Podobnie jak istnienie różnych typów silników wewnętrzne spalanie, istnieją różne rodzaje ogniw paliwowych – wybór odpowiedni typ ogniwa paliwowego zależy od jego zastosowania.
ogniwa paliwowe dzieli się na wysoką temperaturę i niską temperaturę. Niskotemperaturowe ogniwa paliwowe wymagają względnie czystego wodoru jako paliwa. Często oznacza to, że przetwarzanie paliwa jest wymagane w celu przekształcenia paliwa podstawowego (takiego jak gaz ziemny) w czysty wodór. Proces ten zużywa dodatkową energię i wymaga specjalnego sprzętu. Wysokotemperaturowe ogniwa paliwowe nie potrzebują tej dodatkowej procedury, ponieważ mogą „wewnętrznie przetworzyć” paliwo w podwyższonej temperaturze, co oznacza, że nie ma potrzeby inwestowania w infrastrukturę wodorową.
Ogniwa paliwowe na stopionym węglanie (MCFC)
Ogniwa paliwowe ze stopionym elektrolitem węglanowym to wysokotemperaturowe ogniwa paliwowe. Wysoka temperatura pracy pozwala na bezpośrednie wykorzystanie gazu ziemnego bez procesora paliwowego oraz gazu opałowego o niskiej kaloryczności procesy produkcji oraz z innych źródeł. Proces ten został opracowany w połowie lat 60. Od tego czasu technologia produkcji, wydajność i niezawodność zostały udoskonalone.
Działanie RCFC różni się od innych ogniw paliwowych. Ogniwa te wykorzystują elektrolit z mieszaniny stopionych soli węglanowych. Obecnie stosuje się dwa rodzaje mieszanin: węglan litu i węglan potasu lub węglan litu i węglan sodu. Aby stopić sole węglanowe i osiągnąć wysoki stopień ruchliwość jonów w elektrolicie, ogniwa paliwowe ze stopionym elektrolitem węglanowym pracują w wysokich temperaturach (650°C). Wydajność waha się między 60-80%.
Po podgrzaniu do temperatury 650°C sole stają się przewodnikami dla jonów węglanowych (CO 3 2-). Jony te przechodzą z katody do anody, gdzie łączą się z wodorem, tworząc wodę, dwutlenek węgla i wolne elektrony. Te elektrony są przesyłane przez zewnętrzny obwód elektryczny z powrotem do katody, generując prąd elektryczny i ciepło jako produkt uboczny.
Reakcja anodowa: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Reakcja na katodzie: CO 2 + 1 / 2 O 2 + 2e - => CO 3 2-
Ogólna reakcja pierwiastka: H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) + CO 2 (katoda) => H 2 O (g) + CO 2 (anoda)
Wysokie temperatury pracy ogniw paliwowych ze stopionym elektrolitem węglanowym mają pewne zalety. W wysokich temperaturach gaz ziemny jest wewnętrznie przekształcany, co eliminuje potrzebę stosowania procesora paliwa. Dodatkowo do zalet można zaliczyć możliwość zastosowania standardowych materiałów konstrukcyjnych, takich jak blacha ze stali nierdzewnej oraz katalizator niklowy na elektrodach. Ciepło odpadowe można wykorzystać do wytwarzania pary pod wysokim ciśnieniem do różnych zastosowań przemysłowych i handlowych.
Wysokie temperatury reakcji w elektrolicie mają również swoje zalety. Przy zastosowaniu wysokich temperatur osiągnięcie optymalnych warunków pracy zajmuje dużo czasu, a system wolniej reaguje na zmiany zużycia energii. Te właściwości pozwalają na stosowanie systemów ogniw paliwowych ze stopionym elektrolitem węglanowym w warunkach stałej mocy. Wysokie temperatury zapobiegają uszkodzeniu ogniwa paliwowego przez tlenek węgla, „zatruciu” itp.
Ogniwa paliwowe ze stopionego węglanu nadają się do stosowania w dużych instalacjach stacjonarnych. Przemysłowo produkowane są elektrociepłownie o mocy elektrycznej 2,8 MW. Rozwijane są elektrownie o mocy do 100 MW.
Ogniwa paliwowe z kwasem fosforowym (PFC)
Ogniwa paliwowe oparte na kwasie fosforowym (ortofosforowym) były pierwszymi ogniwami paliwowymi do użytku komercyjnego. Proces ten został opracowany w połowie lat 60-tych i był testowany od lat 70-tych. Od tego czasu stabilność, wydajność i koszty zostały zwiększone.
Ogniwa paliwowe oparte na kwasie fosforowym (ortofosforowym) wykorzystują elektrolit na bazie kwasu ortofosforowego (H 3 PO 4) o stężeniu do 100%. Przewodnictwo jonowe kwasu fosforowego jest niskie w niskich temperaturach, dlatego te ogniwa paliwowe są używane w temperaturach do 150-220°C.
Nośnikiem ładunku w ogniwach paliwowych tego typu jest wodór (H + , proton). Podobny proces zachodzi w ogniwach paliwowych z membraną do wymiany protonów (MEFC), w których wodór dostarczany do anody jest rozdzielany na protony i elektrony. Protony przechodzą przez elektrolit i łączą się z tlenem z powietrza na katodzie, tworząc wodę. Elektrony są kierowane wzdłuż zewnętrznego obwodu elektrycznego i generowany jest prąd elektryczny. Poniżej przedstawiono reakcje generujące energię elektryczną i ciepło.
Reakcja na anodzie: 2H 2 => 4H + + 4e -
Reakcja na katodzie: O 2 (g) + 4H + + 4e - \u003d\u003e 2H 2 O
Ogólna reakcja elementarna: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
Sprawność ogniw paliwowych opartych na kwasie fosforowym (ortofosforowym) wynosi ponad 40% przy wytwarzaniu energii elektrycznej. W skojarzonej produkcji ciepła i energii elektrycznej ogólna sprawność wynosi około 85%. Ponadto, przy określonych temperaturach roboczych, ciepło odpadowe może być wykorzystywane do podgrzewania wody i wytwarzania pary o ciśnieniu atmosferycznym.
Wysoka wydajność elektrowni cieplnych na ogniwach paliwowych opartych na kwasie fosforowym (ortofosforowym) w skojarzonej produkcji ciepła i energii elektrycznej jest jedną z zalet tego typu ogniw paliwowych. Rośliny wykorzystują tlenek węgla w stężeniu około 1,5%, co znacznie poszerza wybór paliwa. Ponadto CO 2 nie wpływa na elektrolit i działanie ogniwa paliwowego, ogniwo tego typu pracuje z reformowanym paliwem naturalnym. Prosty projekt, niska lotność elektrolitu i zwiększona stabilność to również zalety tego typu ogniw paliwowych.
Elektrownie cieplne o mocy elektrycznej do 400 kW są produkowane przemysłowo. Odpowiednie testy przeszły instalacje o mocy 11 MW. Rozwijane są elektrownie o mocy do 100 MW.
Ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów (PME)
Ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów są uważane za najlepszy typ ogniw paliwowych do wytwarzania energii w pojazdach, który może zastąpić silniki spalinowe benzynowe i wysokoprężne. Te ogniwa paliwowe zostały po raz pierwszy użyte przez NASA w programie Gemini. Obecnie opracowywane i demonstrowane są instalacje na MOPFC o mocy od 1 W do 2 kW.
Te ogniwa paliwowe jako elektrolit wykorzystują stałą membranę polimerową (cienką folię z tworzywa sztucznego). Impregnowany wodą polimer przepuszcza protony, ale nie przewodzi elektronów.
Paliwem jest wodór, a nośnikiem ładunku jest jon wodoru (proton). Na anodzie cząsteczka wodoru jest rozdzielana na jon wodoru (proton) i elektrony. Jony wodoru przechodzą przez elektrolit do katody, a elektrony krążą wokół zewnętrznego koła i wytwarzają energia elektryczna. Tlen, który jest pobierany z powietrza, jest doprowadzany do katody i łączy się z elektronami i jonami wodoru, tworząc wodę. Na elektrodach zachodzą następujące reakcje:
Reakcja na anodzie: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reakcja na katodzie: O 2 + 2H 2 O + 4e - \u003d\u003e 4OH -
Ogólna reakcja elementarna: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
W porównaniu z innymi typami ogniw paliwowych, ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów wytwarzają więcej mocy przy danej objętości lub wadze ogniwa paliwowego. Ta cecha sprawia, że są kompaktowe i lekkie. Dodatkowo temperatura pracy jest niższa niż 100°C, co pozwala na szybkie rozpoczęcie pracy. Te cechy, a także możliwość szybkiej zmiany mocy wyjściowej, to tylko niektóre z cech, które sprawiają, że te ogniwa paliwowe są najlepszym kandydatem do zastosowania w pojazdach.
Inną zaletą jest to, że elektrolit jest substancją stałą, a nie płynną. Utrzymywanie gazów na katodzie i anodzie jest łatwiejsze w przypadku stałego elektrolitu, dlatego takie ogniwa paliwowe są tańsze w produkcji. W porównaniu z innymi elektrolitami zastosowanie elektrolitu stałego nie stwarza problemów takich jak orientacja, jest mniej problemów związanych z występowaniem korozji, co prowadzi do dłuższej żywotności ogniwa i jego elementów.
Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC)
Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem to ogniwa paliwowe o najwyższej temperaturze roboczej. Temperatura pracy może wahać się od 600°C do 1000°C, co pozwala na stosowanie różnych rodzajów paliw bez specjalnej obróbki wstępnej. Aby poradzić sobie z tymi wysokimi temperaturami, stosowanym elektrolitem jest cienki stały tlenek metalu na bazie ceramiki, często stop itru i cyrkonu, który jest przewodnikiem jonów tlenu (O 2 -). Technologia wykorzystania ogniw paliwowych ze stałym tlenkiem rozwija się od końca lat pięćdziesiątych XX wieku. i ma dwie konfiguracje: płaską i rurową.
Stały elektrolit zapewnia hermetyczne przejście gazu z jednej elektrody do drugiej, podczas gdy ciekłe elektrolity znajdują się w porowatym podłożu. Nośnikiem ładunku w ogniwach paliwowych tego typu jest jon tlenu (O 2 -). Na katodzie cząsteczki tlenu są rozdzielane z powietrza na jon tlenu i cztery elektrony. Jony tlenu przechodzą przez elektrolit i łączą się z wodorem, tworząc cztery wolne elektrony. Elektrony są kierowane przez zewnętrzny obwód elektryczny, generując prąd elektryczny i ciepło odpadowe.
Reakcja na anodzie: 2H 2 + 2O 2 - => 2H 2 O + 4e -
Reakcja na katodzie: O 2 + 4e - => 2O 2 -
Ogólna reakcja elementarna: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
Sprawność generowanej energii elektrycznej jest najwyższa ze wszystkich ogniw paliwowych - około 60%. Ponadto wysokie temperatury robocze pozwalają na łączne wytwarzanie ciepła i energii elektrycznej w celu wytworzenia pary pod wysokim ciśnieniem. Połączenie wysokotemperaturowego ogniwa paliwowego z turbiną tworzy hybrydowe ogniwo paliwowe, które zwiększa wydajność wytwarzania energii elektrycznej nawet o 70%.
Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem pracują w bardzo wysokich temperaturach (600°C-1000°C), co skutkuje długim czasem do osiągnięcia optymalnych warunków pracy, a system wolniej reaguje na zmiany zużycia energii. Przy tak wysokich temperaturach roboczych nie jest wymagany konwerter do odzyskiwania wodoru z paliwa, co pozwala elektrociepłowni pracować na stosunkowo zanieczyszczonych paliwach ze zgazowania węgla lub gazów odlotowych i tym podobnych. Ponadto to ogniwo paliwowe doskonale nadaje się do zastosowań o dużej mocy, w tym przemysłowych i dużych elektrowni centralnych. Przemysłowo produkowane moduły o wyjściowej mocy elektrycznej 100 kW.
Ogniwa paliwowe z bezpośrednim utlenianiem metanolu (DOMTE)
Technologia wykorzystania ogniw paliwowych z bezpośrednim utlenianiem metanolu przechodzi okres aktywnego rozwoju. Z powodzeniem ugruntowała swoją pozycję w dziedzinie żywienia telefony komórkowe, laptopów, a także do tworzenia przenośnych źródeł energii elektrycznej. jaki jest cel przyszłego zastosowania tych elementów.
Budowa ogniw paliwowych z bezpośrednim utlenianiem metanolu jest podobna do ogniw paliwowych z membraną do wymiany protonów (MOFEC), tj. polimer jest używany jako elektrolit, a jon wodoru (proton) jako nośnik ładunku. Jednak ciekły metanol (CH 3 OH) utlenia się w obecności wody na anodzie, uwalniając CO 2 , jony wodoru i elektrony, które są kierowane przez zewnętrzny obwód elektryczny i generowany jest prąd elektryczny. Jony wodoru przechodzą przez elektrolit i reagują z tlenem z powietrza i elektronami z obwodu zewnętrznego, tworząc wodę na anodzie.
Reakcja na anodzie: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Reakcja na katodzie: 3 / 2 O 2 + 6H + + 6e - => 3H 2 O
Ogólna reakcja elementarna: CH 3 OH + 3/2 O 2 => CO 2 + 2H 2 O
Rozwój tych ogniw paliwowych rozpoczął się na początku lat 90. Po opracowaniu ulepszonych katalizatorów i dzięki innym niedawnym innowacjom gęstość mocy i wydajność zostały zwiększone do 40%.
Elementy te zostały przetestowane w zakresie temperatur 50-120°C. Dzięki niskim temperaturom roboczym i braku potrzeby stosowania konwertera ogniwa paliwowe zasilane metanolem są najlepszym kandydatem do wielu zastosowań, od telefonów komórkowych i innych produktów konsumenckich po silniki samochodowe. Zaletą tego typu ogniw paliwowych są ich niewielkie rozmiary, wynikające z zastosowania paliwa płynnego oraz brak konieczności stosowania konwertera.
Alkaliczne ogniwa paliwowe (AFC)
Alkaliczne ogniwa paliwowe (ALFC) są jedną z najczęściej badanych technologii i są stosowane od połowy lat 60. XX wieku. przez NASA w programach Apollo i Space Shuttle. Na pokładzie tych statków kosmicznych ogniwa paliwowe wytwarzają energię elektryczną i woda pitna. Alkaliczne ogniwa paliwowe są jednymi z najwydajniejszych elementów wykorzystywanych do wytwarzania energii elektrycznej, a ich sprawność wytwarzania energii dochodzi do 70%.
Alkaliczne ogniwa paliwowe wykorzystują elektrolit, czyli wodny roztwór wodorotlenku potasu, zawarty w porowatej, stabilizowanej matrycy. Stężenie wodorotlenku potasu może zmieniać się w zależności od temperatury pracy ogniwa paliwowego, która waha się od 65°C do 220°C. Nośnikiem ładunku w SFC jest jon wodorotlenkowy (OH-) przemieszczający się z katody do anody, gdzie reaguje z wodorem, tworząc wodę i elektrony. Woda wytwarzana na anodzie wraca do katody, ponownie wytwarzając tam jony wodorotlenkowe. W wyniku tej serii reakcji zachodzących w ogniwie paliwowym powstaje energia elektryczna, a jako produkt uboczny ciepło:
Reakcja na anodzie: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reakcja na katodzie: O 2 + 2H 2 O + 4e - \u003d\u003e 4OH -
Ogólna reakcja układu: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
Zaletą SFC jest to, że te ogniwa paliwowe są najtańsze w produkcji, ponieważ katalizatorem potrzebnym na elektrodach może być dowolna substancja, która jest tańsza niż te stosowane jako katalizatory w innych ogniwach paliwowych. Ponadto SCFC działają w relatywnie niskiej temperaturze i należą do najbardziej wydajnych ogniw paliwowych – taka charakterystyka może odpowiednio przyczynić się do szybszego wytwarzania energii i wysokiej efektywności paliwowej.
Jedną z charakterystycznych cech SHTE jest wysoka wrażliwość na CO 2 , który może być zawarty w paliwie lub powietrzu. CO 2 reaguje z elektrolitem, szybko go zatruwa i znacznie zmniejsza wydajność ogniwa paliwowego. Dlatego użycie SFC jest ograniczone do przestrzeni zamkniętych, takich jak pojazdy kosmiczne i podwodne, muszą one działać na czystym wodorze i tlenie. Co więcej, molekuły takie jak CO, H 2 O i CH 4 , które są bezpieczne dla innych ogniw paliwowych, a nawet paliwo dla niektórych z nich, są szkodliwe dla SFC.
Ogniwa paliwowe z elektrolitem polimerowym (PETE)
W przypadku ogniw paliwowych z elektrolitem polimerowym membrana polimerowa składa się z włókien polimerowych z obszarami wodnymi, w których następuje przewodzenie jonów wody H 2 O + (proton, czerwień) przyłączonych do cząsteczki wody. Cząsteczki wody stanowią problem ze względu na powolną wymianę jonową. Dlatego wymagane jest wysokie stężenie wody zarówno w paliwie, jak i na elektrodach wydechowych, co ogranicza temperaturę pracy do 100°C.
Ogniwa paliwowe na kwas stały (SCFC)
W kwasowych ogniwach paliwowych elektrolit (C s HSO 4 ) nie zawiera wody. Temperatura robocza wynosi zatem 100-300°C. Rotacja anionów SO 4 2-oksy umożliwia ruch protonów (kolor czerwony), jak pokazano na rysunku. Zwykle ogniwo paliwowe na kwas stały to kanapka, w której bardzo cienka warstwa stałego związku kwasowego jest umieszczona pomiędzy dwiema mocno ściśniętymi elektrodami, aby zapewnić dobry kontakt. Po podgrzaniu składnik organiczny odparowuje, wydostając się przez pory w elektrodach, zachowując zdolność do licznych kontaktów między paliwem (lub tlenem na drugim końcu ogniwa), elektrolitem i elektrodami.
| Typ ogniwa paliwowego | Temperatura pracy | Efektywność wytwarzania energii | Typ paliwa | Obszar zastosowań |
|---|---|---|---|---|
| RKTE | 550–700°C | 50-70% | Średnie i duże instalacje | |
| FKTE | 100–220°C | 35-40% | czysty wodór | Duże instalacje |
| MOPTE | 30-100°C | 35-50% | czysty wodór | Małe instalacje |
| SOFC | 450–1000°C | 45-70% | Większość paliw węglowodorowych | Małe, średnie i duże instalacje |
| POMTE | 20-90°C | 20-30% | metanol | Jednostki przenośne |
| SHTE | 50–200°C | 40-65% | czysty wodór | badanie przestrzeni kosmicznej |
| PETE | 30-100°C | 35-50% | czysty wodór | Małe instalacje |
Część 1
W niniejszym artykule szerzej omówiono zasadę działania ogniw paliwowych, ich budowę, klasyfikację, zalety i wady, zakres, wydajność, historię powstania oraz współczesne perspektywy wykorzystania. W drugiej części artykułu, który ukaże się w kolejnym numerze magazynu ABOK, podaje przykłady obiektów, w których zastosowano różnego rodzaju ogniwa paliwowe jako źródła ciepła i energii elektrycznej (lub tylko energii elektrycznej).
Wstęp
Ogniwa paliwowe są bardzo wydajnym, niezawodnym, trwałym i przyjaznym dla środowiska sposobem wytwarzania energii.
Początkowo stosowane tylko w przemyśle kosmicznym, obecnie coraz częściej wykorzystywane są w różnych dziedzinach – jako elektrownie stacjonarne, autonomiczne źródła ciepła i prądu dla budynków, silniki pojazdów, zasilacze do laptopów i telefonów komórkowych. Część z tych urządzeń to prototypy laboratoryjne, część przechodzi testy przedseryjne lub służy do celów demonstracyjnych, ale wiele modeli jest produkowanych masowo i wykorzystywanych w projektach komercyjnych.
Ogniwo paliwowe (generator elektrochemiczny) to urządzenie przetwarzające energię chemiczną paliwa (wodoru) na energię elektryczną bezpośrednio w procesie reakcji elektrochemicznej, w przeciwieństwie do tradycyjnych technologii wykorzystujących spalanie paliw stałych, ciekłych i gazowych. Bezpośrednia elektrochemiczna konwersja paliwa jest bardzo wydajna i atrakcyjna z ekologicznego punktu widzenia, ponieważ podczas pracy wydziela się minimalna ilość zanieczyszczeń oraz nie występują silne hałasy i wibracje.
Z praktycznego punktu widzenia ogniwo paliwowe przypomina konwencjonalną baterię galwaniczną. Różnica polega na tym, że początkowo akumulator jest naładowany, czyli napełniony „paliwem”. Podczas pracy zużywane jest „paliwo” i rozładowywany jest akumulator. W przeciwieństwie do akumulatora, ogniwo paliwowe wykorzystuje paliwo dostarczane z zewnętrznego źródła do wytwarzania energii elektrycznej (rys. 1).
Do produkcji energii elektrycznej można wykorzystać nie tylko czysty wodór, ale także inne surowce zawierające wodór, takie jak gaz ziemny, amoniak, metanol czy benzyna. Zwykłe powietrze służy jako źródło tlenu, który jest również niezbędny do reakcji.
Gdy jako paliwo stosuje się czysty wodór, produktami reakcji oprócz energii elektrycznej są ciepło i woda (lub para wodna), czyli do atmosfery nie są emitowane żadne gazy powodujące zanieczyszczenie powietrza lub efekt cieplarniany. Jeżeli jako paliwo zostanie użyty surowiec zawierający wodór, taki jak gaz ziemny, produktem ubocznym reakcji będą inne gazy, takie jak tlenki węgla i azotu, ale ich ilość będzie znacznie mniejsza niż przy spalaniu tego samego ilość gazu ziemnego.
Proces chemicznej konwersji paliwa w celu wytworzenia wodoru nazywamy reformingiem, a odpowiadające mu urządzenie reformerem.
Wady i zalety ogniw paliwowych
Ogniwa paliwowe są bardziej energooszczędne niż silniki spalinowe, ponieważ nie ma termodynamicznych ograniczeń efektywności energetycznej ogniw paliwowych. Sprawność ogniw paliwowych wynosi 50%, podczas gdy sprawność silników spalinowych to 12-15%, a sprawność elektrowni z turbiną parową nie przekracza 40%. Wykorzystanie ciepła i wody jeszcze bardziej zwiększa wydajność ogniw paliwowych.
W przeciwieństwie np. do silników spalinowych, wydajność ogniw paliwowych pozostaje bardzo wysoka nawet wtedy, gdy nie pracują one z pełną mocą. Dodatkowo moc ogniw paliwowych można zwiększyć po prostu dodając osobne bloki, przy czym wydajność się nie zmienia, czyli duże instalacje są tak samo wydajne jak małe. Okoliczności te pozwalają na bardzo elastyczny dobór składu wyposażenia zgodnie z życzeniem klienta i ostatecznie prowadzą do obniżenia kosztów wyposażenia.
Ważną zaletą ogniw paliwowych jest ich przyjazność dla środowiska. Emisje zanieczyszczeń do powietrza z pracy ogniw paliwowych są tak niskie, że w niektórych rejonach Stanów Zjednoczonych nie wymagają specjalnego pozwolenia od agencje rządowe kontrolowanie jakości środowiska powietrza.
Ogniwa paliwowe można umieścić bezpośrednio w budynku, zmniejszając w ten sposób straty przesyłu energii, a ciepło powstałe w wyniku reakcji można wykorzystać do dostarczenia ciepła lub ciepłej wody do budynku. Autonomiczne źródła ciepła i zasilania mogą być bardzo korzystne w odległych obszarach i regionach, które charakteryzują się niedoborem energii elektrycznej i jej wysokimi kosztami, ale jednocześnie istnieją rezerwy surowców zawierających wodór (ropa naftowa, gaz ziemny) .
Zaletami ogniw paliwowych są również dostępność paliwa, niezawodność (w ogniwie paliwowym nie ma żadnych ruchomych części), trwałość i łatwość obsługi.
Jedną z głównych wad dzisiejszych ogniw paliwowych jest ich stosunkowo wysoki koszt, ale ta wada może wkrótce zostać przezwyciężona, gdy więcej firm zacznie produkować próbki handlowe ogniw paliwowych, są one stale udoskonalane, a ich koszt maleje.
Najbardziej efektywne wykorzystanie czystego wodoru jako paliwa będzie jednak wymagało stworzenia specjalnej infrastruktury do jego produkcji i transportu. Obecnie wszystkie projekty komercyjne wykorzystują gaz ziemny i podobne paliwa. Pojazdy mechaniczne mogą korzystać ze zwykłej benzyny, co pozwoli na utrzymanie istniejącej, rozbudowanej sieci stacji benzynowych. Stosowanie takiego paliwa prowadzi jednak do szkodliwych emisji do atmosfery (choć bardzo niskich) oraz komplikuje (a co za tym idzie zwiększa koszt) ogniwa paliwowego. W przyszłości możliwość wykorzystania przyjaznych dla środowiska odnawialnych źródeł energii (np. energia słoneczna lub energia wiatrowa) w celu rozłożenia wody na wodór i tlen w drodze elektrolizy, a następnie przekształcenia powstałego paliwa w ogniwie paliwowym. Takie połączone elektrownie pracujące w obiegu zamkniętym mogą być całkowicie przyjaznym dla środowiska, niezawodnym, trwałym i wydajnym źródłem energii.
Kolejną cechą ogniw paliwowych jest to, że są one najbardziej wydajne, gdy jednocześnie wykorzystują energię elektryczną i cieplną. Jednak nie w każdym obiekcie dostępna jest możliwość wykorzystania energii cieplnej. W przypadku wykorzystania ogniw paliwowych wyłącznie do wytwarzania energii elektrycznej ich sprawność spada, choć przewyższa sprawność „tradycyjnych” instalacji.
Historia i współczesne zastosowania ogniw paliwowych
Zasada działania ogniw paliwowych została odkryta w 1839 roku. Angielski naukowiec William Grove (1811-1896) odkrył, że proces elektrolizy - rozkładu wody na wodór i tlen za pomocą prądu elektrycznego - jest odwracalny, tzn. wodór i tlen można połączyć w cząsteczki wody bez spalania, ale z uwalnianie ciepła i prądu elektrycznego. Grove nazwał urządzenie, w którym przeprowadzono taką reakcję, „baterią gazową”, która była pierwszym ogniwem paliwowym.
Aktywny rozwój technologii ogniw paliwowych rozpoczął się po drugiej wojnie światowej i jest związany z przemysłem lotniczym. W tym czasie prowadzono poszukiwania wydajnego i niezawodnego, ale jednocześnie dość kompaktowego źródła energii. W latach 60. XX wieku specjaliści z NASA (National Aeronautics and Space Administration, NASA) wybrali ogniwa paliwowe jako źródło zasilania statków kosmicznych programów Apollo (załogowych lotów na Księżyc), Apollo-Sojuz, Gemini i Skylab. . Apollo wykorzystywał trzy jednostki o mocy 1,5 kW (moc szczytowa 2,2 kW) wykorzystujące kriogeniczny wodór i tlen do produkcji energii elektrycznej, ciepła i wody. Masa każdej instalacji wynosiła 113 kg. Te trzy ogniwa pracowały równolegle, ale energia generowana przez jedną jednostkę wystarczyła na bezpieczny powrót. Podczas 18 lotów ogniwa paliwowe przepracowały łącznie 10 000 godzin bez żadnych awarii. Obecnie ogniwa paliwowe stosowane są w promie kosmicznym „Space Shuttle”, który wykorzystuje trzy jednostki o mocy 12 W, które wytwarzają całą energię elektryczną na pokładzie statku kosmicznego (rys. 2). Woda uzyskana w wyniku reakcji elektrochemicznej wykorzystywana jest jako woda pitna, a także do chłodzenia urządzeń.
W naszym kraju trwały również prace nad stworzeniem ogniw paliwowych do wykorzystania w astronautyce. Na przykład do zasilania wykorzystano ogniwa paliwowe sowiecki statek wielokrotnego użytku „Buran”.
Rozwój metod komercyjnego wykorzystania ogniw paliwowych rozpoczął się w połowie lat 60. XX wieku. Zmiany te były częściowo finansowane przez organizacje rządowe.
Obecnie rozwój technologii wykorzystania ogniw paliwowych przebiega w kilku kierunkach. Jest to tworzenie stacjonarnych elektrowni na ogniwa paliwowe (zarówno dla scentralizowanego, jak i zdecentralizowanego zasilania w energię), elektrowni pojazdów (m.in. w naszym kraju powstały próbki samochodów i autobusów na ogniwach paliwowych) (ryc. 3), oraz także zasilacze do różnych urządzeń mobilnych (laptopy, telefony komórkowe itp.) (rys. 4).
Przykłady wykorzystania ogniw paliwowych w różnych dziedzinach podano w tabeli. jeden.
Jednym z pierwszych komercyjnych modeli ogniw paliwowych przeznaczonych do autonomicznego zasilania budynków w ciepło i energię był PC25 Model A produkowany przez firmę ONSI Corporation (obecnie United Technologies, Inc.). To ogniwo paliwowe o mocy nominalnej 200 kW należy do typu ogniw z elektrolitem na bazie kwasu fosforowego (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC). Cyfra „25” w nazwie modelu oznacza numer seryjny wzoru. Większość poprzednich modeli to egzemplarze eksperymentalne lub testowe, takie jak model „PC11” o mocy 12,5 kW, który pojawił się w latach 70. Nowe modele zwiększyły moc pobieraną z pojedynczego ogniwa paliwowego, a także obniżyły koszt kilowata wyprodukowanej energii. Obecnie jednym z najbardziej wydajnych komercyjnych modeli jest ogniwo paliwowe PC25 Model C. Podobnie jak model „A” jest to w pełni automatyczne ogniwo paliwowe typu PAFC o mocy 200 kW, przeznaczone do montażu bezpośrednio na obsługiwanym obiekcie jako niezależne źródło ciepła i energii elektrycznej. Takie ogniwo paliwowe można zainstalować na zewnątrz budynku. Zewnętrznie jest to równoległościan o długości 5,5 m, szerokości 3 m i wysokości 3 m, ważący 18 140 kg. W porównaniu z poprzednimi modelami różni się ulepszonym reformerem i wyższą gęstością prądu.
| Tabela 1 Zakres ogniw paliwowych |
|||||||||||||||
|
W niektórych typach ogniw paliwowych proces chemiczny można odwrócić: przykładając różnicę potencjałów do elektrod, wodę można rozłożyć na wodór i tlen, które gromadzą się na porowatych elektrodach. Po podłączeniu obciążenia takie regeneracyjne ogniwo paliwowe zacznie generować energię elektryczną.
Obiecującym kierunkiem wykorzystania ogniw paliwowych jest ich wykorzystanie w połączeniu z odnawialnymi źródłami energii, takimi jak panele fotowoltaiczne czy turbiny wiatrowe. Technologia ta pozwala całkowicie uniknąć zanieczyszczenia powietrza. Podobny system ma powstać np. w Ośrodku Szkoleniowym im. Adama Josepha Lewisa w Oberlinie (zob. ABOK, 2002, nr 5, s. 10). Obecnie jako jedno ze źródeł energii w tym budynku panele słoneczne. Wspólnie ze specjalistami z NASA powstał projekt wykorzystania paneli fotowoltaicznych do produkcji wodoru i tlenu z wody na drodze elektrolizy. Wodór jest następnie wykorzystywany w ogniwach paliwowych do wytwarzania energii elektrycznej i ciepłej wody. Pozwoli to zachować wydajność wszystkich systemów budynku w pochmurne dni iw nocy.
Zasada działania ogniw paliwowych
Rozważmy na przykładzie zasadę działania ogniwa paliwowego z wykorzystaniem najprostszego elementu z membraną do wymiany protonów (Proton Exchange Membrane, PEM). Element taki składa się z polimerowej membrany umieszczonej pomiędzy anodą (elektroda dodatnia) i katodą (elektroda ujemna) wraz z katalizatorami anodowym i katodowym. Jako elektrolit zastosowano membranę polimerową. Schemat elementu PEM pokazano na ryc. 5.
Membrana do wymiany protonów (PEM) to cienki (około 2-7 arkuszy zwykłego papieru grubości) stały związek organiczny. Ta membrana działa jak elektrolit: rozdziela materię na dodatnio i ujemnie naładowane jony w obecności wody.
Na anodzie zachodzi proces utleniania, a na katodzie proces redukcji. Anoda i katoda w ogniwie PEM wykonane są z porowatego materiału będącego mieszaniną cząstek węgla i platyny. Platyna działa jak katalizator, który sprzyja reakcji dysocjacji. Anoda i katoda są porowate, aby umożliwić swobodny przepływ odpowiednio wodoru i tlenu.
Anoda i katoda są umieszczone między dwiema metalowymi płytkami, które dostarczają wodór i tlen do anody i katody oraz odprowadzają ciepło i wodę, a także energię elektryczną.
Cząsteczki wodoru przechodzą przez kanały w płytce do anody, gdzie cząsteczki rozkładają się na pojedyncze atomy (rys. 6).
Rysunek 5 () Schemat ideowy ogniwa paliwowego z membraną do wymiany protonów (PEM). |
|
Rysunek 6 () Cząsteczki wodoru przez kanały w płytce wchodzą do anody, gdzie cząsteczki ulegają rozkładowi na pojedyncze atomy |
|
Rysunek 7 () W wyniku chemisorpcji w obecności katalizatora atomy wodoru przekształcane są w protony |
|
Cyfra 8 () Dodatnio naładowane jony wodoru dyfundują przez membranę do katody, a przepływ elektronów jest kierowany do katody przez zewnętrzny obwód elektryczny, do którego podłączone jest obciążenie. |
|
Rysunek 9 () Tlen dostarczony do katody w obecności katalizatora wchodzi w reakcję chemiczną z jonami wodoru z membrany wymiany protonów i elektronami z zewnętrznego obwodu elektrycznego. Woda powstaje w wyniku reakcji chemicznej |
Następnie, w wyniku chemisorpcji w obecności katalizatora, atomy wodoru, z których każdy oddaje jeden elektron e - , przekształcane są w dodatnio naładowane jony wodoru H +, czyli protony (Rys. 7).
Dodatnio naładowane jony wodoru (protony) dyfundują przez membranę do katody, a strumień elektronów kierowany jest do katody przez zewnętrzny obwód elektryczny, do którego podłączone jest obciążenie (odbiornik energii elektrycznej) (rys. 8).
Tlen dostarczony do katody w obecności katalizatora wchodzi w reakcję chemiczną z jonami wodoru (protonami) z membrany protonowymiennej i elektronami z zewnętrznego obwodu elektrycznego (rys. 9). W wyniku reakcji chemicznej powstaje woda.
Reakcja chemiczna w ogniwie paliwowym innego typu (na przykład z kwaśnym elektrolitem, którym jest roztwór kwasu fosforowego H 3 PO 4) jest absolutnie identyczna z reakcją chemiczną w ogniwie paliwowym z membraną do wymiany protonów.
W każdym ogniwie paliwowym część energii reakcji chemicznej jest uwalniana w postaci ciepła.
Przepływ elektronów w obwodzie zewnętrznym jest prądem stałym, który służy do wykonania pracy. Otwarcie obwodu zewnętrznego lub zatrzymanie ruchu jonów wodorowych zatrzymuje reakcję chemiczną.
Ilość energii elektrycznej wytwarzanej przez ogniwo paliwowe zależy od typu ogniwa, wymiarów geometrycznych, temperatury, ciśnienia gazu. Pojedyncze ogniwo paliwowe zapewnia EMF poniżej 1,16 V. Możliwe jest zwiększenie rozmiarów ogniw paliwowych, ale w praktyce stosuje się kilka ogniw połączonych w baterie (rys. 10).
Urządzenie z ogniwami paliwowymi
Rozważmy urządzenie na ogniwa paliwowe na przykładzie modelu PC25 Model C. Schemat ogniwa paliwowego pokazano na ryc. jedenaście.
Ogniwo paliwowe „PC25 Model C” składa się z trzech głównych części: procesora paliwowego, właściwej sekcji wytwarzania energii oraz przetwornicy napięcia.
Główną częścią ogniwa paliwowego - sekcją wytwarzania energii - jest stos składający się z 256 pojedynczych ogniw paliwowych. Skład elektrod ogniw paliwowych obejmuje katalizator platynowy. Przez te ogniwa generowany jest stały prąd elektryczny o natężeniu 1400 amperów przy napięciu 155 woltów. Wymiary baterii to około 2,9 m długości oraz 0,9 m szerokości i wysokości.
Ponieważ proces elektrochemiczny odbywa się w temperaturze 177°C, konieczne jest podgrzanie akumulatora w momencie rozruchu i odprowadzanie z niego ciepła podczas pracy. W tym celu ogniwo paliwowe zawiera oddzielny obieg wody, a akumulator jest wyposażony w specjalne płyty chłodzące.
Procesor paliwa umożliwia konwersję gazu ziemnego na wodór, który jest niezbędny do reakcji elektrochemicznej. Ten proces nazywa się reformowaniem. Głównym elementem procesora paliwa jest reformer. W reformerze gaz ziemny (lub inne paliwo zawierające wodór) reaguje z parą wodną w wysokiej temperaturze (900°C) i pod wysokim ciśnieniem w obecności katalizatora niklowego. Zachodzą następujące reakcje chemiczne:
CH4 (metan) + H2O3H2 + CO
(reakcja endotermiczna, z absorpcją ciepła);
CO + H 2 O H 2 + CO 2
(reakcja jest egzotermiczna, z wydzielaniem ciepła).
Ogólną reakcję wyraża równanie:
CH4 (metan) + 2H2O4H2 + CO2
(reakcja endotermiczna, z absorpcją ciepła).
Aby zapewnić wysoką temperaturę wymaganą do konwersji gazu ziemnego, część zużytego paliwa ze stosu ogniw paliwowych kierowana jest do palnika, który utrzymuje reformer w wymaganej temperaturze.
Para potrzebna do reformingu jest generowana z kondensatu powstającego podczas pracy ogniwa paliwowego. W tym przypadku wykorzystywane jest ciepło odebrane z stosu ogniw paliwowych (rys. 12).
Stos ogniw paliwowych generuje przerywany prąd stały, który charakteryzuje się niskim napięciem i wysokim prądem. Konwerter napięcia służy do przekształcenia go na standard przemysłowy AC. Ponadto jednostka przetwornicy napięcia zawiera różne urządzenia sterujące i obwody blokad bezpieczeństwa, które umożliwiają wyłączenie ogniwa paliwowego w przypadku różnych awarii.
W takim ogniwie paliwowym około 40% energii zawartej w paliwie można przekształcić w energię elektryczną. W przybliżeniu taką samą ilość, około 40% energii paliwa, można przetworzyć energia cieplna, który jest następnie wykorzystywany jako źródło ciepła do ogrzewania, zaopatrzenia w ciepłą wodę i podobnych celów. Zatem całkowita wydajność takiej instalacji może osiągnąć 80%.
Istotną zaletą takiego źródła ciepła i energii elektrycznej jest możliwość jego automatycznej pracy. W celu konserwacji właściciele obiektu, na którym zainstalowane jest ogniwo paliwowe, nie muszą utrzymywać specjalnie przeszkolonego personelu - okresowa konserwacja mogą być przeprowadzane przez pracowników organizacji operacyjnej.
Rodzaje ogniw paliwowych
Obecnie znanych jest kilka rodzajów ogniw paliwowych, różniących się składem zastosowanego elektrolitu. Najbardziej rozpowszechnione są następujące cztery typy (tabela 2):
1. Ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC).
2. Ogniwa paliwowe na bazie kwasu ortofosforowego (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC).
3. Ogniwa paliwowe na bazie stopionego węglanu (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).
4. Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC). Obecnie największa flota ogniw paliwowych budowana jest w oparciu o technologię PAFC.
Jedna z kluczowych cech różne rodzaje ogniwo paliwowe ma temperaturę roboczą. Pod wieloma względami to temperatura określa zakres ogniw paliwowych. Na przykład wysokie temperatury mają krytyczne znaczenie dla laptopów, dlatego dla tego segmentu rynku opracowywane są ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów o niskich temperaturach roboczych.
Do autonomicznego zasilania budynków wymagane są ogniwa paliwowe o dużej mocy zainstalowanej, a jednocześnie istnieje możliwość wykorzystania energii cieplnej, dlatego do tych celów można zastosować inne typy ogniw paliwowych.
Ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów (PEMFC)
Te ogniwa paliwowe działają w stosunkowo niskich temperaturach roboczych (60-160°C). Charakteryzują się dużą gęstością mocy, pozwalają na szybką regulację mocy wyjściowej, a także można je szybko włączyć. Wadą tego typu elementów są wysokie wymagania co do jakości paliwa, ponieważ zanieczyszczone paliwo może uszkodzić membranę. Nominalna moc ogniw paliwowych tego typu wynosi 1-100 kW.
Ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów zostały pierwotnie opracowane przez General Electric Corporation w latach 60. XX wieku dla NASA. Ten typ ogniwa paliwowego wykorzystuje elektrolit polimerowy w stanie stałym zwany membraną wymiany protonów (PEM). Protony mogą przechodzić przez membranę wymiany protonów, ale elektrony nie mogą przez nią przechodzić, co powoduje różnicę potencjałów między katodą a anodą. Ze względu na swoją prostotę i niezawodność, takie ogniwa paliwowe były wykorzystywane jako źródło zasilania statku załogowego statek kosmiczny Bliźnięta.
Ten typ ogniwa paliwowego jest wykorzystywany jako źródło zasilania dla szerokiej gamy różnych urządzeń, w tym prototypów i prototypów, od telefonów komórkowych po autobusy i stacjonarne systemy zasilania. Niska temperatura pracy pozwala na wykorzystanie takich ogniw do zasilania różnego rodzaju kompleksów urządzenia elektryczne. Mniej efektywne jest ich wykorzystanie jako źródła ciepła i zasilania budynków użyteczności publicznej i przemysłowych, gdzie wymagane są duże ilości energii cieplnej. Jednocześnie takie elementy są obiecujące jako autonomiczne źródło zasilania dla małych budynków mieszkalnych, takich jak domki letniskowe budowane w regionach o gorącym klimacie.
| Tabela 2 Rodzaje ogniw paliwowych |
||||||||||||||||||||
|
Ogniwa paliwowe z kwasem fosforowym (PAFC)
Testy ogniw paliwowych tego typu prowadzono już na początku lat 70-tych. Zakres temperatur pracy - 150-200°C. Głównym obszarem zastosowania są autonomiczne źródła ciepła i zasilania średniej mocy (około 200 kW).
Elektrolit stosowany w tych ogniwach paliwowych jest roztworem kwasu fosforowego. Elektrody wykonane są z papieru powlekanego węglem, w którym rozproszony jest katalizator platynowy.
Sprawność elektryczna ogniw paliwowych PAFC wynosi 37-42%. Ponieważ jednak te ogniwa paliwowe pracują w odpowiednio wysokiej temperaturze, możliwe jest wykorzystanie pary powstającej w wyniku ich pracy. W takim przypadku ogólna wydajność może osiągnąć 80%.
Aby wytworzyć energię, surowiec zawierający wodór musi zostać przekształcony w czysty wodór w procesie reformingu. Na przykład, jeśli jako paliwo stosuje się benzynę, należy usunąć związki siarki, ponieważ siarka może uszkodzić katalizator platynowy.
Ogniwa paliwowe PAFC były pierwszymi komercyjnymi ogniwami paliwowymi, które miały uzasadnienie ekonomiczne. Najpopularniejszym modelem było ogniwo paliwowe PC25 o mocy 200 kW produkowane przez firmę ONSI Corporation (obecnie United Technologies, Inc.) (rys. 13). Na przykład elementy te są wykorzystywane jako źródło ciepła i elektryczności na posterunku policji w nowojorskim Central Parku lub jako dodatkowe źródło energii dla budynku Conde Nast i Four Times Square. Największa elektrownia tego typu jest testowana jako elektrownia o mocy 11 MW zlokalizowana w Japonii.
Ogniwa paliwowe na bazie kwasu fosforowego są również wykorzystywane jako źródło energii w pojazdach. Na przykład w 1994 roku firma H-Power Corp., Uniwersytet Georgetown i Departament Energii Stanów Zjednoczonych wyposażyła autobus w elektrownię o mocy 50 kW.
Ogniwa paliwowe ze stopionego węglanu (MCFC)
Ogniwa paliwowe tego typu pracują w bardzo wysokich temperaturach - 600-700°C. Te temperatury robocze pozwalają na wykorzystanie paliwa bezpośrednio w samym ogniwie, bez potrzeby stosowania oddzielnego reformera. Proces ten nazywany jest „reformacją wewnętrzną”. Pozwala to znacznie uprościć konstrukcję ogniwa paliwowego.
Ogniwa paliwowe oparte na stopionym węglanie wymagają znacznego czasu rozruchu i nie pozwalają na szybkie dostosowanie mocy wyjściowej, dlatego ich głównym obszarem zastosowania są duże stacjonarne źródła ciepła i energii elektrycznej. Wyróżnia je jednak wysoka sprawność konwersji paliwa - sprawność elektryczna 60% i sprawność ogólna do 85%.
W tego typu ogniwach paliwowych elektrolit składa się z soli węglanu potasu i węglanu litu podgrzanych do około 650°C. W tych warunkach sole są w stanie stopionym, tworząc elektrolit. Na anodzie wodór oddziałuje z jonami CO 3, tworząc wodę, dwutlenek węgla i uwalniając elektrony, które są wysyłane do obwodu zewnętrznego, a na katodzie tlen oddziałuje z dwutlenkiem węgla i elektronami z obwodu zewnętrznego, ponownie tworząc jony CO 3.
Próbki laboratoryjne ogniw paliwowych tego typu stworzyli pod koniec lat 50. XX wieku holenderscy naukowcy G. H. J. Broers i J. A. A. Ketelaar. W latach 60. inżynier Francis T. Bacon, potomek słynnego XVII-wiecznego angielskiego pisarza i naukowca, pracował z tymi pierwiastkami, dlatego ogniwa paliwowe MCFC są czasami określane jako elementy Bacona. Programy NASA Apollo, Apollo-Sojuz i Scylab wykorzystywały właśnie takie ogniwa paliwowe jako źródło zasilania (ryc. 14). W tych samych latach departament wojskowy USA przetestował kilka próbek ogniw paliwowych MCFC wyprodukowanych przez firmę Texas Instruments, w których jako paliwo zastosowano benzynę wojskową. W połowie lat siedemdziesiątych Departament Energii Stanów Zjednoczonych rozpoczął badania mające na celu opracowanie stacjonarnego ogniwa paliwowego ze stopionego węglanu, nadającego się do zastosowań praktycznych. W latach 90. uruchomiono szereg komercyjnych jednostek o mocy do 250 kW, na przykład w US Naval Air Station Miramar w Kalifornii. W 1996 roku firma FuelCell Energy, Inc. uruchomiony w operacja próbna Elektrownia przedseryjna o mocy 2 MW w Santa Clara w Kalifornii.
Ogniwa paliwowe na bazie tlenków stałych (SOFC)
Stałe tlenkowe ogniwa paliwowe są proste w konstrukcji i działają w bardzo wysokich temperaturach - 700-1000 °C. Tak wysokie temperatury pozwalają na stosowanie stosunkowo „brudnego”, nierafinowanego paliwa. Te same cechy, co w ogniwach paliwowych opartych na stopionym węglanie, determinują podobny obszar zastosowania – duże stacjonarne źródła ciepła i energii elektrycznej.
Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem różnią się strukturalnie od ogniw paliwowych opartych na technologiach PAFC i MCFC. Anoda, katoda i elektrolit są wykonane ze specjalnych gatunków ceramiki. Najczęściej jako elektrolit stosuje się mieszaninę tlenku cyrkonu i tlenku wapnia, ale można stosować inne tlenki. Elektrolit tworzy sieć krystaliczną pokrytą z obu stron porowatym materiałem elektrody. Konstrukcyjnie takie elementy wykonane są w postaci rurek lub płaskich płyt, co umożliwia wykorzystanie w ich produkcji technologii szeroko stosowanych w przemyśle elektronicznym. Dzięki temu tlenkowe ogniwa paliwowe w stanie stałym mogą pracować w bardzo wysokich temperaturach, dzięki czemu mogą być wykorzystywane zarówno do produkcji energii elektrycznej, jak i cieplnej.
W wysokich temperaturach roboczych na katodzie tworzą się jony tlenu, które migrują przez sieć krystaliczną do anody, gdzie oddziałują z jonami wodoru, tworząc wodę i uwalniając wolne elektrony. W tym przypadku wodór jest uwalniany z gazu ziemnego bezpośrednio w ogniwie, czyli nie ma potrzeby stosowania osobnego reformera.
Teoretyczne podstawy do stworzenia tlenkowych ogniw paliwowych w stanie stałym zostały położone pod koniec lat 30. XX wieku, kiedy szwajcarscy naukowcy Bauer (Emil Bauer) i Preis (H. Preis) eksperymentowali z cyrkonem, itrem, cerem, lantanem i wolframem, używając ich jako elektrolity.
Pierwsze prototypy takich ogniw paliwowych powstały pod koniec lat pięćdziesiątych XX wieku w wielu firmach amerykańskich i holenderskich. Większość z tych firm szybko zrezygnowała z dalszych badań ze względu na trudności technologiczne, ale jedna z nich, Westinghouse Electric Corp. (obecnie „Siemens Westinghouse Power Corporation”), kontynuowano prace. Obecnie firma przyjmuje wstępne zamówienia na komercyjny model ogniwa paliwowego ze stałym tlenkiem o topologii rurowej, który spodziewany jest w tym roku (Rysunek 15). Segmentem rynku takich elementów są stacjonarne instalacje do produkcji ciepła i energii elektrycznej o mocy od 250 kW do 5 MW.
Ogniwa paliwowe typu SOFC wykazały bardzo wysoką niezawodność. Na przykład prototyp ogniwa paliwowego Siemens Westinghouse przepracował 16 600 godzin i nadal działa, co oznacza najdłuższą nieprzerwaną żywotność ogniwa paliwowego na świecie.
Wysokotemperaturowy, wysokociśnieniowy tryb pracy ogniw paliwowych SOFC umożliwia tworzenie elektrowni hybrydowych, w których emisje z ogniw paliwowych napędzają turbiny gazowe wykorzystywane do wytwarzania energii elektrycznej. Pierwsza taka hybrydowa fabryka działa w Irvine w Kalifornii. Moc znamionowa tej elektrowni wynosi 220 kW, z czego 200 kW pochodzi z ogniwa paliwowego, a 20 kW z generatora mikroturbinowego.
Stany Zjednoczone podjęły kilka inicjatyw w celu opracowania wodorowych ogniw paliwowych, infrastruktury i technologii, dzięki którym pojazdy napędzane ogniwami paliwowymi będą praktyczne i ekonomiczne do 2020 r. Na te cele przeznaczono ponad miliard dolarów.
Ogniwa paliwowe wytwarzają energię elektryczną cicho i wydajnie, bez zanieczyszczeń środowisko. W przeciwieństwie do paliw kopalnych, produktami ubocznymi ogniw paliwowych są ciepło i woda. Jak to działa?
W tym artykule omówimy pokrótce każdy z istniejących technologie paliwowe dzisiaj, a także porozmawiać o budowie i działaniu ogniw paliwowych, porównać je z innymi formami produkcji energii. Omówimy również niektóre przeszkody napotykane przez badaczy w uczynieniu ogniw paliwowych praktycznymi i przystępnymi cenowo dla konsumentów.
Ogniwa paliwowe są urządzenia do elektrochemicznej konwersji energii. Ogniwo paliwowe konwertuje substancje chemiczne, wodór i tlen do wody, w procesie którego wytwarza energię elektryczną.
Kolejnym urządzeniem elektrochemicznym, które wszyscy dobrze znamy, jest bateria. Bateria zawiera wszystkie niezbędne pierwiastki chemiczne i zamienia te substancje w energię elektryczną. Oznacza to, że bateria w końcu „umiera” i albo ją wyrzucasz, albo ładujesz.
W ogniwie paliwowym stale podawane są chemikalia, dzięki czemu nigdy nie „umiera”. Energia elektryczna będzie generowana tak długo, jak chemikalia dostaną się do komórki. Większość używanych obecnie ogniw paliwowych wykorzystuje wodór i tlen.
Wodór jest najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem w naszej galaktyce. Jednak wodór praktycznie nie występuje na Ziemi w swojej elementarnej postaci. Inżynierowie i naukowcy muszą wydobywać czysty wodór ze związków wodoru, w tym paliw kopalnych lub wody. Aby wydobyć wodór z tych związków, trzeba wydatkować energię w postaci ciepła lub elektryczności.
Wynalezienie ogniw paliwowych
Sir William Grove wynalazł pierwsze ogniwo paliwowe w 1839 roku. Grove wiedział, że wodę można podzielić na wodór i tlen, przepuszczając przez nią prąd elektryczny (proces zwany elektroliza). Zasugerował, że w odwrotnej kolejności można uzyskać elektryczność i wodę. Stworzył prymitywne ogniwo paliwowe i nazwał je akumulator galwaniczny gazowy. Po eksperymentach ze swoim nowym wynalazkiem Grove udowodnił swoją hipotezę. Pięćdziesiąt lat później termin ten ukuli naukowcy Ludwig Mond i Charles Langer ogniwa paliwowe przy próbie zbudowania praktycznego modelu wytwarzania energii.
Ogniwo paliwowe będzie konkurować z wieloma innymi urządzeniami przetwarzającymi energię, w tym z turbinami gazowymi w elektrowniach miejskich, silnikami spalinowymi w samochodach czy wszelkiego rodzaju bateriami. Silniki spalinowe, podobnie jak turbiny gazowe, palą się Różne rodzaje paliwo i wykorzystują ciśnienie wytwarzane przez rozprężanie gazów do wykonywania pracy mechanicznej. Baterie przekształcają energię chemiczną w energię elektryczną, gdy jest to potrzebne. Ogniwa paliwowe muszą wykonywać te zadania wydajniej.
Ogniwo paliwowe zapewnia napięcie stałe (prąd stały), które można wykorzystać do zasilania silników elektrycznych, oświetlenia i innych urządzeń elektrycznych.
Istnieje kilka różnych typów ogniw paliwowych, z których każdy wykorzystuje inne procesy chemiczne. Ogniwa paliwowe są zwykle klasyfikowane według ich temperatura robocza oraz rodzajelektrolit, których używają. Niektóre typy ogniw paliwowych doskonale nadają się do stosowania w elektrowniach stacjonarnych. Inne mogą być przydatne do małych urządzeń przenośnych lub do zasilania samochodów. Główne typy ogniw paliwowych to:
Ogniwo paliwowe z membraną do wymiany polimerów (PEMFC)
PEMFC jest uważany za najbardziej prawdopodobnego kandydata do zastosowań transportowych. PEMFC charakteryzuje się zarówno dużą mocą, jak i stosunkowo niską temperaturą pracy (w zakresie od 60 do 80 stopni Celsjusza). Niska temperatura robocza oznacza, że ogniwa paliwowe mogą szybko się rozgrzać, aby rozpocząć wytwarzanie energii elektrycznej.
Ogniwo paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC)
Te ogniwa paliwowe są najbardziej odpowiednie dla dużych stacjonarnych generatorów prądu, które mogłyby dostarczać energię elektryczną do fabryk lub miast. Ten typ ogniwa paliwowego działa w bardzo wysokich temperaturach (od 700 do 1000 stopni Celsjusza). Wysoka temperatura stanowi problem z niezawodnością, ponieważ niektóre ogniwa paliwowe mogą ulec awarii po kilku cyklach włączania i wyłączania. Jednak ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem są bardzo stabilne w ciągłej pracy. Rzeczywiście, ogniwa SOFC wykazały najdłuższą żywotność ze wszystkich ogniw paliwowych w określonych warunkach. Wysoka temperatura ma również tę zaletę, że para wytwarzana przez ogniwa paliwowe może być kierowana do turbin i generować więcej energii elektrycznej. Proces ten nazywa się kogeneracja ciepła i energii elektrycznej i poprawia ogólną wydajność systemu.
Alkaliczne ogniwo paliwowe (AFC)
Jest to jeden z najstarszych projektów ogniw paliwowych, stosowany od lat 60. XX wieku. AFC są bardzo podatne na zanieczyszczenia, ponieważ wymagają czystego wodoru i tlenu. Ponadto są bardzo drogie, więc mało prawdopodobne jest wprowadzenie tego typu ogniw paliwowych do masowej produkcji.
Ogniwo paliwowe ze stopionego węglanu (MCFC)
Podobnie jak SOFC, te ogniwa paliwowe najlepiej nadają się również do dużych stacjonarnych elektrowni i generatorów. Działają w temperaturze 600 stopni Celsjusza, dzięki czemu mogą generować parę, która z kolei może być wykorzystana do generowania jeszcze większej mocy. Mają niższą temperaturę pracy niż ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem, co oznacza, że nie potrzebują takich żaroodpornych materiałów. Dzięki temu są trochę tańsze.
Ogniwo paliwowe na kwas fosforowy (PAFC)
Ogniwo paliwowe z kwasem fosforowym ma potencjał do zastosowania w małych stacjonarnych systemach zasilania. Działa w wyższej temperaturze niż ogniwo paliwowe z membraną do wymiany polimerów, więc nagrzewa się dłużej, przez co nie nadaje się do użytku w motoryzacji.
Ogniwa paliwowe na metanol Bezpośrednie ogniwa paliwowe na metanol (DMFC)
Ogniwa paliwowe na metanol są porównywalne z PEMFC pod względem temperatury roboczej, ale nie są tak wydajne. Ponadto DMFC wymagają dość dużo platyny jako katalizatora, co czyni te ogniwa paliwowe drogimi.
Ogniwo paliwowe z polimerową membraną wymienną
Ogniwo paliwowe z membraną do wymiany polimerów (PEMFC) jest jedną z najbardziej obiecujących technologii ogniw paliwowych. PEMFC wykorzystuje jedną z najprostszych reakcji ze wszystkich ogniw paliwowych. Zastanów się, z czego się składa.
1. ALE węzeł – Biegun ujemny ogniwa paliwowego. Przewodzi elektrony uwalniane z cząsteczek wodoru, po czym można je wykorzystać w obwodzie zewnętrznym. Posiada wygrawerowane kanały, przez które gazowy wodór rozprowadzany jest równomiernie po powierzchni katalizatora.
2.Do atom - biegun dodatni ogniwa paliwowego posiada również kanały rozprowadzające tlen po powierzchni katalizatora. Przewodzi również elektrony z zewnętrznego łańcucha katalizatora, gdzie mogą łączyć się z jonami wodoru i tlenu, tworząc wodę.
3.Membrana do wymiany elektrolitów i protonów. Jest to specjalnie obrobiony materiał, który przewodzi tylko dodatnio naładowane jony i blokuje elektrony. W PEMFC membrana musi być uwodniona, aby prawidłowo funkcjonować i pozostać stabilna.
4. Katalizator to specjalny materiał, który sprzyja reakcji tlenu i wodoru. Zwykle jest wykonany z nanocząstek platyny osadzonych bardzo cienko na kalce lub tkaninie. Katalizator ma taką strukturę powierzchni, że maksymalna powierzchnia platyny może być wystawiona na działanie wodoru lub tlenu.
Rysunek przedstawia gazowy wodór (H2) wchodzący pod ciśnieniem do ogniwa paliwowego od strony anody. Gdy cząsteczka H2 wejdzie w kontakt z platyną na katalizatorze, rozpada się na dwa jony H+ i dwa elektrony. Elektrony przechodzą przez anodę, gdzie są wykorzystywane w obwodzie zewnętrznym (wykonując pożyteczna praca, takie jak obrót silnika) i powrót do strony katody ogniwa paliwowego.
Tymczasem po stronie katody ogniwa paliwowego tlen (O2) z powietrza przechodzi przez katalizator, gdzie tworzy dwa atomy tlenu. Każdy z tych atomów ma silny ładunek ujemny. Ten ujemny ładunek przyciąga dwa jony H+ przez błonę, gdzie łączą się one z atomem tlenu i dwoma elektronami z zewnętrznego obwodu, tworząc cząsteczkę wody (H2O).
Ta reakcja w pojedynczym ogniwie paliwowym wytwarza tylko około 0,7 wolta. Aby podnieść napięcie do rozsądnego poziomu, wiele pojedynczych ogniw paliwowych musi zostać połączonych w stos ogniw paliwowych. Płytki bipolarne służą do łączenia jednego ogniwa paliwowego z drugim i ulegają utlenieniu przy malejącym potencjale. Dużym problemem z płytami bipolarnymi jest ich stabilność. Metalowe płytki bipolarne mogą korodować, a produkty uboczne (jony żelaza i chromu) zmniejszają wydajność membran i elektrod ogniw paliwowych. Dlatego niskotemperaturowe ogniwa paliwowe wykorzystują metale lekkie, grafit i kompozyty węgla i materiału termoutwardzalnego (materiał termoutwardzalny to rodzaj tworzywa sztucznego, który pozostaje stały nawet pod wpływem wysokich temperatur) w postaci bipolarnego materiału arkuszowego.
Wydajność ogniw paliwowych
Zmniejszenie zanieczyszczenia jest jednym z głównych celów ogniwa paliwowego. Porównując samochód zasilany ogniwem paliwowym z samochodem napędzanym silnikiem benzynowym i samochodem zasilanym akumulatorem, można zobaczyć, jak ogniwa paliwowe mogą poprawić wydajność samochodów.
Ponieważ wszystkie trzy typy samochodów mają wiele takich samych komponentów, zignorujemy tę część samochodu i porównamy korzystne działania do punktu, w którym wytwarzana jest energia mechaniczna. Zacznijmy od samochodu na ogniwa paliwowe.
Jeśli ogniwo paliwowe jest zasilane czystym wodorem, jego sprawność może sięgać nawet 80 proc. W ten sposób przekształca 80 procent energii zawartej w wodorze w energię elektryczną. Jednak nadal musimy zamienić energię elektryczną na pracę mechaniczną. Osiąga się to za pomocą silnika elektrycznego i falownika. Sprawność silnika + falownika również wynosi około 80 procent. Daje to ogólną wydajność około 80*80/100=64 procent. Pojazd koncepcyjny Hondy FCX podobno ma 60-procentową efektywność energetyczną.
Jeśli źródłem paliwa nie jest czysty wodór, to pojazd będzie również potrzebował reformatora. Reformery przekształcają paliwa węglowodorowe lub alkoholowe w wodór. Wytwarzają ciepło i oprócz wodoru wytwarzają również CO i CO2. Aby oczyścić powstały wodór, używają różne urządzenia, ale to czyszczenie jest niewystarczające i zmniejsza wydajność ogniwa paliwowego. Dlatego naukowcy postanowili skupić się na ogniwach paliwowych do pojazdów napędzanych czystym wodorem, pomimo problemów związanych z produkcją i magazynowaniem wodoru.
Sprawność silnika benzynowego i samochodu na akumulatory elektryczne
Sprawność samochodu napędzanego benzyną jest zaskakująco niska. Całe ciepło, które wychodzi w postaci spalin lub jest pochłaniane przez grzejnik, jest energią marnowaną. Silnik zużywa również dużo energii do obracania różnych pomp, wentylatorów i generatorów, które utrzymują go w ruchu. Tak więc ogólna sprawność samochodowego silnika benzynowego wynosi około 20 procent. Tak więc tylko około 20 procent energii cieplnej zawartej w benzynie jest przekształcane w pracę mechaniczną.
Pojazd elektryczny zasilany bateryjnie ma dość wysoką sprawność. Sprawność akumulatora wynosi około 90 procent (większość akumulatorów wytwarza trochę ciepła lub wymaga ogrzewania), a sprawność silnika + falownika wynosi około 80 procent. Daje to ogólną wydajność około 72 procent.
Ale to nie wszystko. Aby samochód elektryczny mógł się poruszać, najpierw trzeba gdzieś wytworzyć prąd. Jeśli była to elektrownia, która wykorzystywała proces spalania paliw kopalnych (zamiast energii jądrowej, wodnej, słonecznej lub wiatrowej), to tylko około 40 procent paliwa zużywanego przez elektrownię było przetwarzane na energię elektryczną. Ponadto proces ładowania samochodu wymaga konwersji prądu przemiennego (AC) na prąd stały (DC). Proces ten ma wydajność około 90 procent.
Teraz, jeśli spojrzymy na cały cykl, sprawność pojazdu elektrycznego wynosi 72 procent dla samego samochodu, 40 procent dla elektrowni i 90 procent dla ładowania samochodu. Daje to ogólną wydajność na poziomie 26 procent. Ogólna wydajność różni się znacznie w zależności od tego, która elektrownia jest używana do ładowania akumulatora. Jeśli prąd do samochodu jest wytwarzany na przykład przez elektrownię wodną, to sprawność samochodu elektrycznego wyniesie około 65 proc.
Naukowcy badają i udoskonalają projekty, aby nadal poprawiać wydajność ogniw paliwowych. Jednym z nowych podejść jest połączenie pojazdów napędzanych ogniwami paliwowymi i akumulatorami. Opracowywany jest pojazd koncepcyjny, który będzie napędzany hybrydowym układem napędowym zasilanym ogniwami paliwowymi. Wykorzystuje baterię litową do zasilania samochodu, podczas gdy ogniwo paliwowe ładuje akumulator.
Pojazdy napędzane ogniwami paliwowymi są potencjalnie tak samo wydajne, jak samochód na baterie, który jest ładowany z elektrowni bez paliw kopalnych. Ale osiągnięcie takiego potencjału przez praktyczne i przystępny sposób może okazać się trudne.
Dlaczego warto używać ogniw paliwowych?
Głównym powodem jest wszystko związane z ropą. Ameryka musi importować prawie 60 procent swojej ropy. Do 2025 roku import ma wzrosnąć do 68%. Amerykanie codziennie zużywają dwie trzecie ropy do transportu. Nawet gdyby każdy samochód na ulicy był samochodem hybrydowym, do 2025 r. Stany Zjednoczone nadal musiałyby zużywać taką samą ilość ropy, jaką zużywali Amerykanie w 2000 r. Rzeczywiście, Ameryka zużywa jedną czwartą całej ropy produkowanej na świecie, chociaż mieszka tu tylko 4,6% światowej populacji.
Eksperci spodziewają się, że ceny ropy będą nadal rosły w ciągu następnych kilku dekad, ponieważ tańsze źródła wyczerpią się. Koncerny naftowe powinien się rozwijać pola naftowe w coraz trudniejszych warunkach, powodując wzrost cen ropy.
Lęki sięgają daleko dalej bezpieczeństwo ekonomiczne. Znaczna część dochodów ze sprzedaży ropy jest przeznaczana na wspieranie międzynarodowego terroryzmu, radykalnych partii politycznych oraz niestabilnej sytuacji w regionach wydobywczych.
Wykorzystanie ropy naftowej i innych paliw kopalnych do produkcji energii powoduje zanieczyszczenie. Najlepiej, aby każdy znalazł alternatywę – spalanie paliw kopalnych w celu uzyskania energii.
Ogniwa paliwowe są atrakcyjną alternatywą dla uzależnienia od ropy naftowej. Ogniwa paliwowe wytwarzają czystą wodę jako produkt uboczny zamiast zanieczyszczeń. Podczas gdy inżynierowie tymczasowo skupili się na produkcji wodoru z różnych źródeł kopalnych, takich jak benzyna lub gaz ziemny, badane są odnawialne, przyjazne dla środowiska sposoby produkcji wodoru w przyszłości. Najbardziej obiecujący będzie oczywiście proces pozyskiwania wodoru z wody.
Uzależnienie od ropy naftowej i globalne ocieplenie to problem międzynarodowy. Kilka krajów jest wspólnie zaangażowanych w rozwój badań i rozwoju technologii ogniw paliwowych.
Oczywiście naukowcy i producenci mają wiele do zrobienia, zanim ogniwa paliwowe staną się alternatywą. nowoczesne metody produkcja energii. A jednak przy wsparciu całego świata i globalnej współpracy realny system energetyczny oparty na ogniwach paliwowych może stać się rzeczywistością już za kilkadziesiąt lat.
ogniwo paliwowe ( ogniwo paliwowe) to urządzenie przetwarzające energię chemiczną w energię elektryczną. Jest podobny w zasadzie do konwencjonalnej baterii, ale różni się tym, że jego działanie wymaga stałego dostarczania substancji z zewnątrz, aby zaszła reakcja elektrochemiczna. Wodór i tlen są dostarczane do ogniw paliwowych, a wyjściem jest energia elektryczna, woda i ciepło. Ich zalety to przyjazność dla środowiska, niezawodność, trwałość i łatwość obsługi. W przeciwieństwie do konwencjonalnych akumulatorów, przetworniki elektrochemiczne mogą działać praktycznie w nieskończoność, dopóki dostępne jest paliwo. Nie trzeba ich ładować przez wiele godzin, aż do pełnego naładowania. Co więcej, same ogniwa mogą ładować akumulator podczas postoju samochodu z wyłączonym silnikiem.
Ogniwa paliwowe z membraną protonową (PEMFC) i ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC) są najczęściej stosowane w pojazdach napędzanych wodorem.
Ogniwo paliwowe z membraną do wymiany protonów działa w następujący sposób. Pomiędzy anodą i katodą znajduje się specjalna membrana i katalizator pokryty platyną. Wodór dostaje się do anody, a tlen do katody (na przykład z powietrza). Na anodzie wodór jest rozkładany na protony i elektrony za pomocą katalizatora. Protony wodoru przechodzą przez membranę i wchodzą do katody, natomiast elektrony są oddawane do obwodu zewnętrznego (membrana ich nie przepuszcza). Uzyskana w ten sposób różnica potencjałów prowadzi do pojawienia się prądu elektrycznego. Po stronie katody protony wodoru są utleniane przez tlen. W efekcie powstaje para wodna, która jest głównym składnikiem spalin samochodowych. Ogniwa PEM, charakteryzujące się wysoką wydajnością, mają jedną istotną wadę – do ich działania potrzebny jest czysty wodór, którego magazynowanie jest dość poważnym problemem.
Jeśli znajdzie się taki katalizator, który zastąpi w tych ogniwach kosztowną platynę, to od razu powstanie tanie ogniwo paliwowe do generowania prądu, co oznacza, że świat uwolni się od uzależnienia od ropy.
Stałe ogniwa tlenkowe
Ogniwa tlenkowe SOFC są znacznie mniej wymagające pod względem czystości paliwa. Dodatkowo dzięki zastosowaniu reformera POX (Partial Oxidation - częściowe utlenianie) takie ogniwa mogą zużywać jako paliwo zwykłą benzynę. Proces przekształcania benzyny bezpośrednio w energię elektryczną jest następujący. W specjalnym urządzeniu - reformerze, w temperaturze około 800 ° C benzyna odparowuje i rozkłada się na elementy składowe.
To uwalnia wodór i dwutlenek węgla. Ponadto, również pod wpływem temperatury i bezpośrednio za pomocą SOFC (składającego się z porowatej materiał ceramiczny na bazie tlenku cyrkonu), wodór jest utleniany przez tlen z powietrza. Po uzyskaniu wodoru z benzyny proces przebiega dalej zgodnie ze scenariuszem opisanym powyżej, z jedną tylko różnicą: ogniwo paliwowe SOFC, w przeciwieństwie do urządzeń zasilanych wodorem, jest mniej wrażliwe na obce zanieczyszczenia w oryginalnym paliwie. Tak więc jakość benzyny nie powinna wpływać na wydajność ogniwa paliwowego.
Sporym mankamentem jest wysoka temperatura pracy SOFC (650-800 stopni), proces nagrzewania trwa około 20 minut. Jednak nadmiar ciepła nie stanowi problemu, ponieważ jest całkowicie usuwany przez pozostałe powietrze i spaliny wytwarzane przez reformer i samo ogniwo paliwowe. Dzięki temu system SOFC można zintegrować z pojazdem jako samodzielne urządzenie w izolowanej termicznie obudowie.
Modułowa budowa pozwala na osiągnięcie wymaganego napięcia wg połączenie szeregowe zestaw standardowych komórek. I, co być może najważniejsze, z punktu widzenia wprowadzenia takich urządzeń, w SOFC nie ma bardzo drogich elektrod na bazie platyny. To właśnie wysoki koszt tych elementów jest jedną z przeszkód w rozwoju i upowszechnianiu technologii PEMFC.
Rodzaje ogniw paliwowych
Obecnie istnieją takie typy ogniw paliwowych:
- AFC– Alkaline Fuel Cell (alkaliczne ogniwo paliwowe);
- PAFC– Ogniwo paliwowe z kwasem fosforowym (ogniwo paliwowe z kwasem fosforowym);
- PEMFC– Ogniwo paliwowe z membraną do wymiany protonów (ogniwo paliwowe z membraną do wymiany protonów);
- DMFC– Direct Methanol Fuel Cell (ogniwo paliwowe z bezpośrednim rozkładem metanolu);
- MCFC– Molten Carbonate Fuel Cell (ogniwo paliwowe ze stopionego węglanu);
- SOFC– Ogniwo paliwowe ze stałym tlenkiem (ogniwo paliwowe ze stałym tlenkiem).
Sir William Grove dużo wiedział o elektrolizie, więc postawił hipotezę, że w procesie (który rozkłada wodę na składowy wodór i tlen poprzez przewodzenie przez nią elektryczności) mógłby wytworzyć, gdyby został odwrócony. Po obliczeniach na papierze przeszedł do etapu eksperymentalnego i zdołał udowodnić swoje pomysły. Udowodniona hipoteza została opracowana przez naukowców Ludwiga Monda i jego asystenta Charlesa Langre, udoskonaliła technologię iw 1889 r. nadała jej nazwę zawierającą dwa słowa - „ogniwo paliwowe”.
Teraz to zdanie ugruntowało się w codziennym życiu kierowców. Z pewnością nie raz słyszałeś termin „ogniwo paliwowe”. W wiadomościach w Internecie, w telewizji coraz częściej pojawiają się nowomodne słowa. Zwykle odnoszą się do opowieści o najnowszych pojazdach hybrydowych lub programach rozwoju tych pojazdów hybrydowych.
Na przykład 11 lat temu w USA uruchomiono program „The Hydrogen Fuel Initiative”. Program koncentrował się na opracowaniu technologii wodorowych ogniw paliwowych i infrastruktury potrzebnych do uczynienia pojazdów napędzanych ogniwami paliwowymi praktycznymi i ekonomicznie opłacalnymi do 2020 r. Nawiasem mówiąc, w tym czasie na program przeznaczono ponad 1 miliard dolarów, co wskazuje na poważny zakład, na który postawiły władze USA.
Po drugiej stronie oceanu producenci samochodów również byli w pogotowiu, rozpoczynając lub kontynuując badania nad samochodami napędzanymi ogniwami paliwowymi. , a nawet kontynuował prace nad budową solidnej technologii ogniw paliwowych.
Największy sukces w tej dziedzinie wśród wszystkich światowych producentów samochodów odniosło dwóch japońskich producentów samochodów i. Ich modele z ogniwami paliwowymi są już w pełnej produkcji, a ich konkurenci są tuż za nimi.
Dlatego ogniwa paliwowe w przemyśle motoryzacyjnym już tu zostaną. Rozważ zasady tej technologii i jej zastosowanie w nowoczesnych samochodach.
Zasada działania ogniwa paliwowego
Faktycznie, . Z technicznego punktu widzenia ogniwo paliwowe można zdefiniować jako elektrochemiczne urządzenie do konwersji energii. Przekształca cząsteczki wodoru i tlenu w wodę, wytwarzając przy tym prąd stały.
Istnieje wiele rodzajów ogniw paliwowych, niektóre są już stosowane w samochodach, inne są testowane w badaniach. Większość z nich wykorzystuje wodór i tlen jako główne pierwiastki chemiczne potrzebne do konwersji.
Podobna procedura zachodzi w konwencjonalnym akumulatorze, z tą różnicą, że posiada on już wszystkie niezbędne chemikalia potrzebne do konwersji „na pokładzie”, natomiast ogniwo paliwowe można „naładować” z zewnętrznego źródła, dzięki czemu proces „ produkcja” energii elektrycznej może być kontynuowana. Oprócz pary wodnej i energii elektrycznej, kolejnym produktem ubocznym zabiegu jest wytwarzane ciepło.
Wodorowo-tlenowe ogniwo paliwowe z membraną do wymiany protonów zawiera polimerową membranę przewodzącą protony, która oddziela dwie elektrody, anodę i katodę. Każda elektroda jest zwykle płytką węglową (matrycą) z osadzonym katalizatorem - platyną lub stopem platynoidów i innymi kompozycjami.
Na katalizatorze anodowym wodór cząsteczkowy dysocjuje i traci elektrony. Kationy wodoru przechodzą przez membranę do katody, ale elektrony są oddawane do obwodu zewnętrznego, ponieważ membrana nie przepuszcza elektronów.
Na katalizatorze katodowym cząsteczka tlenu łączy się z elektronem (który jest dostarczany z komunikacji zewnętrznej) i nadchodzącym protonem i tworzy wodę, która jest jedynym produktem reakcji (w postaci pary i/lub cieczy).
wikipedia.org
Zastosowanie w samochodach
Spośród wszystkich rodzajów ogniw paliwowych, ogniwa paliwowe oparte na membranach do wymiany protonów lub, jak się je nazywa na Zachodzie, ogniwa paliwowe z membraną do wymiany polimerów (PEMFC), stały się najlepszymi kandydatami do zastosowania w pojazdach. Głównym tego powodem jest duża gęstość mocy i stosunkowo niska temperatura pracy, co z kolei oznacza, że uruchomienie ogniw paliwowych nie zajmuje dużo czasu. Szybko się rozgrzeją i zaczną wytwarzać wymaganą ilość energii elektrycznej. Wykorzystuje również jedną z najprostszych reakcji ze wszystkich rodzajów ogniw paliwowych.
Pierwszy pojazd z tą technologią powstał w 1994 roku, kiedy to Mercedes-Benz wprowadził model MB100 oparty na modelu NECAR1 (nowy samochód elektryczny 1). Poza małą mocą wyjściową (zaledwie 50 kilowatów) największą wadą tej koncepcji było to, że ogniwo paliwowe zajmowało całą przestrzeń ładunkową furgonetki.
Również z punktu widzenia bezpieczeństwa biernego był to fatalny pomysł na masową produkcję, biorąc pod uwagę konieczność zainstalowania na pokładzie ogromnego zbiornika wypełnionego łatwopalnym wodorem pod ciśnieniem.
W ciągu następnej dekady technologia ewoluowała i jedna z najnowszych koncepcji ogniw paliwowych Mercedesa miała moc wyjściową 115 KM. (85 kW) i zasięg około 400 kilometrów przed tankowaniem. Oczywiście Niemcy nie byli jedynymi pionierami w rozwoju ogniw paliwowych przyszłości. Nie zapomnij o dwóch Japończykach, Toyocie i . Jednym z największych graczy motoryzacyjnych była Honda, która wprowadziła samochód produkcyjny elektrownia na wodorowych ogniwach paliwowych. Leasingowa sprzedaż FCX Clarity w Stanach Zjednoczonych rozpoczęła się latem 2008 roku; nieco później sprzedaż samochodu przeniosła się do Japonii. 
Toyota poszła jeszcze dalej z Mirai, którego zaawansowany system wodorowych ogniw paliwowych najwyraźniej jest w stanie zapewnić futurystycznemu samochodowi zasięg 520 km na jednym zbiorniku, który można zatankować w mniej niż pięć minut, podobnie jak konwencjonalny. Dane dotyczące zużycia paliwa zadziwią każdego sceptyka, są niewiarygodne nawet jak na samochód z klasyczną elektrownią, zużywa 3,5 litra, niezależnie od tego, czy samochód jest używany w mieście, na autostradzie, czy w cyklu mieszanym.
Minęło osiem lat. Honda dobrze wykorzystała ten czas. Druga generacja Hondy FCX Clarity jest już w sprzedaży. Stosy ogniw paliwowych są o 33% bardziej kompaktowe niż w pierwszym modelu, a gęstość mocy wzrosła o 60%. Honda twierdzi, że ogniwo paliwowe i zintegrowany układ napędowy w Clarity Fuel Cell są porównywalne pod względem wielkości do silnika V6, pozostawiając wystarczająco dużo miejsca we wnętrzu dla pięciu pasażerów i ich bagażu.
Szacunkowy zasięg to 500 km, a cenę wywoławczą nowych elementów należy ustalić na 60 000 USD. Kosztowny? Wręcz przeciwnie, jest bardzo tani. Na początku 2000 roku samochody z tymi technologiami kosztowały 100 000 dolarów.
