamatát használta (nem pedig atom-, víz-, nap- vagy szélenergiát), akkor az erőmű által fogyasztott tüzelőanyagnak csak körülbelül 40 százalékát alakították át elektromos árammá. Ráadásul az autók töltésének folyamatához a váltakozó áramú (AC) teljesítményt egyenárammá (DC) kell átalakítani. Ennek az eljárásnak a hatékonysága körülbelül 90 százalék.

Most, ha a teljes ciklust nézzük, egy elektromos jármű hatásfoka magának az autónak 72 százaléka, az erőműnek 40 százalék, az autó töltésének pedig 90 százaléka. Ez összesen 26 százalékos hatékonyságot ad. Az általános hatásfok jelentősen változik attól függően, hogy melyik erőművet használják az akkumulátor töltésére. Ha egy autó elektromos áramát például egy vízerőmű állítja elő, akkor egy elektromos autó hatásfoka körülbelül 65 százalék lesz.

A tudósok a terveket kutatják és finomítják az üzemanyagcellák hatékonyságának továbbfejlesztése érdekében. Az egyik új megközelítés az üzemanyagcellás és akkumulátoros járművek kombinálása. Egy üzemanyagcellás hibrid hajtáslánccal hajtott koncepció járművet fejlesztenek. Lítium akkumulátorral táplálja az autót, miközben az üzemanyagcella tölti az akkumulátort.

Az üzemanyagcellás járművek potenciálisan olyan hatékonyak, mint az akkumulátoros autók, amelyeket fosszilis tüzelőanyag-mentes erőműből töltenek fel. De egy ilyen lehetőség megvalósítása gyakorlati és hozzáférhető módon nehéznek bizonyulhat.

Miért használjunk üzemanyagcellákat?

A fő ok az olajjal kapcsolatos minden. Amerikának olajának közel 60 százalékát importálnia kell. 2025-re az import várhatóan 68%-ra emelkedik. Az amerikaiak az olaj kétharmadát napi szállításra használják fel. Még ha minden autó az utcán hibrid autó lenne, 2025-re az Egyesült Államoknak még mindig ugyanannyi olajat kellene felhasználnia, mint amennyit az amerikaiaknak 2000-ben fogyasztottak. Valójában Amerika fogyasztja el a világ összes megtermelt olajának negyedét, bár a világ lakosságának mindössze 4,6%-a él itt.

Szakértők arra számítanak, hogy a következő néhány évtizedben az olajárak tovább emelkednek, mivel az olcsóbb források elfogynak. Olajtársaságok fejlődnie kellene olajmezők egyre nehezebb körülmények között, ami az olajárak emelkedését okozza.

A félelmek messze túlmutatnak gazdasági biztonság. Az olajeladásból befolyt összeg nagy részét a nemzetközi terrorizmus, a radikális politikai pártok, valamint az olajtermelő régiók instabil helyzetének támogatására fordítják.

Az olaj és más fosszilis tüzelőanyagok energiatermelése szennyezést okoz. Mindenki számára a legjobb, ha alternatívát talál – fosszilis tüzelőanyagokat éget el energiaként.

Az üzemanyagcellák vonzó alternatívája az olajfüggőségnek. Az üzemanyagcellák szennyezés helyett melléktermékként tiszta vizet termelnek. Míg a mérnökök átmenetileg a hidrogén különféle fosszilis forrásokból, például benzinből vagy földgázból történő előállítására összpontosítottak, a jövőben a hidrogén előállításának megújuló, környezetbarát módjait kutatják. A legígéretesebb természetesen a hidrogén vízből történő kinyerésének folyamata lesz.

Az olajfüggőség és a globális felmelegedés nemzetközi probléma. Több ország közösen vesz részt az üzemanyagcellás technológia kutatás-fejlesztésében.

Nyilvánvaló, hogy a tudósoknak és a gyártóknak sok munkájuk van, mielőtt az üzemanyagcellák alternatívává válnának. modern módszerek energiatermelés. Pedig az egész világ támogatásával és globális összefogással pár évtizeden belül valósággá válhat az üzemanyagcellákon alapuló, életképes energiarendszer.

A CSENGŐ

Az üzemanyagcella/cella fejlesztés története

Hogyan működnek az üzemanyagcellák/cellák

Az üzemanyagcellák/cellák típusai és változatossága

Üzemanyagcellák/cellák olvadt karbonáton (MCFC)

Foszforsav (PFC) alapú üzemanyagcellák/cellák

Szilárd oxid üzemanyagcellák/cellák (SOFC)

Üzemanyagcellák/cellák közvetlen metanol-oxidációval (DOMTE)

Alkáli üzemanyagcellák/cellák (AFC)

Polimer elektrolit üzemanyagcellák/cellák (PETE)

Szilárd savas üzemanyagcellák/cellák (SCFC)

Különféle üzemanyagcellás modulok. üzemanyagcellás akkumulátor

Az üzemanyagcellák típusainak és fajtáinak összehasonlító elemzése

Üzemanyagcellás/cella alkalmazások

Üzemanyagcellák/cellák alkalmazása távközlési rendszerekben

Üzemanyagcellák/cellák alkalmazása kommunikációs hálózatokban

Üzemanyagcellák/cellák alkalmazása adathálózatokban

Üzemanyagcellák/cellák alkalmazása biztonsági rendszerekben

Üzemanyagcellák/cellák alkalmazása háztartási fűtésben és villamosenergia-termelésben

Üzemanyagcellák/cellák alkalmazása elosztó hálózatokban

Üzemanyagcellák használata a környezet védelmében – A kapcsolódó kőolajgáz hasznosítása

A kémia mint áramforrás

Újratölthető

Szilárd elektrolit

Hidrogén üzemanyagcellák

Üzemanyagcella-hatékonyság

Alternatív elektrokémiai tárolás

* * *

Az üzemanyagcellák működési elve

Az üzemanyagcellák feltalálása

Polimercserélő membrán üzemanyagcella (PEMFC)

Szilárd oxid üzemanyagcella (SOFC)

Alkáli üzemanyagcellás (AFC)

Olvadt karbonát üzemanyagcella (MCFC)

Foszforsav üzemanyagcella (PAFC)

Üzemanyagcella polimer cserélő membránnal

Üzemanyagcella-hatékonyság

A benzinmotor és az autó hatékonysága elektromos akkumulátorokon

Miért használjunk üzemanyagcellákat?

Olvassa el is

Supertanker Crime ussr kazánbaleset

Az olaj- és gázipar tengeri óriásai

Kis könnyűfém mentőcsónak "Chibis

A CSENGŐ