Przedstawiamy zrównoważone technologie: ogniwa paliwowe. ogniwa paliwowe

Korzyści z ogniw/ogniw paliwowych

ogniwo paliwowe/ ogniwo to urządzenie, które w wyniku reakcji elektrochemicznej efektywnie generuje prąd stały i ciepło z bogatego w wodór paliwa.

Ogniwo paliwowe jest podobne do akumulatora, ponieważ generuje prąd stały w wyniku reakcji chemicznej. Ogniwo paliwowe zawiera anodę, katodę i elektrolit. Jednak w przeciwieństwie do akumulatorów ogniwa paliwowe/ogniwa nie mogą się przechowywać energia elektryczna, nie rozładowuj i nie wymagają ładowania energii elektrycznej. Ogniwa paliwowe/ogniwa mogą w sposób ciągły wytwarzać energię elektryczną, o ile mają dostęp do paliwa i powietrza.

W przeciwieństwie do innych generatorów prądu, takich jak silniki wewnętrzne spalanie lub turbiny działające na gaz, węgiel, ropę itp., ogniwa paliwowe/ogniwa nie spalają paliwa. Oznacza to brak głośnych wirników wysokiego ciśnienia, głośnego hałasu wydechu, żadnych wibracji. Ogniwa paliwowe/ogniwa wytwarzają energię elektryczną poprzez cichą reakcję elektrochemiczną. Inną cechą ogniw/ogniw paliwowych jest to, że przekształcają one energię chemiczną paliwa bezpośrednio w energię elektryczną, ciepło i wodę.

Ogniwa paliwowe są bardzo wydajne i nie wytwarzają dużych ilości gazów cieplarnianych, takich jak dwutlenek węgla, metan i podtlenek azotu. Jedynymi produktami emitowanymi podczas pracy są woda w postaci pary wodnej oraz niewielka ilość dwutlenku węgla, który nie jest w ogóle emitowany, jeśli jako paliwo stosuje się czysty wodór. Ogniwa paliwowe/ogniwa są składane w zespoły, a następnie w poszczególne moduły funkcjonalne.

Historia rozwoju ogniw paliwowych/ogniw

W latach 50. i 60. jedno z największych wyzwań dla ogniw paliwowych zrodziło się z zapotrzebowania amerykańskiej Narodowej Agencji Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej (NASA) na źródła energii do długotrwałych misji kosmicznych. Alkaliczne ogniwo paliwowe NASA wykorzystuje wodór i tlen jako paliwo, łącząc je w reakcji elektrochemicznej. Produktem wyjściowym są trzy produkty uboczne reakcji przydatne w lotach kosmicznych - elektryczność do zasilania statku kosmicznego, woda do picia i chłodzenia oraz ciepło do ogrzania astronautów.

Odkrycie ogniw paliwowych datuje się na początek XIX wieku. Pierwsze dowody na działanie ogniw paliwowych uzyskano w 1838 roku.

Pod koniec lat 30. rozpoczęto prace nad alkalicznymi ogniwami paliwowymi, a do 1939 r. zbudowano ogniwo wykorzystujące wysokociśnieniowe elektrody niklowane. Podczas II wojny światowej opracowano ogniwa paliwowe/ogniwa dla okrętów podwodnych brytyjskiej marynarki wojennej, aw 1958 roku wprowadzono zespół paliwowy składający się z alkalicznych ogniw/ogniw paliwowych o średnicy nieco ponad 25 cm.

Zainteresowanie wzrosło w latach 50. i 60., a także w latach 80., kiedy świat przemysłowy doświadczył niedoboru paliwa naftowego. W tym samym okresie kraje świata również zaniepokoiły się problemem zanieczyszczenia powietrza i zastanowiły się nad sposobami wytwarzania przyjaznej dla środowiska energii elektrycznej. Obecnie technologia ogniw paliwowych/ogniw paliwowych przechodzi szybki rozwój.

Jak działają ogniwa paliwowe?

Ogniwa paliwowe/ogniwa wytwarzają energię elektryczną i ciepło poprzez trwającą reakcję elektrochemiczną przy użyciu elektrolitu, katody i anody.

Na katalizatorze anodowym wodór cząsteczkowy dysocjuje i traci elektrony. Jony wodorowe (protony) są przewodzone przez elektrolit do katody, podczas gdy elektrony przechodzą przez elektrolit i przez zewnętrzny obwód elektryczny, tworząc prąd stały, który można wykorzystać do zasilania urządzeń. Na katalizatorze katodowym cząsteczka tlenu łączy się z elektronem (dostarczanym z komunikacji zewnętrznej) i przychodzącym protonem i tworzy wodę, która jest jedynym produktem reakcji (w postaci pary i/lub cieczy).

Poniżej znajduje się odpowiednia reakcja:

Reakcja anodowa: 2H 2 => 4H+ + 4e -
Reakcja na katodzie: O 2 + 4H+ + 4e - => 2H 2 O
Ogólna reakcja elementarna: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Rodzaje i różnorodność ogniw paliwowych/ogniw

Tak jak istnieją różne typy silników spalinowych, tak różne są typy ogniw paliwowych – wybór odpowiedni typ Ogniwo paliwowe zależy od jego zastosowania.

Ogniwa paliwowe dzielą się na wysokotemperaturowe i niskotemperaturowe. Ogniwa paliwowe niskotemperaturowe wymagają jako paliwa stosunkowo czystego wodoru. Często oznacza to, że przetwarzanie paliwa jest wymagane do przekształcenia paliwa pierwotnego (takiego jak gaz ziemny) w czysty wodór. Proces ten zużywa dodatkową energię i wymaga specjalnego sprzętu. Ogniwa paliwowe wysokotemperaturowe nie wymagają tej dodatkowej procedury, ponieważ mogą „wewnętrznie przekształcać” paliwo w podwyższonych temperaturach, co oznacza, że nie ma potrzeby inwestowania w infrastrukturę wodorową.

Ogniwa paliwowe/ogniwa na stopionym węglanie (MCFC)

Ogniwa paliwowe z elektrolitem stopionym węglanem to wysokotemperaturowe ogniwa paliwowe. Wysoka temperatura pracy umożliwia bezpośrednie wykorzystanie gazu ziemnego bez procesora paliwa oraz niską kaloryczność gazu opałowego procesy produkcji oraz z innych źródeł.

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 przewodnikiem 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. Elektrony te są przesyłane przez zewnętrzny obwód elektryczny z powrotem do katody, wytwarzając jako produkt uboczny prąd elektryczny i ciepło.

Reakcja anodowa: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Reakcja na katodzie: CO 2 + 1/2O 2 + 2e - => CO 3 2-
Ogólna reakcja elementarna: H 2 (g) + 1/2O 2 (g) + CO 2 (katoda) => H 2 O (g) + CO 2 (anoda)

Wysokie temperatury pracy ogniw paliwowych na stopiony elektrolit węglanowy mają pewne zalety. W wysokich temperaturach gaz ziemny jest wewnętrznie reformowany, co eliminuje konieczność stosowania procesora paliwa. Dodatkowo do zalet można zaliczyć możliwość zastosowania na elektrodach standardowych materiałów konstrukcyjnych, takich jak blacha ze stali nierdzewnej oraz katalizator niklowy. Ciepło odpadowe może być wykorzystywane do wytwarzania pary pod wysokim ciśnieniem do różnych zastosowań przemysłowych i komercyjnych.

Swoje zalety mają również wysokie temperatury reakcji w elektrolicie. Stosowanie wysokich temperatur zajmuje dużo czasu, aby osiągnąć optymalne warunki pracy, a system wolniej reaguje na zmiany zużycia energii. Cechy te pozwalają na stosowanie systemów ogniw paliwowych ze stopionym elektrolitem węglanowym w warunkach stałej mocy. Wysokie temperatury zapobiegają uszkodzeniu ogniwa paliwowego przez tlenek węgla.

Ogniwa paliwowe ze stopionym węglanem nadają się do stosowania w dużych instalacjach stacjonarnych. Elektrociepłownie o mocy wyjściowej 3,0 MW są produkowane przemysłowo. Rozbudowywane są elektrownie o mocy do 110 MW.

Ogniwa paliwowe/ogniwa na bazie kwasu fosforowego (PFC)

Ogniwa paliwowe oparte na kwasie fosforowym (ortofosforowym) były pierwszymi ogniwami paliwowymi do użytku komercyjnego.

Ogniwa paliwowe na bazie kwasu fosforowego (ortofosforowego) wykorzystują elektrolit na bazie kwasu ortofosforowego (H 3 PO 4) o stężeniu do 100%. Przewodność jonowa kwasu fosforowego jest niska w niskich temperaturach, dlatego te ogniwa paliwowe są stosowane 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, w których wodór dostarczany do anody jest rozbijany 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 znajdują się reakcje, które generują energię elektryczną i ciepło.

Reakcja na anodzie: 2H 2 => 4H + + 4e -
Reakcja na katodzie: O 2 (g) + 4H + + 4e - \u003d\u003e 2 H 2 O
Ogólna reakcja elementarna: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Sprawność ogniw paliwowych opartych na kwasie fosforowym (ortofosforowym) przy wytwarzaniu energii elektrycznej przekracza 40%. W skojarzonej produkcji ciepła i energii elektrycznej sprawność ogólna wynosi około 85%. Ponadto, przy danych temperaturach roboczych, ciepło odpadowe może być wykorzystywane do podgrzewania wody i wytwarzania pary pod ciśnieniem atmosferycznym.

Wysoka wydajność elektrociepłowni na ogniwach paliwowych opartych na kwasie fosforowym (ortofosforowym) w skojarzonej produkcji ciepła i energii elektrycznej jest jedną z zalet tego typu ogniw paliwowych. Zakłady stosują tlenek węgla w stężeniu około 1,5%, co znacznie poszerza wybór paliwa. Ponadto CO 2 nie wpływa na elektrolit i działanie ogniwa paliwowego, ten typ ogniwa współpracuje z reformowanym paliwem naturalnym. Prosta konstrukcja, niska lotność elektrolitów i zwiększona stabilność to także zalety tego typu ogniwa paliwowego.

Elektrociepłownie o mocy wyjściowej do 500 kW są produkowane przemysłowo. Instalacje o mocy 11 MW przeszły odpowiednie testy. Rozbudowywane są elektrownie o mocy do 100 MW.

Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC)

Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem to ogniwa paliwowe o najwyższej temperaturze pracy. Temperatura pracy może wahać się od 600°C do 1000°C, co pozwala na stosowanie różnych rodzajów paliwa bez specjalnej obróbki wstępnej. Aby poradzić sobie z tak wysokimi temperaturami, stosowanym elektrolitem jest cienki tlenek metalu na bazie ceramiki, często ze stopu itru i cyrkonu, który jest przewodnikiem jonów tlenu (O 2 ).

Elektrolit stały zapewnia hermetyczne przejście gazu z jednej elektrody na drugą, podczas gdy elektrolity ciekłe znajdują się w porowatym podłożu. Nośnikiem ładunku w ogniwach paliwowych tego typu jest jon tlenu (O 2-). Na katodzie cząsteczki tlenu są oddzielane od 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 - \u003d\u003e 2O 2-
Ogólna reakcja elementarna: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Sprawność wytwarzanej energii elektrycznej jest najwyższa ze wszystkich ogniw paliwowych – około 60-70%. Wysokie temperatury robocze umożliwiają skojarzone 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 do 75%.

Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem działają w bardzo wysokich temperaturach (600°C-1000°C), co skutkuje długim czasem osiągania optymalnych warunków pracy, a system wolniej reaguje na zmiany zużycia energii. W tak wysokich temperaturach roboczych nie jest wymagany konwerter do odzyskiwania wodoru z paliwa, co pozwala elektrowni cieplnej na pracę ze stosunkowo zanieczyszczonymi paliwami 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 centralnych elektrowni. Produkowane przemysłowo moduły o wyjściowej mocy elektrycznej 100 kW.

Ogniwa paliwowe/ogniwa z bezpośrednim utlenianiem metanolu (DOMTE)

Technologia wykorzystania ogniw paliwowych z bezpośrednim utlenianiem metanolu przechodzi okres aktywnego rozwoju. Z powodzeniem sprawdziła się w dziedzinie zasilania telefonów komórkowych, laptopów, a także tworzenia przenośnych źródeł zasilania. do czego zmierza przyszłe zastosowanie tych elementów.

Struktura ogniw paliwowych z bezpośrednim utlenianiem metanolu jest podobna do ogniw paliwowych z membraną wymiany protonów (MOFEC), tj. polimer jest używany jako elektrolit, a jon wodorowy (proton) jest używany jako nośnik ładunku. Jednak ciekły metanol (CH 3 OH) utlenia się w obecności wody na anodzie, uwalniając CO 2 , jony wodorowe i elektrony, które są prowadzone przez zewnętrzny obwód elektryczny i wytwarzany 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: 3/2O 2 + 6 H + + 6e - => 3H 2 O
Ogólna reakcja elementarna: CH 3 OH + 3/2O 2 => CO 2 + 2H 2 O

Zaletą tego typu ogniw paliwowych jest ich niewielki rozmiar, ze względu na zastosowanie paliwa płynnego, oraz brak konieczności stosowania konwertera.

Alkaliczne ogniwa paliwowe/ogniwa (AFC)

Alkaliczne ogniwa paliwowe są jednym z najbardziej wydajnych elementów wykorzystywanych do wytwarzania energii elektrycznej, ze sprawnością wytwarzania energii sięgającą nawet 70%.

Alkaliczne ogniwa paliwowe wykorzystują elektrolit, czyli wodny roztwór wodorotlenku potasu, zawarty w porowatej, stabilizowanej matrycy. Stężenie wodorotlenku potasu może się zmieniać 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 wodorotlenowe. 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 - => 4 OH -
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 z substancji, które są tańsze niż te stosowane jako katalizatory w innych ogniwach paliwowych. SCFC działają w stosunkowo niskich temperaturach i należą do najbardziej wydajnych ogniw paliwowych - takie właściwości mogą odpowiednio przyczynić się do szybszego wytwarzania energii i wysokiej wydajności 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 obniża sprawność ogniwa paliwowego. Dlatego zastosowanie KŁŻ ogranicza się do przestrzeni zamkniętych, takich jak pojazdy kosmiczne i podwodne, muszą one działać na czystym wodorze i tlenie. Co więcej, cząsteczki takie jak CO, H 2 O i CH4, które są bezpieczne dla innych ogniw paliwowych, a nawet paliwo dla niektórych z nich, są szkodliwe dla KŁŻ.

Ogniwa paliwowe/ogniwa z elektrolitem polimerowym (PETE)

W przypadku ogniw paliwowych z elektrolitem polimerowym, membrana polimerowa składa się z włókien polimerowych z obszarami wodnymi, w których przewodzenie jonów wody (H 2 O + (proton, czerwień) przyłączonych do cząsteczki wody). Cząsteczki wody stanowią problem ze względu na powolną wymianę jonów. Dlatego wymagane jest wysokie stężenie wody zarówno w paliwie, jak i na elektrodach spalinowych, co ogranicza temperaturę pracy do 100°C.

Ogniwa/ogniwa paliwowe na kwas stały (SCFC)

W stałych kwasowych ogniwach paliwowych elektrolit (CsHSO 4 ) nie zawiera wody. Temperatura robocza wynosi zatem 100-300°C. Rotacja anionów SO 4 2-oksy umożliwia przemieszczanie się protonów (czerwony), jak pokazano na rysunku. Zazwyczaj ogniwo paliwowe ze stałym kwasem jest kanapką, w której bardzo cienka warstwa stałego związku kwasowego jest umieszczona pomiędzy dwiema mocno ściśniętymi elektrodami, aby zapewnić dobry kontakt. Po podgrzaniu składnik organiczny odparowuje, pozostawiając pory w elektrodach, zachowując zdolność do licznych kontaktów między paliwem (lub tlenem na drugim końcu ogniwa), elektrolitem i elektrodami.

Różne moduły ogniw paliwowych. bateria ogniw paliwowych

Bateria ogniwa paliwowego
Inne urządzenia wysokotemperaturowe (zintegrowana wytwornica pary, komora spalania, zmieniacz bilansu cieplnego)
Izolacja odporna na ciepło

moduł ogniw paliwowych

Analiza porównawcza typów i odmian ogniw paliwowych

Innowacyjne, energooszczędne miejskie elektrociepłownie są zwykle budowane na ogniwach paliwowych ze stałym tlenkiem (SOFC), ogniwach paliwowych z elektrolitem polimerowym (PEFC), ogniwach paliwowych na kwas fosforowy (PCFC), ogniwach paliwowych z membraną do wymiany protonów (MPFC) i alkalicznych ogniwach paliwowych ( APFC) . Zwykle mają następujące cechy:

Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC) należy uznać za najbardziej odpowiednie, które:

działają w wyższej temperaturze, co zmniejsza zapotrzebowanie na drogie metale szlachetne (takie jak platyna)
może pracować na różnych rodzajach paliw węglowodorowych, głównie na gazie ziemnym
mieć więcej czasu startowe i dlatego lepiej nadają się do długotrwałego
wykazują wysoką sprawność wytwarzania energii (do 70%)
ze względu na wysokie temperatury pracy urządzenia można łączyć z systemami odzysku ciepła, podnosząc ogólną sprawność systemu do 85%
mają prawie zerową emisję, działają cicho i mają niskie wymagania operacyjne w porównaniu z istniejącymi technologiami wytwarzania energii

Typ ogniwa paliwowego	Temperatura pracy	Sprawność 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	Przenośny
SHTE	50–200°C	40-70%	czysty wodór	badanie przestrzeni kosmicznej
PETE	30-100°C	35-50%	czysty wodór	Małe instalacje

Ponieważ małe elektrownie cieplne można podłączyć do konwencjonalnej sieci gazowej, ogniwa paliwowe nie wymagają oddzielnego systemu zasilania wodorem. W przypadku stosowania małych elektrowni cieplnych opartych na ogniwach paliwowych ze stałym tlenkiem, wytworzone ciepło można zintegrować z wymiennikami ciepła do ogrzewania wody i powietrza wentylacyjnego, zwiększając ogólną wydajność systemu. Ten Innowacyjna technologia najlepiej nadaje się do wydajnego wytwarzania energii bez potrzeby kosztownej infrastruktury i złożonej integracji przyrządów.

Zastosowania ogniw paliwowych/ogniw

Zastosowanie ogniw/ogniw paliwowych w systemach telekomunikacyjnych

Wraz z szybkim rozpowszechnianiem się systemów komunikacji bezprzewodowej na całym świecie, a także rosnącymi społecznymi i ekonomicznymi korzyściami technologii telefonii komórkowej, potrzeba niezawodnego i ekonomicznego zasilania awaryjnego stała się krytyczna. Straty w sieci w ciągu roku spowodowane złą pogodą, klęskami żywiołowymi lub ograniczoną przepustowością sieci są stałym wyzwaniem dla operatorów sieci.

Tradycyjne rozwiązania do zasilania awaryjnego dla telekomunikacji obejmują akumulatory (ogniwa kwasowo-ołowiowe z regulacją zaworową) do krótkotrwałego zasilania awaryjnego oraz generatory na olej napędowy i propan zapewniające dłuższe zasilanie awaryjne. Baterie są stosunkowo tanim źródłem zasilania awaryjnego przez 1 do 2 godzin. Jednak baterie nie nadają się do dłuższych okresów podtrzymania, ponieważ są drogie w utrzymaniu, stają się zawodne po długim okresie użytkowania, są wrażliwe na temperatury i są niebezpieczne dla życia. środowisko po usunięciu. Generatory na olej napędowy i propan mogą zapewnić ciągłe zasilanie awaryjne. Jednak generatory mogą być zawodne, wymagać obszernej konserwacji i uwalniać do atmosfery wysoki poziom zanieczyszczeń i gazów cieplarnianych.

Aby wyeliminować ograniczenia tradycyjnych rozwiązań zasilania awaryjnego, opracowano innowacyjną technologię zielonych ogniw paliwowych. Ogniwa paliwowe są niezawodne, ciche, zawierają mniej ruchomych części niż generator, mają szerszy zakres temperatur pracy niż akumulator od -40°C do +50°C, dzięki czemu zapewniają wyjątkowo wysoki poziom oszczędności energii. Ponadto koszt eksploatacji takiej instalacji jest niższy niż koszt generatora. Niższe koszty ogniw paliwowych są wynikiem tylko jednej wizyty konserwacyjnej rocznie i znacznie wyższej wydajności zakładu. W końcu ogniwo paliwowe jest przyjazne dla środowiska rozwiązanie technologiczne przy minimalnym wpływie na środowisko.

Jednostki ogniw paliwowych zapewniają zasilanie awaryjne krytycznym infrastrukturom sieci komunikacyjnych w trybie bezprzewodowym, stałym i szerokopasmowy w systemie telekomunikacyjnym, od 250W do 15kW, oferują wiele niezrównanych innowacyjnych funkcji:

NIEZAWODNOŚĆ– Niewiele ruchomych części i brak rozładowania w trybie czuwania
OSZCZĘDZANIE ENERGII
CISZA– niski poziom hałasu
STABILNOŚĆ– zakres pracy od -40°C do +50°C
ZDOLNOŚĆ ADAPTACJI– instalacja zewnętrzna i wewnętrzna (kontener/pojemnik ochronny)
WYSOKA MOC– do 15 kW
NISKA POTRZEBA KONSERWACJI– minimalna roczna konserwacja
GOSPODARKA- atrakcyjny całkowity koszt posiadania
CZYSTA ENERGIA– niska emisja przy minimalnym wpływie na środowisko

System cały czas wykrywa napięcie szyny DC i płynnie akceptuje obciążenia krytyczne, jeśli napięcie szyny DC spadnie poniżej wartości zadanej przez użytkownika. System jest zasilany wodorem, który dostaje się do stosu ogniw paliwowych na dwa sposoby – albo z komercyjnego źródła wodoru, albo z ciekłego paliwa składającego się z metanolu i wody, przy użyciu pokładowego systemu reformera.

Energia elektryczna jest wytwarzana przez stos ogniw paliwowych w postaci prądu stałego. Moc DC jest przesyłana do konwertera, który przekształca nieregulowaną moc DC ze stosu ogniw paliwowych w wysokiej jakości regulowaną moc DC dla wymaganych obciążeń. Instalacja ogniw paliwowych może zapewnić zasilanie awaryjne przez wiele dni, ponieważ czas ten jest ograniczony jedynie ilością wodoru lub metanolu/wody, która jest dostępna w magazynie.

Ogniwa paliwowe oferują doskonałą wydajność energetyczną, zwiększoną niezawodność systemu, bardziej przewidywalną wydajność w szerokim zakresie klimatów i niezawodną żywotność w porównaniu ze standardowymi w branży zestawami akumulatorów kwasowo-ołowiowych z zaworami. Koszty cyklu życia są również niższe ze względu na znacznie mniejsze wymagania dotyczące konserwacji i wymiany. Ogniwa paliwowe oferują użytkownikowi końcowemu korzyści środowiskowe, ponieważ koszty utylizacji i ryzyko związane z odpowiedzialnością związane z ogniwami kwasowo-ołowiowymi są coraz większym problemem.

Na wydajność akumulatorów elektrycznych może mieć negatywny wpływ szereg czynników, takich jak poziom naładowania, temperatura, cykle, żywotność i inne zmienne. Dostarczona energia będzie się różnić w zależności od tych czynników i nie jest łatwa do przewidzenia. Na wydajność ogniwa paliwowego z membraną do wymiany protonów (PEMFC) nie mają wpływu te czynniki i może zapewniać moc krytyczną, o ile dostępne jest paliwo. Większa przewidywalność to ważna korzyść przy przejściu na ogniwa paliwowe w zastosowaniach zasilania awaryjnego o znaczeniu krytycznym.

Ogniwa paliwowe wytwarzają energię tylko wtedy, gdy dostarczane jest paliwo, podobnie jak generator turbiny gazowej, ale nie mają ruchomych części w strefie wytwarzania. Dlatego w przeciwieństwie do generatora nie ulegają szybkiemu zużyciu i nie wymagają stałej konserwacji i smarowania.

Paliwo używane do napędu konwertera paliwa o wydłużonym czasie trwania jest mieszaniną metanolu i wody. Metanol jest powszechnie dostępnym, komercyjnie produkowanym paliwem, które ma obecnie wiele zastosowań, m.in. do spryskiwaczy szyb, plastikowe butelki, dodatki silnikowe, farby emulsyjne. Metanol jest łatwy w transporcie, miesza się z wodą, ma dobrą biodegradowalność i nie zawiera siarki. Ma niską temperaturę zamarzania (-71°C) i nie ulega rozkładowi podczas długiego przechowywania.

Zastosowanie ogniw/ogniw paliwowych w sieciach komunikacyjnych

Sieci bezpieczeństwa wymagają niezawodnych rozwiązań zasilania awaryjnego, które mogą działać przez wiele godzin lub dni w sytuacji awaryjnej, jeśli sieć energetyczna stanie się niedostępna.

Dzięki niewielkiej liczbie ruchomych części i brakowi redukcji mocy w trybie czuwania, innowacyjna technologia ogniw paliwowych oferuje atrakcyjne rozwiązanie w porównaniu z obecnie dostępnymi systemami zasilania awaryjnego.

Najbardziej przekonującym powodem stosowania technologii ogniw paliwowych w sieciach komunikacyjnych jest zwiększona ogólna niezawodność i bezpieczeństwo. Podczas zdarzeń, takich jak przerwy w dostawie prądu, trzęsienia ziemi, burze i huragany, ważne jest, aby systemy działały i miały niezawodne źródło zasilania awaryjnego przez dłuższy czas, niezależnie od temperatury lub wieku systemu zasilania awaryjnego.

Asortyment zasilaczy z ogniw paliwowych jest idealny do obsługi bezpiecznych sieci komunikacyjnych. Dzięki zasadom energooszczędności zapewniają przyjazne dla środowiska, niezawodne zasilanie awaryjne o wydłużonym czasie działania (do kilku dni) w zakresie mocy od 250 W do 15 kW.

Zastosowanie ogniw paliwowych/ogniw w sieciach danych

Niezawodne zasilanie sieci danych, takich jak szybkie sieci danych i szkielety światłowodowe, ma kluczowe znaczenie na całym świecie. Informacje przesyłane przez takie sieci zawierają krytyczne dane dla instytucji takich jak banki, linie lotnicze lub centra medyczne. Awaria zasilania w takich sieciach stanowi nie tylko zagrożenie dla: przesyłane informacje, ale także co do zasady prowadzi do znacznych strat finansowych. Niezawodne, innowacyjne instalacje ogniw paliwowych, które zapewniają zasilanie w trybie czuwania, zapewniają niezawodność niezbędną do zapewnienia nieprzerwanego zasilania.

Jednostki ogniw paliwowych pracujące na mieszaninie paliw płynnych metanolu i wody zapewniają niezawodne zasilanie awaryjne o wydłużonym czasie działania, nawet do kilku dni. Ponadto jednostki te charakteryzują się znacznie zmniejszonymi wymaganiami konserwacyjnymi w porównaniu z generatorami i akumulatorami, wymagając tylko jednej wizyty konserwacyjnej rocznie.

Typowe cechy aplikacji dla wykorzystania instalacji ogniw paliwowych w sieciach danych:

Aplikacje o mocy wejściowej od 100 W do 15 kW
Aplikacje z wymaganiami dla żywotność baterii> 4 godziny
Repeatery w systemach światłowodowych (hierarchia synchronicznych systemów cyfrowych, szybki internet, Voice over IP…)
Węzły sieciowe szybkiej transmisji danych
Węzły transmisji WiMAX

Instalacje rezerwowe z ogniwami paliwowymi oferują liczne korzyści dla krytycznych infrastruktur sieci danych w porównaniu z tradycyjnymi generatorami akumulatorowymi lub wysokoprężnymi, umożliwiając zwiększone wykorzystanie na miejscu:

Technologia paliw płynnych rozwiązuje problem magazynowania wodoru i zapewnia praktycznie nieograniczone zasilanie awaryjne.
Ze względu na cichą pracę, niewielką wagę, odporność na ekstremalne temperatury i praktycznie bezwibracyjną pracę, ogniwa paliwowe mogą być instalowane na zewnątrz, w obiektach przemysłowych/kontenerach lub na dachach.
Przygotowanie do użytkowania systemu na miejscu jest szybkie i ekonomiczne, a koszt eksploatacji niski.
Paliwo jest biodegradowalne i stanowi przyjazne dla środowiska rozwiązanie dla środowiska miejskiego.

Zastosowanie ogniw/ogniw paliwowych w systemach bezpieczeństwa

Najstaranniej zaprojektowane systemy bezpieczeństwa i komunikacji w budynkach są tak niezawodne, jak moc, która je zasila. Chociaż większość systemów zawiera pewien rodzaj awaryjnego systemu zasilania bezprzerwowego na wypadek krótkotrwałych strat zasilania, nie uwzględniają one dłuższych przerw w zasilaniu, które mogą wystąpić po klęskach żywiołowych lub atakach terrorystycznych. To może być krytyczna kwestia dla wielu agencji korporacyjnych i rządowych.

W przypadku braku niezawodne alternatywne źródło ciągłego zasilania.

Generatory Diesla są głośne, trudne do zlokalizowania i są dobrze znane ze swojej niezawodności i konserwacja. W przeciwieństwie do tego, instalacja rezerwowa z ogniwami paliwowymi jest cicha, niezawodna, ma zerową lub bardzo niską emisję i jest łatwa do zainstalowania na dachu lub na zewnątrz budynku. Nie rozładowuje się ani nie traci mocy w trybie czuwania. Zapewnia ciągłość działania krytycznych systemów, nawet po zaprzestaniu działalności instytucji i opuszczeniu budynku przez ludzi.

Innowacyjne instalacje ogniw paliwowych chronią kosztowne inwestycje w zastosowaniach o znaczeniu krytycznym. Zapewniają przyjazne dla środowiska, niezawodne zasilanie awaryjne o wydłużonym czasie działania (do wielu dni) w zakresie mocy od 250 W do 15 kW, w połączeniu z licznymi niezrównanymi funkcjami, a zwłaszcza wysokim poziomem oszczędności energii.

Jednostki rezerwowe zasilania z ogniw paliwowych oferują liczne korzyści w zastosowaniach o znaczeniu krytycznym, takich jak systemy bezpieczeństwa i zarządzania budynkami, w porównaniu z tradycyjnymi generatorami akumulatorowymi lub wysokoprężnymi. Technologia paliw płynnych rozwiązuje problem magazynowania wodoru i zapewnia praktycznie nieograniczone zasilanie awaryjne.

Zastosowanie ogniw/ogniw paliwowych w domowym ogrzewaniu i energetyce

Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC) są wykorzystywane do budowy niezawodnych, energooszczędnych i bezemisyjnych elektrowni cieplnych do wytwarzania energii elektrycznej i ciepła z powszechnie dostępnego gazu ziemnego i odnawialnych źródeł paliw. Te innowacyjne jednostki są wykorzystywane na wielu różnych rynkach, od wytwarzania energii w gospodarstwie domowym po zasilanie obszarów oddalonych, a także pomocnicze źródła zasilania.

Zastosowanie ogniw/ogniw paliwowych w sieciach dystrybucyjnych

Małe elektrociepłownie są projektowane do pracy w rozproszonej sieci wytwórczej składającej się z dużej liczby małych zespołów prądotwórczych zamiast jednej scentralizowanej elektrowni.

Poniższy rysunek przedstawia utratę sprawności wytwarzania energii, gdy jest ona generowana w elektrociepłowni i przesyłana do domów przez tradycyjne sieci przesyłowe stosowane w ten moment. Straty sprawności w wytwarzaniu sieciowym obejmują straty z elektrowni, przesyłu niskiego i wysokiego napięcia oraz straty dystrybucyjne.

Rysunek przedstawia wyniki integracji małych elektrowni cieplnych: energia elektryczna jest wytwarzana ze sprawnością wytwarzania do 60% w miejscu użytkowania. Ponadto gospodarstwo domowe może wykorzystywać ciepło wytwarzane przez ogniwa paliwowe do ogrzewania wody i pomieszczeń, co zwiększa ogólną wydajność przetwarzania energii z paliw i poprawia oszczędność energii.

Wykorzystywanie ogniw paliwowych do ochrony środowiska — wykorzystanie powiązanego gazu z ropy naftowej

Jednym z najważniejszych zadań w przemyśle naftowym jest utylizacja towarzyszącego gazu ropopochodnego. Istniejące metody utylizacji towarzyszącego gazu ropopochodnego mają wiele wad, z których najważniejszą jest to, że nie są ekonomicznie opłacalne. Powiązany gaz ropopochodny jest spalany, co powoduje ogromne szkody dla środowiska i zdrowia ludzkiego.

Innowacyjne elektrociepłownie oparte na ogniwach paliwowych wykorzystujące jako paliwo gaz ropopochodny otwierają drogę do radykalnego i opłacalnego rozwiązania problemów związanych z utylizacją gazu ropopochodnego.

Jedną z głównych zalet instalacji ogniw paliwowych jest to, że mogą działać niezawodnie i w sposób zrównoważony na skojarzonych gaz naftowy zmienny skład. Ze względu na bezpłomieniową reakcję chemiczną leżącą u podstaw działania ogniwa paliwowego, zmniejszenie udziału procentowego np. metanu powoduje tylko odpowiednie zmniejszenie mocy wyjściowej.
Elastyczność w stosunku do obciążenia elektrycznego odbiorników, dyferencjału, udaru obciążenia.
Do montażu i podłączenia elektrociepłowni na ogniwach paliwowych ich realizacja nie wymaga nakładów inwestycyjnych, ponieważ Jednostki są łatwo montowane na nieprzygotowanych placach w pobliżu pól, są łatwe w obsłudze, niezawodne i wydajne.
Wysoka automatyzacja i nowoczesne zdalne sterowanie nie wymagają stałej obecności personelu w zakładzie.
Prostota i techniczna doskonałość konstrukcji: brak części ruchomych, ciernych, układów smarowania zapewnia znaczne korzyści ekonomiczne z eksploatacji instalacji ogniw paliwowych.
Zużycie wody: brak w temperaturze otoczenia do +30 °C i znikome w wyższych temperaturach.
Wylot wody: brak.
Ponadto elektrownie cieplne na ogniwa paliwowe nie hałasują, nie wibrują, nie emitują szkodliwych emisji do atmosfery

Obsługiwane są przez statki kosmiczne amerykańskiej Narodowej Agencji Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej (NASA). Zasilają komputery Pierwszego Banku Narodowego w Omaha. Są używane w niektórych publicznych autobusach miejskich w Chicago.

To wszystko są ogniwa paliwowe. Ogniwa paliwowe to urządzenia elektrochemiczne, które wytwarzają energię elektryczną bez procesu spalania – za pomocą środków chemicznych, podobnie jak baterie. Jedyna różnica polega na tym, że używają innych chemikaliów, wodoru i tlenu, a produktem reakcji chemicznej jest woda. Można również użyć gazu ziemnego, ale oczywiście pewien poziom emisji dwutlenku węgla jest nieunikniony podczas korzystania z paliw węglowodorowych.

Ponieważ ogniwa paliwowe mogą działać z wysoką wydajnością i bez szkodliwych emisji, są bardzo obiecujące jako zrównoważone źródło energii, które pomoże zmniejszyć emisje gazów cieplarnianych i innych zanieczyszczeń. Główną przeszkodą w powszechnym stosowaniu ogniw paliwowych jest ich wysoki koszt w porównaniu z innymi urządzeniami wytwarzającymi energię elektryczną czy napędzającymi pojazdy.

Historia rozwoju

Pierwsze ogniwa paliwowe zostały zademonstrowane przez Sir Williama Grovesa w 1839 roku. Groves wykazał, że proces elektrolizy – rozszczepiania wody na wodór i tlen pod wpływem prądu elektrycznego – jest odwracalny. Oznacza to, że wodór i tlen można połączyć chemicznie, tworząc elektryczność.

Po tym, jak to zostało zademonstrowane, wielu naukowców pospiesznie rzuciło się na badania ogniw paliwowych, ale wynalezienie silnika spalinowego i rozwój infrastruktury do wydobycia rezerw ropy naftowej w drugiej połowie XIX wieku pozostawiły rozwój ogniw paliwowych daleko w tyle. Jeszcze bardziej ograniczył rozwój ogniw paliwowych ich wysoki koszt.

Gwałtowny rozwój ogniw paliwowych nastąpił w latach pięćdziesiątych, kiedy NASA zwróciła się do nich w związku z zapotrzebowaniem na kompaktowy generator elektryczny do lotów kosmicznych. Zainwestowano odpowiednie środki, w wyniku czego na ogniwach paliwowych odbyły się loty Apollo i Gemini. Statki kosmiczne działają również na ogniwach paliwowych.

Ogniwa paliwowe są nadal w dużej mierze technologia eksperymentalna, ale już kilka firm sprzedaje je na rynku komercyjnym. Tylko w ciągu ostatnich prawie dziesięciu lat dokonano znaczących postępów w komercyjnej technologii ogniw paliwowych.

Jak działa ogniwo paliwowe

Ogniwa paliwowe są jak baterie – wytwarzają energię elektryczną w wyniku reakcji chemicznej. Natomiast silniki spalinowe spalają paliwo, a tym samym wytwarzają ciepło, które jest następnie przekształcane w energię mechaniczną. O ile ciepło ze spalin nie jest w jakiś sposób wykorzystywane (na przykład do ogrzewania lub klimatyzacji), to można powiedzieć, że sprawność silnika spalinowego jest raczej niska. Na przykład oczekuje się, że sprawność ogniw paliwowych zastosowanych w pojeździe – projekt będący obecnie w fazie rozwoju – będzie ponad dwukrotnie wyższa niż w przypadku typowych obecnie silników benzynowych stosowanych w samochodach.

Chociaż zarówno baterie, jak i ogniwa paliwowe wytwarzają elektryczność chemicznie, pełnią one dwie bardzo różne funkcje. Baterie to urządzenia magazynujące energię: wytwarzana przez nie energia elektryczna jest wynikiem reakcji chemicznej materii znajdującej się w ich wnętrzu. Ogniwa paliwowe nie magazynują energii, ale zamieniają część energii z paliwa dostarczanego z zewnątrz na energię elektryczną. Pod tym względem ogniwo paliwowe przypomina bardziej konwencjonalną elektrownię.

Istnieje kilka różnych typów ogniw paliwowych. Najprostsze ogniwo paliwowe składa się ze specjalnej membrany zwanej elektrolitem. Elektrody proszkowe są osadzane po obu stronach membrany. Ta konstrukcja - elektrolit otoczony dwiema elektrodami - jest osobnym elementem. Wodór przepływa z jednej strony (anoda), a tlen (powietrze) z drugiej (katoda). Każda elektroda ma inną reakcję chemiczną.

Na anodzie wodór rozkłada się na mieszaninę protonów i elektronów. W niektórych ogniwach paliwowych elektrody są otoczone katalizatorem, zwykle wykonanym z platyny lub innych metali szlachetnych, który sprzyja reakcji dysocjacji:

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

H2 = dwuatomowa cząsteczka wodoru, forma, in

w której wodór występuje jako gaz;

H+ = zjonizowany wodór, tj. proton;

e- = elektron.

Działanie ogniwa paliwowego opiera się na fakcie, że elektrolit przepuszcza protony przez siebie (w kierunku katody), ale elektrony nie. Elektrony poruszają się w kierunku katody wzdłuż zewnętrznego obwodu przewodzącego. Ten ruch elektronów to prąd elektryczny, który można wykorzystać do zasilania zewnętrznego urządzenia podłączonego do ogniwa paliwowego, takiego jak silnik elektryczny lub żarówka. To urządzenie jest powszechnie nazywane „obciążeniem”.

Po stronie katodowej ogniwa paliwowego protony (które przeszły przez elektrolit) i elektrony (które przeszły przez ładunek zewnętrzny) „rekombinują” i reagują z tlenem dostarczanym do katody, tworząc wodę, H2O:

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

Ogólna reakcja w ogniwie paliwowym jest zapisana jako:

2H2 + O2 ==> 2H2O.

W swojej pracy ogniwa paliwowe wykorzystują paliwo wodorowe i tlen z powietrza. Wodór można dostarczać bezpośrednio lub oddzielając go od zewnętrznego źródła paliwa, takiego jak gaz ziemny, benzyna lub metanol. W przypadku źródła zewnętrznego, w celu wydobycia wodoru, musi on zostać poddany chemicznej konwersji. Proces ten nazywa się „reformowaniem”. Wodór można również pozyskiwać z amoniaku, alternatywnych źródeł, takich jak gaz ze składowisk miejskich oraz z oczyszczalni gazu. Ścieki, a także przez elektrolizę wody, w której do rozkładu wody na wodór i tlen wykorzystuje się energię elektryczną. Obecnie większość technologii ogniw paliwowych stosowanych w transporcie wykorzystuje metanol.

Opracowano różne sposoby reformowania paliwa w celu produkcji wodoru do ogniw paliwowych. Departament Energii Stanów Zjednoczonych opracował instalację paliwową wewnątrz reformera benzyny, która dostarcza wodór do samodzielnego ogniwa paliwowego. Naukowcy z Pacific Northwest National Laboratory w USA zademonstrowali kompaktowy reformer paliwa, który jest jednej dziesiątej wielkości zasilacza. Amerykańskie przedsiębiorstwo Northwest Power Systems i Sandia National Laboratory zademonstrowały reformer paliwa, który przekształca olej napędowy w wodór do ogniw paliwowych.

Pojedynczo ogniwa paliwowe wytwarzają około 0,7-1,0 woltów każde. Aby zwiększyć napięcie, elementy są składane w „kaskadę”, tj. połączenie szeregowe. Aby uzyskać więcej prądu, zestawy elementów kaskadowych są połączone równolegle. Jeśli połączysz kaskady ogniw paliwowych z instalacją paliwową, układem dostarczania i chłodzenia powietrza oraz systemem sterowania, otrzymujesz silnik na ogniwa paliwowe. Ten silnik może jeździć pojazd, elektrownia stacjonarna lub przenośny generator elektryczny6. Silniki z ogniwami paliwowymi są dostępne w różnych rozmiarach w zależności od zastosowania, typu ogniwa paliwowego i używanego paliwa. Na przykład, każda z czterech oddzielnych elektrowni stacjonarnych o mocy 200 kW zainstalowanych w banku w Omaha jest w przybliżeniu wielkości przyczepy ciężarówki.

Aplikacje

Ogniwa paliwowe mogą być stosowane zarówno w urządzeniach stacjonarnych, jak i mobilnych. W odpowiedzi na zaostrzenie amerykańskich przepisów dotyczących emisji spalin producenci samochodów, w tym DaimlerChrysler, Toyota, Ford, General Motors, Volkswagen, Honda i Nissan, eksperymentowali i demonstrowali pojazdy na ogniwa paliwowe. Oczekuje się, że pierwsze komercyjne pojazdy z ogniwami paliwowymi wyjadą na drogi w 2004 lub 2005 roku.

Ważnym kamieniem milowym w historii technologii ogniw paliwowych była demonstracja w czerwcu 1993 r. eksperymentalnego 32-stopowego autobusu miejskiego firmy Ballard Power System z 90-kilowatowym silnikiem na ogniwa wodorowe. Od tego czasu wielu różne rodzaje oraz różne generacje samochodów osobowych napędzanych ogniwami paliwowymi różne rodzaje paliwo. Od końca 1996 roku w Palm Desert w Kalifornii używano trzech wózków golfowych napędzanych wodorowymi ogniwami paliwowymi. Na drogach Chicago, Illinois; Vancouver, Kolumbia Brytyjska; i Oslo w Norwegii testują autobusy miejskie na ogniwa paliwowe. Taksówki z alkalicznymi ogniwami paliwowymi są testowane na ulicach Londynu.

Demonstrowane są również stałe instalacje wykorzystujące technologię ogniw paliwowych, ale nie są one jeszcze powszechnie stosowane. aplikacja komercyjna. Pierwszy Narodowy Bank Omaha w Nebrasce wykorzystuje system ogniw paliwowych do zasilania komputerów, ponieważ system ten jest bardziej niezawodny niż stary system sieciowy z podtrzymaniem bateryjnym. Największy na świecie system komercyjny ogniwo paliwowe o mocy 1,2 MW zostanie wkrótce zainstalowane w centrum pocztowym na Alasce. Testowane i demonstrowane są także laptopy z ogniwami paliwowymi, systemy sterowania stosowane w oczyszczalniach ścieków i automaty sprzedające.

"Plusy i minusy"

Ogniwa paliwowe mają szereg zalet. O ile sprawność nowoczesnych silników spalinowych wynosi tylko 12-15%, o tyle dla ogniw paliwowych współczynnik ten wynosi 50%. Sprawność ogniw paliwowych może pozostać na dość wysoki poziom, nawet gdy nie są używane z pełną mocą znamionową, co stanowi dużą przewagę nad silnikami benzynowymi.

Modułowy charakter konstrukcji ogniwa paliwowego oznacza, że wydajność elektrowni z ogniwami paliwowymi można zwiększyć, po prostu dodając kilka kolejnych stopni. Zapewnia to minimalizację współczynnika niepełnego wykorzystania mocy, co pozwala na lepsze dopasowanie podaży i popytu. Ponieważ sprawność stosu ogniw paliwowych zależy od wydajności poszczególnych ogniw, małe elektrownie na ogniwa paliwowe działają tak samo wydajnie, jak duże. Ponadto ciepło odpadowe ze stacjonarnych systemów ogniw paliwowych może być wykorzystywane do ogrzewania wody i pomieszczeń, co dodatkowo zwiększa efektywność energetyczną.

Przy stosowaniu ogniw paliwowych praktycznie nie ma szkodliwych emisji. Gdy silnik pracuje na czystym wodorze, jako produkty uboczne powstają tylko ciepło i czysta para wodna. Tak więc na statku kosmicznym astronauci piją wodę, która powstaje w wyniku działania pokładowych ogniw paliwowych. Skład emisji zależy od charakteru źródła wodoru. Stosowanie metanolu skutkuje zerową emisją tlenków azotu i tlenku węgla oraz jedynie niewielką emisją węglowodorów. Emisje rosną wraz z przejściem z wodoru na metanol na benzynę, chociaż nawet w przypadku benzyny emisje pozostaną dość niskie. W każdym razie zastąpienie dzisiejszych tradycyjnych silników spalinowych ogniwami paliwowymi doprowadziłoby do ogólnej redukcji emisji CO2 i NOx.

Zastosowanie ogniw paliwowych zapewnia elastyczność infrastruktury energetycznej, tworząc dodatkowe funkcje do zdecentralizowanego wytwarzania energii. Wielość zdecentralizowanych źródeł energii pozwala na ograniczenie strat przesyłowych i rozwój rynków zbytu energii (co jest szczególnie ważne dla obszarów oddalonych i wiejskich pozbawionych dostępu do linii elektroenergetycznych). Za pomocą ogniw paliwowych poszczególni mieszkańcy lub sąsiedzi mogą zapewnić sobie większość energii elektrycznej, a tym samym znacznie zwiększyć efektywność jej użytkowania.

Ogniwa paliwowe oferują energię Wysoka jakość i zwiększona niezawodność. Są trwałe, nie mają ruchomych części i wytwarzają stałą moc.

Jednak technologia ogniw paliwowych wymaga dalszych udoskonaleń w celu poprawy wydajności, obniżenia kosztów, a tym samym uczynienia ogniw paliwowych konkurencyjnymi w stosunku do innych technologii energetycznych. Należy zauważyć, że rozważając charakterystykę kosztową technologii energetycznych, porównania należy dokonywać na podstawie wszystkich komponentów. charakterystyka technologiczna w tym kapitałowe koszty operacyjne, emisje zanieczyszczeń, jakość energii, trwałość, likwidacja i elastyczność.

Choć najlepszym paliwem jest wodór, infrastruktura ani baza transportowa dla niego jeszcze nie istnieje. W perspektywie krótkoterminowej istniejące systemy zaopatrzenia w paliwa kopalne (stacje benzynowe itp.) mogłyby zostać wykorzystane do zaopatrywania elektrowni w źródła wodoru w postaci benzyny, metanolu lub gazu ziemnego. Wyeliminowałoby to potrzebę specjalnych stacji tankowania wodoru, ale wymagałoby, aby każdy pojazd był wyposażony w konwerter paliwa kopalnego na wodór („reformer”). Wadą tego podejścia jest to, że wykorzystuje ono paliwa kopalne, a tym samym powoduje emisje dwutlenku węgla. Metanol, obecnie wiodący kandydat, generuje mniej emisji niż benzyna, ale wymagałby większej pojemności zbiornika w samochodzie, ponieważ zajmuje dwa razy więcej miejsca przy tej samej zawartości energii.

W przeciwieństwie do systemów zasilania paliwem kopalnym, systemy słoneczne i wiatrowe (wykorzystujące energię elektryczną do wytwarzania wodoru i tlenu z wody) oraz systemy bezpośredniej fotokonwersji (wykorzystujące materiały półprzewodnikowe lub enzymy do produkcji wodoru) mogą dostarczać wodór bez etapu reformowania, a tym samym emisje szkodliwych substancji, które są obserwowane podczas używania ogniw paliwowych na metanol lub benzynę, można by uniknąć. Wodór można by w razie potrzeby przechowywać i przekształcać w energię elektryczną w ogniwie paliwowym. W przyszłości podłączenie ogniw paliwowych do tego rodzaju odnawialnych źródeł energii będzie prawdopodobnie skuteczną strategią zapewnienia wydajnego, przyjaznego dla środowiska i wszechstronnego źródła energii.

Zalecenia IEER są skierowane do władz lokalnych, stanowych i stanowych, aby przeznaczyć część swoich budżetów na transport na pojazdy z ogniwami paliwowymi i stacjonarne systemy ogniw paliwowych, aby zapewnić ciepło i energię elektryczną do niektórych z ich podstawowych lub nowych budynków. Przyczyni się to do rozwoju niezbędnej technologii i zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych.

W Nowoczesne życieŹródła prądu chemicznego otaczają nas wszędzie: są to baterie w latarkach, baterie w telefony komórkowe, wodorowe ogniwa paliwowe, które są już stosowane w niektórych pojazdach. Szybki rozwój technologii elektrochemicznych może doprowadzić do tego, że w niedalekiej przyszłości zamiast samochodów z silnikami benzynowymi będziemy otoczeni wyłącznie pojazdami elektrycznymi, telefony nie będą się już szybko wyczerpywały, a każdy dom będzie miał własne ogniwo paliwowe generator elektryczny. Jeden ze wspólnych programów Uralskiego Uniwersytetu Federalnego z Instytutem Elektrochemii Wysokotemperaturowej Uralskiego Oddziału Rosyjskiej Akademii Nauk, w partnerstwie z którym publikujemy ten artykuł, poświęcony jest zwiększeniu wydajności magazynów elektrochemicznych i generatorów prądu .

Obecnie istnieje wiele różnych rodzajów baterii, wśród których coraz trudniej jest się poruszać. Nie dla wszystkich jest jasne, czym bateria różni się od superkondensatora i dlaczego można stosować wodorowe ogniwo paliwowe bez obawy o szkodę dla środowiska. W tym artykule porozmawiamy o tym, w jaki sposób reakcje chemiczne są wykorzystywane do wytwarzania energii elektrycznej, jaka jest różnica między głównymi typami nowoczesnych źródeł prądu chemicznego i jakie perspektywy otwierają się dla energii elektrochemicznej.

Chemia jako źródło energii elektrycznej

Najpierw spójrzmy, dlaczego energia chemiczna może być w ogóle wykorzystywana do generowania elektryczności. Chodzi o to, że w reakcjach redoks elektrony są przenoszone między dwoma różnymi jonami. Jeśli dwie połowy reakcji chemicznej są rozdzielone w przestrzeni tak, że utlenianie i redukcja zachodzą oddzielnie od siebie, to można mieć pewność, że elektron, który odrywa się od jednego jonu, nie pada natychmiast na drugi, ale pierwszy podąża wyznaczoną dla niego ścieżką. Ta reakcja może być wykorzystana jako źródło prądu elektrycznego.

Koncepcja ta została po raz pierwszy wdrożona w XVIII wieku przez włoskiego fizjologa Luigiego Galvaniego. Działanie tradycyjnego ogniwa galwanicznego opiera się na reakcjach redukcji i utleniania metali o różnej aktywności. Na przykład klasyczne ogniwo to ogniwo galwaniczne, w którym cynk jest utleniany, a miedź jest redukowana. Reakcje redukcji i utleniania zachodzą odpowiednio na katodzie i anodzie. Aby jony miedzi i cynku nie dostały się na „obce terytorium”, gdzie mogą bezpośrednio ze sobą reagować, między anodą a katodą umieszcza się zwykle specjalną membranę. W rezultacie między elektrodami powstaje różnica potencjałów. Jeśli na przykład połączysz elektrody z żarówką, w powstałym obwodzie elektrycznym zaczyna płynąć prąd i żarówka się zapala.

Schemat ogniwa galwanicznego

Wikimedia Commons

Oprócz materiałów anody i katody ważnym składnikiem chemicznego źródła prądu jest elektrolit, wewnątrz którego poruszają się jony i na granicy którego zachodzą wszystkie reakcje elektrochemiczne z elektrodami. W takim przypadku elektrolit nie musi być płynny – może to być zarówno materiał polimerowy, jak i ceramiczny.

Główną wadą ogniwa galwanicznego jest jego ograniczony czas pracy. Gdy tylko reakcja dobiegnie końca (czyli cała stopniowo rozpuszczająca się anoda zostanie całkowicie zużyta), taki element po prostu przestanie działać.

Baterie alkaliczne palcowe

Akumulator

Pierwszym krokiem w kierunku rozszerzenia możliwości chemicznych źródeł prądu było stworzenie baterii – źródła prądu, które można ładować, a tym samym ponownie wykorzystywać. W tym celu naukowcy po prostu zaproponowali zastosowanie odwracalnych reakcji chemicznych. Po całkowitym rozładowaniu akumulatora po raz pierwszy, za pomocą zewnętrznego źródła prądu, reakcja, która w nim zaszła, może rozpocząć się w przeciwnym kierunku. Spowoduje to przywrócenie pierwotnego stanu, dzięki czemu bateria będzie mogła być ponownie użyta po ponownym naładowaniu.

Samochodowy akumulator kwasowo-ołowiowy

Do tej pory powstało wiele różnych typów baterii, które różnią się rodzajem zachodzącej w nich reakcji chemicznej. Najpopularniejszymi typami akumulatorów są akumulatory kwasowo-ołowiowe (lub po prostu ołowiowe), które opierają się na reakcji utleniania-redukcji ołowiu. Takie urządzenia mają dość długą żywotność, a ich zużycie energii wynosi do 60 watogodzin na kilogram. Jeszcze bardziej popularne są ostatnio akumulatory litowo-jonowe oparte na reakcji redoks litu. Energochłonność nowoczesnych akumulatorów litowo-jonowych przekracza obecnie 250 watogodzin na kilogram.

Akumulator litowo-jonowy do telefonu komórkowego

Głównymi problemami akumulatorów litowo-jonowych są ich niska sprawność w niskich temperaturach, szybkie starzenie się i zwiększona wybuchowość. A ze względu na fakt, że lit metaliczny bardzo aktywnie reaguje z wodą, tworząc gazowy wodór, a podczas spalania akumulatora uwalniany jest tlen, samozapłon akumulatora litowo-jonowego jest bardzo trudny w użyciu przy tradycyjnych metodach gaszenia. W celu poprawy bezpieczeństwa takiego akumulatora i przyspieszenia czasu jego ładowania, naukowcy proponują materiał katodowy, który zapobiega tworzeniu się dendrytycznych struktur litu, a do elektrolitu dodają substancje tworzące struktury wybuchowe oraz składniki zapalające się we wczesnych stadiach .

Elektrolit stały

Jako kolejny mniej oczywisty sposób poprawy wydajności i bezpieczeństwa akumulatorów, chemicy zaproponowali nie ograniczanie się do ciekłych elektrolitów w chemicznych źródłach zasilania, ale stworzenie całkowicie stałego źródła zasilania. W takich urządzeniach w ogóle nie ma składników płynnych, ale jest między nimi warstwowa struktura stałej anody, stałej katody i stałego elektrolitu. Elektrolit pełni jednocześnie funkcję membrany. Nośnikami ładunku w stałym elektrolicie mogą być różne jony, w zależności od jego składu i reakcji zachodzących na anodzie i katodzie. Ale zawsze są one wystarczająco małymi jonami, które mogą poruszać się stosunkowo swobodnie przez kryształ, na przykład protony H +, jony Li + litu lub jony tlenu O 2 .

Wodorowe ogniwa paliwowe

Możliwość ładowania i specjalne środki bezpieczeństwa sprawiają, że akumulatory są znacznie bardziej obiecującym źródłem prądu niż konwencjonalne akumulatory, ale mimo to każda bateria zawiera w sobie ograniczoną ilość odczynników, a co za tym idzie, ograniczoną ilość energii i za każdym razem akumulator musi być ładowany wznowić działanie.

Aby bateria była „nieskończona”, jako źródło energii można użyć nie tych substancji, które znajdują się w komórce, ale specjalnie przepompowanego przez nią paliwa. Co najlepsze, jako takie paliwo najlepiej nadaje się substancja, która jest tak prosta w składzie, jak to tylko możliwe, przyjazna dla środowiska i dostępna w obfitości na Ziemi.

Najbardziej odpowiednią substancją tego typu jest wodór. Jego utlenianie tlenem atmosferycznym do wody (zgodnie z reakcją 2H 2 + O 2 → 2H 2 O) jest prostą reakcją redoks, a jako źródło prądu można również wykorzystać transport elektronów między jonami. Reakcja przebiegająca w tym przypadku jest rodzajem reakcji odwrotnej do reakcji elektrolizy wody (w której pod wpływem prądu elektrycznego woda rozkłada się na tlen i wodór) i po raz pierwszy taki schemat zaproponowano już w połowa XIX wieku.

Ale pomimo tego, że obwód wygląda dość prosto, stworzenie wydajnego urządzenia opartego na tej zasadzie wcale nie jest trywialnym zadaniem. Aby to zrobić, konieczne jest oddzielenie przepływów tlenu i wodoru w przestrzeni, zapewnienie transportu niezbędnych jonów przez elektrolit oraz ograniczenie ewentualnych strat energii na wszystkich etapach pracy.

Schemat ideowy działania wodorowego ogniwa paliwowego

Schemat działającego wodorowego ogniwa paliwowego jest bardzo podobny do schematu chemicznego źródła prądu, ale zawiera dodatkowe kanały do dostarczania paliwa i utleniacza oraz usuwania produktów reakcji i nadmiaru dostarczanych gazów. Elektrody w takim elemencie są porowatymi katalizatorami przewodzącymi. Do anody doprowadzane jest paliwo gazowe (wodór), a do katody środek utleniający (tlen z powietrza), a na granicy każdej z elektrod z elektrolitem zachodzi jej własna reakcja połówkowa (utlenianie odpowiednio wodoru i redukcji tlenu). W tym przypadku, w zależności od rodzaju ogniwa paliwowego i rodzaju elektrolitu, samo tworzenie wody może przebiegać albo w przestrzeni anodowej, albo katodowej.

Wodorowe ogniwo paliwowe Toyoty

Joseph Brent / flickr

Jeśli elektrolitem jest polimer przewodzący protony lub membrana ceramiczna, roztwór kwasu lub zasady, to nośnikiem ładunku w elektrolicie są jony wodoru. W tym przypadku wodór cząsteczkowy jest utleniany na anodzie do jonów wodoru, które przechodzą przez elektrolit i tam reagują z tlenem. Jeżeli nośnikiem ładunku jest jon tlenu O 2–, jak w przypadku stałego elektrolitu tlenkowego, to tlen jest redukowany do jonu na katodzie, jon ten przechodzi przez elektrolit i utlenia wodór na anodzie tworząc wodę i wolny elektrony.

Oprócz reakcji utleniania wodoru w ogniwach paliwowych zaproponowano wykorzystanie innych rodzajów reakcji. Na przykład zamiast wodoru paliwem redukującym może być metanol, który jest utleniany tlenem do dwutlenku węgla i wody.

Wydajność ogniw paliwowych

Pomimo wszystkich zalet wodorowych ogniw paliwowych (takich jak przyjazność dla środowiska, praktycznie nieograniczona wydajność, kompaktowy rozmiar i wysoka energochłonność), mają one również szereg wad. Należą do nich przede wszystkim stopniowe starzenie się komponentów i trudności w przechowywaniu wodoru. To nad tym, jak wyeliminować te niedociągnięcia, naukowcy pracują dzisiaj.

Obecnie proponuje się zwiększenie sprawności ogniw paliwowych poprzez zmianę składu elektrolitu, właściwości elektrody katalitycznej oraz geometrii układu (co zapewnia doprowadzenie gazów opałowych do pożądanego punktu i ogranicza skutki uboczne). Do rozwiązania problemu magazynowania gazowego wodoru stosuje się materiały zawierające platynę, do nasycenia których np. membrany grafenowe.

Dzięki temu możliwe jest uzyskanie wzrostu stabilności ogniwa paliwowego oraz żywotności poszczególnych jego elementów. Teraz współczynnik konwersji energii chemicznej na energię elektryczną w takich ogniwach sięga 80 proc., a w pewnych warunkach może być nawet wyższy.

Ogromne perspektywy dla energii wodorowej wiążą się z możliwością łączenia ogniw paliwowych w całe baterie, przekształcając je w generatory elektryczne o dużej mocy. Już teraz generatory elektryczne działające na wodorowych ogniwach paliwowych mają moc do kilkuset kilowatów i są wykorzystywane jako źródła zasilania pojazdów.

Alternatywne przechowywanie elektrochemiczne

Oprócz klasycznych elektrochemicznych źródeł prądu, jako urządzenia magazynujące energię stosuje się również bardziej nietypowe systemy. Jednym z tych systemów jest superkondensator (lub jonizator) - urządzenie, w którym następuje separacja i akumulacja ładunku w wyniku tworzenia się podwójnej warstwy w pobliżu naładowanej powierzchni. Na styku elektroda-elektrolit w takim urządzeniu jony o różnych znakach układają się w dwie warstwy, tzw. „podwójną warstwę elektryczną”, tworząc rodzaj bardzo cienkiego kondensatora. Pojemność takiego kondensatora, czyli ilość nagromadzonego ładunku, będzie określona przez pole powierzchni właściwej materiału elektrody, dlatego korzystne jest, aby jako materiał na superkondensatory.

Jonizatory są mistrzami wśród ładująco-rozładowujących źródeł prądu chemicznego pod względem szybkości ładowania, co jest niewątpliwą zaletą tego typu urządzeń. Niestety są również rekordzistami pod względem szybkości rozładunku. Gęstość energii jonizatorów jest ośmiokrotnie mniejsza w porównaniu z akumulatorami ołowiowymi i 25 razy mniejsza niż w przypadku akumulatorów litowo-jonowych. Klasyczne jonizatory „dwuwarstwowe” nie wykorzystują w swoim rdzeniu reakcji elektrochemicznej, a określenie „kondensator” jest do nich najdokładniej stosowane. Jednak w tych wersjach jonizatorów, które opierają się na reakcji elektrochemicznej, a akumulacja ładunku sięga w głąb elektrody, możliwe jest uzyskanie wyższych czasów rozładowania przy zachowaniu szybkiego tempa ładowania. Wysiłki twórców superkondensatorów mają na celu stworzenie urządzeń hybrydowych z akumulatorami, które łączą zalety superkondensatorów, przede wszystkim wysoką szybkość ładowania, oraz zalety akumulatorów - dużą energochłonność i długi czas rozładowania. Wyobraź sobie w niedalekiej przyszłości baterię jonizacyjną, która naładuje się w kilka minut i zasili laptopa lub smartfona przez dzień lub dłużej!

Pomimo tego, że obecnie gęstość energii superkondensatorów jest wciąż kilkakrotnie mniejsza niż gęstość energii akumulatorów, są one stosowane w elektroniki użytkowej oraz do silników różnych pojazdów, w tym większości.

* * *

Tak więc dzisiaj istnieje duża liczba urządzeń elektrochemicznych, z których każde jest obiecujące ze względu na swoje specyficzne zastosowania. Aby poprawić wydajność tych urządzeń, naukowcy muszą rozwiązać szereg problemów, zarówno podstawowych, jak i technologicznych. Większość tych zadań w ramach jednego z przełomowych projektów jest realizowana na Uralskim Uniwersytecie Federalnym, dlatego zwróciliśmy się do Maxima Ananiewa, dyrektora Instytutu Elektrochemii Wysokotemperaturowej Uralskiego Oddziału Rosyjskiej Akademii Nauk, prof.

N+1: Czy w najbliższej przyszłości istnieje alternatywa dla najpopularniejszych akumulatorów Li-Ion?

Maksym Ananiew: Współczesne wysiłki twórców akumulatorów mają na celu zastąpienie rodzaju nośnika ładunku w elektrolicie z litu na sód, potas i aluminium. W wyniku wymiany litu możliwe będzie obniżenie kosztów baterii, choć proporcjonalnie wzrośnie charakterystyka wagowa i rozmiarowa. Innymi słowy, przy tych samych właściwościach elektrycznych akumulator sodowo-jonowy będzie większy i cięższy niż akumulator litowo-jonowy.

Ponadto jednym z obiecujących obszarów rozwoju w zakresie ulepszania akumulatorów jest tworzenie hybrydowych źródeł energii chemicznej opartych na połączeniu akumulatorów metalowo-jonowych z elektrodą powietrzną, jak w ogniwach paliwowych. Ogólnie rzecz biorąc, kierunek tworzenia systemów hybrydowych, jak już pokazano na przykładzie superkondensatorów, najwyraźniej w niedalekiej przyszłości pozwoli zobaczyć na rynku chemiczne źródła energii o wysokich parametrach konsumenckich.

Uralski Uniwersytet Federalny wraz z partnerami akademickimi i przemysłowymi z Rosji i świata realizuje obecnie sześć megaprojektów, które koncentrują się na przełomowych obszarach badania naukowe. Jednym z takich projektów jest "Perspektywiczne technologie elektrochemicznej inżynierii energetycznej od projektowania chemicznego nowych materiałów do urządzeń elektrochemicznych nowej generacji do zachowania i konwersji energii".

Grupa naukowców Strategicznej Jednostki Akademickiej (SAU) UrFU School of Natural Sciences and Mathematics, w skład której wchodzi Maxim Ananiev, zajmuje się projektowaniem i rozwojem nowych materiałów i technologii, w tym ogniw paliwowych, ogniw elektrolitycznych, baterii grafenowych, elektrochemicznych systemy magazynowania energii i superkondensatory.

Badania i Praca naukowa są prowadzone w stałej współpracy z Instytutem Elektrochemii Wysokotemperaturowej Uralskiego Oddziału Rosyjskiej Akademii Nauk oraz przy wsparciu partnerów.

Jakie ogniwa paliwowe są obecnie opracowywane i mają największy potencjał?

Jednym z najbardziej obiecujących typów ogniw paliwowych są ogniwa protonowo-ceramiczne. Mają przewagę nad polimerowymi ogniwami paliwowymi z membraną do wymiany protonów i ogniwami ze stałym tlenkiem, ponieważ mogą działać z bezpośrednim zasilaniem paliwem węglowodorowym. Upraszcza to znacznie konstrukcję elektrowni opartej na protonowo-ceramicznych ogniwach paliwowych i układzie sterowania, a tym samym zwiększa niezawodność działania. Co prawda ten rodzaj ogniw paliwowych jest obecnie historycznie mniej rozwinięty, ale współczesne badania naukowe pozwalają mieć nadzieję na wysoki potencjał tej technologii w przyszłości.

Jakimi problemami związanymi z ogniwami paliwowymi zajmuje się obecnie Uralski Uniwersytet Federalny?

Obecnie naukowcy UrFU wraz z Instytutem Elektrochemii Wysokotemperaturowej (IHTE) Uralskiego Oddziału Rosyjskiej Akademii Nauk pracują nad stworzeniem wysokowydajnych urządzeń elektrochemicznych i autonomicznych generatorów mocy do zastosowań w energetyce rozproszonej. Tworzenie elektrowni dla energetyki rozproszonej początkowo implikuje rozwój systemów hybrydowych opartych na generatorze energii elektrycznej i urządzeniu magazynującym, jakim są baterie. Jednocześnie ogniwo paliwowe pracuje nieprzerwanie, zapewniając obciążenie w godzinach szczytu, a w stanie spoczynku ładuje akumulator, który sam może stanowić rezerwę zarówno w przypadku dużego poboru mocy, jak i w sytuacjach awaryjnych.

Chemicy z Uralskiego Uniwersytetu Federalnego i IHTE osiągnęli największy sukces w rozwoju ogniw paliwowych ze stałym tlenkiem i protonowo-ceramicznymi. Od 2016 roku na Uralu, wspólnie z Państwową Korporacją Rosatom, powstała pierwsza rosyjska produkcja elektrowni oparta na ogniwach paliwowych ze stałym tlenkiem. Rozwój naukowców z Uralu przeszedł już testy „polowe” w stacji ochrony katodowej gazociągu na terenie doświadczalnym Uraltransgaz LLC. Elektrownia o mocy znamionowej 1,5 kilowata przepracowała ponad 10 tys. godzin i wykazała się dużym potencjałem wykorzystania takich urządzeń.

W ramach wspólnego laboratorium Uralskiego Uniwersytetu Federalnego i IHTE opracowywane są urządzenia elektrochemiczne oparte na ceramicznej membranie przewodzącej protony. Umożliwi to w niedalekiej przyszłości obniżenie temperatur pracy ogniw paliwowych ze stałym tlenkiem z 900 do 500 stopni Celsjusza i zaniechanie wstępnego reformingu paliwa węglowodorowego, tworząc w ten sposób opłacalne generatory elektrochemiczne zdolne do pracy w warunkach rozwinięta infrastruktura dostaw gazu w Rosji.

Aleksander Dubow

Ekologia wiedzy Nauka i technologia: Energia wodorowa jest jedną z najbardziej wydajnych gałęzi przemysłu, a ogniwa paliwowe pozwalają jej pozostać w czołówce innowacyjnych technologii.

Ogniwo paliwowe to urządzenie, które w wyniku reakcji elektrochemicznej skutecznie generuje prąd stały i ciepło z paliwa bogatego w wodór.

Ogniwo paliwowe jest podobne do akumulatora, ponieważ generuje prąd stały w wyniku reakcji chemicznej. Podobnie jak akumulator, ogniwo paliwowe zawiera anodę, katodę i elektrolit. Jednak w przeciwieństwie do akumulatorów, ogniwa paliwowe nie mogą magazynować energii elektrycznej, nie rozładowują się i nie wymagają ładowania energii elektrycznej. Ogniwa paliwowe mogą stale wytwarzać energię elektryczną, o ile mają dopływ paliwa i powietrza. Prawidłowy termin aby opisać działające ogniwo paliwowe, jest to układ elementów, ponieważ do pełnego działania wymagane są niektóre układy pomocnicze.

W przeciwieństwie do innych generatorów prądu, takich jak silniki spalinowe lub turbiny zasilane gazem, węglem, olejem itp., ogniwa paliwowe nie spalają paliwa. Oznacza to brak głośnych wirników wysokiego ciśnienia, głośnego hałasu wydechu, żadnych wibracji. Ogniwa paliwowe wytwarzają energię elektryczną poprzez cichą reakcję elektrochemiczną. Inną cechą ogniw paliwowych jest to, że przetwarzają energię chemiczną paliwa bezpośrednio na energię elektryczną, ciepło i wodę.

Ogniwa paliwowe są bardzo wydajne i nie wytwarzają dużych ilości gazów cieplarnianych, takich jak dwutlenek węgla, metan i podtlenek azotu. Jedynymi produktami emitowanymi przez ogniwa paliwowe są woda w postaci pary wodnej i niewielka ilość dwutlenku węgla, który nie jest w ogóle emitowany, jeśli jako paliwo stosuje się czysty wodór. Ogniwa paliwowe są składane w zespoły, a następnie w poszczególne moduły funkcjonalne.

Zasada działania ogniw paliwowych

Ogniwa paliwowe wytwarzają energię elektryczną i ciepło w wyniku zachodzącej reakcji elektrochemicznej, wykorzystującej elektrolit, katodę i anodę.

Anoda i katoda są oddzielone elektrolitem przewodzącym protony. Po wejściu wodoru do anody i tlenu do katody rozpoczyna się reakcja chemiczna, w wyniku której powstaje prąd elektryczny, ciepło i woda. Na katalizatorze anodowym wodór cząsteczkowy dysocjuje i traci elektrony. Jony wodorowe (protony) są przewodzone przez elektrolit do katody, podczas gdy elektrony przechodzą przez elektrolit i przez zewnętrzny obwód elektryczny, tworząc prąd stały, który można wykorzystać do zasilania urządzeń. Na katalizatorze katodowym cząsteczka tlenu łączy się z elektronem (dostarczanym z komunikacji zewnętrznej) i przychodzącym protonem i tworzy wodę, która jest jedynym produktem reakcji (w postaci pary i/lub cieczy).

Poniżej znajduje się odpowiednia reakcja:

Reakcja anodowa: 2H2 => 4H+ + 4e-
Reakcja na katodzie: O2 + 4H+ + 4e- => 2H2O
Ogólna reakcja elementarna: 2H2 + O2 => 2H2O

Rodzaje ogniw paliwowych

Podobnie jak w przypadku istnienia różnych typów silników spalinowych, istnieją różne rodzaje ogniw paliwowych – wybór odpowiedniego typu ogniwa paliwowego zależy od jego zastosowania.Ogniwa paliwowe dzielą się na wysokotemperaturowe i niskotemperaturowe. Ogniwa paliwowe niskotemperaturowe wymagają jako paliwa stosunkowo czystego wodoru.

Często oznacza to, że przetwarzanie paliwa jest wymagane do przekształcenia paliwa pierwotnego (takiego jak gaz ziemny) w czysty wodór. Proces ten zużywa dodatkową energię i wymaga specjalnego sprzętu. Ogniwa paliwowe wysokotemperaturowe nie wymagają tej dodatkowej procedury, ponieważ mogą „wewnętrznie przekształcać” paliwo w podwyższonych temperaturach, co oznacza, że nie ma potrzeby inwestowania w infrastrukturę wodorową.

Elementy paliwowe na stopionym węglanie (MCFC).

Ogniwa paliwowe z elektrolitem stopionym węglanem to wysokotemperaturowe ogniwa paliwowe. Wysoka temperatura pracy pozwala na bezpośrednie wykorzystanie gazu ziemnego bez procesora paliwa oraz gazu opałowego o niskiej wartości opałowej z paliw procesowych i innych źródeł. Proces ten został opracowany w połowie lat sześćdziesiątych. Od tego czasu udoskonalono technologię produkcji, wydajność i niezawodność.

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 ruchliwości 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 przewodnikiem dla jonów węglanowych (CO32-). Jony te przechodzą z katody do anody, gdzie łączą się z wodorem, tworząc wodę, dwutlenek węgla i wolne elektrony. Elektrony te są przesyłane przez zewnętrzny obwód elektryczny z powrotem do katody, wytwarzając jako produkt uboczny prąd elektryczny i ciepło.

Reakcja anodowa: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e-
Reakcja na katodzie: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-
Ogólna reakcja elementarna: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(katoda) => H2O(g) + CO2(anoda)

Ogniwa paliwowe ze stopionym węglanem nadają się do stosowania w dużych instalacjach stacjonarnych. Elektrociepłownie o mocy wyjściowej 2,8 MW produkowane są przemysłowo. Rozbudowywane są elektrownie o mocy do 100 MW.

Ogniwa paliwowe na bazie kwasu fosforowego (PFC).

Ogniwa paliwowe oparte na kwasie fosforowym (ortofosforowym) były pierwszymi ogniwami paliwowymi do użytku komercyjnego. Proces ten został opracowany w połowie lat 60. i był testowany od lat 70. XX wieku. Od tego czasu wzrosła stabilność, wydajność i koszty.

Ogniwa paliwowe na bazie kwasu fosforowego (ortofosforowego) wykorzystują elektrolit na bazie kwasu ortofosforowego (H3PO4) o stężeniu do 100%. Przewodność jonowa kwasu fosforowego jest niska w niskich temperaturach, dlatego te ogniwa paliwowe są stosowane 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 rozbijany 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 znajdują się reakcje, które generują energię elektryczną i ciepło.

Reakcja anodowa: 2H2 => 4H+ + 4e-
Reakcja na katodzie: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O
Ogólna reakcja elementarna: 2H2 + O2 => 2H2O

Wysoka wydajność elektrociepłowni na ogniwach paliwowych opartych na kwasie fosforowym (ortofosforowym) w skojarzonej produkcji ciepła i energii elektrycznej jest jedną z zalet tego typu ogniw paliwowych. Zakłady stosują tlenek węgla w stężeniu około 1,5%, co znacznie poszerza wybór paliwa. Ponadto CO2 nie wpływa na elektrolit i działanie ogniwa paliwowego, ten typ ogniwa współpracuje z reformowanym paliwem naturalnym. Prosta konstrukcja, niska lotność elektrolitu i zwiększona stabilność to także zalety tego typu ogniwa paliwowego.

Elektrociepłownie o mocy wyjściowej do 400 kW są produkowane przemysłowo. Instalacje o mocy 11 MW przeszły odpowiednie testy. Rozbudowywane 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 rodzaj ogniw paliwowych do wytwarzania energii w pojazdach, które mogą 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 wykorzystują jako elektrolit stałą membranę polimerową (cienka folia z tworzywa sztucznego). Zaimpregnowany wodą polimer ten przepuszcza protony, ale nie przewodzi elektronów.

Paliwem jest wodór, a nośnikiem ładunku jest jon wodorowy (proton). Na anodzie cząsteczka wodoru jest rozdzielana na jon wodorowy (proton) i elektrony. Jony wodoru przechodzą przez elektrolit do katody, podczas gdy elektrony poruszają się po zewnętrznym okręgu i wytwarzają energię elektryczną. Tlen, który jest pobierany z powietrza, jest podawany do katody i łączy się z elektronami i jonami wodoru, tworząc wodę. Na elektrodach zachodzą następujące reakcje:

Reakcja anodowa: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Reakcja na katodzie: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Ogólna reakcja elementarna: 2H2 + O2 => 2H2O

W porównaniu z innymi typami ogniw paliwowych, ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów wytwarzają więcej mocy dla danej objętości lub wagi ogniwa paliwowego. Ta cecha pozwala im być kompaktowymi i lekkimi. Dodatkowo temperatura pracy jest mniejsza niż 100°C, co pozwala na szybkie rozpoczęcie pracy. Te cechy, jak również zdolność do szybkiej zmiany mocy wyjściowej, to tylko niektóre z cech, które sprawiają, że te ogniwa paliwowe są głównym kandydatem do zastosowania w pojazdach.

Kolejną zaletą jest to, że elektrolit jest substancją stałą, a nie płynną. Utrzymywanie gazów na katodzie i anodzie jest łatwiejsze w przypadku stałego elektrolitu, a zatem takie ogniwa paliwowe są tańsze w produkcji. W porównaniu do innych elektrolitów zastosowanie elektrolitu stałego nie powoduje problemów takich jak orientacja, mniej problemów wynika z występowania korozji, co prowadzi do dłuższej trwałości ogniwa i jego elementów.

Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC)

Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem to ogniwa paliwowe o najwyższej temperaturze pracy. Temperatura pracy może wahać się od 600°C do 1000°C, co pozwala na stosowanie różnych rodzajów paliwa bez specjalnej obróbki wstępnej. Aby poradzić sobie z tak wysokimi temperaturami, używanym elektrolitem jest cienki tlenek metalu na bazie ceramiki, często stop itru i cyrkonu, który jest przewodnikiem jonów tlenu (O2-). Technologia wykorzystania ogniw paliwowych ze stałym tlenkiem rozwija się od końca lat pięćdziesiątych. i ma dwie konfiguracje: płaską i rurową.

Elektrolit stały zapewnia hermetyczne przejście gazu z jednej elektrody na drugą, podczas gdy elektrolity ciekłe znajdują się w porowatym podłożu. Nośnikiem ładunku w ogniwach paliwowych tego typu jest jon tlenu (О2-). Na katodzie cząsteczki tlenu są oddzielane od 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 anodowa: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e-
Reakcja na katodzie: O2 + 4e- => 2O2-
Ogólna reakcja elementarna: 2H2 + O2 => 2H2O

Sprawność wytwarzanej energii elektrycznej jest najwyższa ze wszystkich ogniw paliwowych – około 60%. Ponadto wysokie temperatury robocze umożliwiają skojarzone wytwarzanie ciepła i energii elektrycznej w celu wytworzenia pary o wysokim ciśnieniu. Połączenie wysokotemperaturowego ogniwa paliwowego z turbiną tworzy hybrydowe ogniwo paliwowe, które zwiększa wydajność wytwarzania energii elektrycznej nawet o 70%.

Ogniwa paliwowe z bezpośrednim utlenianiem metanolu (DOMTE)

Struktura ogniw paliwowych z bezpośrednim utlenianiem metanolu jest podobna do ogniw paliwowych z membraną wymiany protonów (MOFEC), tj. polimer jest używany jako elektrolit, a jon wodorowy (proton) jest używany jako nośnik ładunku. Jednak ciekły metanol (CH3OH) jest utleniany w obecności wody na anodzie, uwalniając CO2, jony wodorowe i elektrony, które są prowadzone przez zewnętrzny obwód elektryczny i wytwarzany jest prąd elektryczny. Jony wodoru przechodzą przez elektrolit i reagują z tlenem z powietrza i elektronami z obwodu zewnętrznego, tworząc wodę na anodzie.

Reakcja anodowa: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e-
Reakcja na katodzie: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O
Ogólna reakcja elementarna: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O

Rozwój tych ogniw paliwowych rozpoczął się na początku lat 90-tych. Po opracowaniu ulepszonych katalizatorów i dzięki innym niedawnym innowacjom, gęstość mocy i wydajność zostały zwiększone do 40%.

Elementy te były testowane w zakresie temperatur 50-120°C. Przy niskich temperaturach roboczych i braku konieczności stosowania konwertera, ogniwa paliwowe z bezpośrednim zasilaniem metanolem są najlepszym kandydatem do zastosowań, od telefonów komórkowych i innych produktów konsumenckich po silniki samochodowe. Zaletą tego typu ogniw paliwowych jest ich niewielki rozmiar, ze względu na zastosowanie paliwa płynnego, oraz brak konieczności stosowania konwertera.

Alkaliczne ogniwa paliwowe (AFC)

Alkaliczne ogniwa paliwowe (ALFC) to jedna z najlepiej przebadanych technologii, stosowana od połowy lat 60. XX wieku. przez NASA w programach Apollo i Space Shuttle. Na pokładzie tych statki kosmiczne ogniwa paliwowe wytwarzają energię elektryczną i woda pitna. Alkaliczne ogniwa paliwowe są jednym z najbardziej wydajnych elementów wykorzystywanych do wytwarzania energii elektrycznej, ze sprawnością wytwarzania energii sięgającą nawet 70%.

Reakcja anodowa: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Reakcja na katodzie: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Ogólna reakcja układu: 2H2 + O2 => 2H2O

Zaletą SFC jest to, że te ogniwa paliwowe są najtańsze w produkcji, ponieważ katalizatorem potrzebnym na elektrodach może być dowolna z substancji, które są tańsze niż te stosowane jako katalizatory w innych ogniwach paliwowych. Ponadto SCFC działają w stosunkowo niskiej temperaturze i należą do najbardziej wydajnych ogniw paliwowych – takie właściwości mogą odpowiednio przyczynić się do szybszego wytwarzania energii i wysokiej wydajności paliwowej.

Jedną z charakterystycznych cech SFC jest wysoka wrażliwość na CO2, który może być zawarty w paliwie lub powietrzu. CO2 reaguje z elektrolitem, szybko go zatruwa i znacznie obniża sprawność ogniwa paliwowego. Dlatego zastosowanie KŁŻ ogranicza się do przestrzeni zamkniętych, takich jak pojazdy kosmiczne i podwodne, muszą one działać na czystym wodorze i tlenie. Co więcej, cząsteczki takie jak CO, H2O i CH4, które są bezpieczne dla innych ogniw paliwowych, a nawet paliwo dla niektórych z nich, są szkodliwe dla KŁŻ.

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 przewodnictwo jonów wody H2O+ (proton, czerwień) jest przyłączone do cząsteczki wody. Cząsteczki wody stanowią problem ze względu na powolną wymianę jonów. Dlatego wymagane jest wysokie stężenie wody zarówno w paliwie, jak i na elektrodach spalinowych, co ogranicza temperaturę pracy do 100°C.

Ogniwa paliwowe na kwas stały (SCFC)

W stałych kwasowych ogniwach paliwowych elektrolit (CsHSO4) nie zawiera wody. Temperatura robocza wynosi zatem 100-300°C. Rotacja anionów SO42-oksy pozwala protonom (czerwonym) poruszać się, jak pokazano na rysunku.

Zazwyczaj ogniwo paliwowe ze stałym kwasem jest kanapką, w której bardzo cienka warstwa stałego związku kwasowego jest umieszczona pomiędzy dwiema mocno ściśniętymi elektrodami, aby zapewnić dobry kontakt. Po podgrzaniu składnik organiczny odparowuje, pozostawiając pory w elektrodach, zachowując zdolność do licznych kontaktów między paliwem (lub tlenem na drugim końcu ogniwa), elektrolitem i elektrodami.

Typ ogniwa paliwowego	Temperatura pracy	Sprawność 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

Dołącz do nas na

Stany Zjednoczone podjęły kilka inicjatyw, aby opracować wodorowe ogniwa paliwowe, infrastrukturę i technologie, które sprawią, że pojazdy na ogniwa paliwowe staną się praktyczne i ekonomiczne do 2020 roku. Na te cele przeznaczono ponad miliard dolarów.

Ogniwa paliwowe wytwarzają energię elektryczną cicho i wydajnie, nie zanieczyszczając środowiska. W przeciwieństwie do źródeł energii z paliw kopalnych, produktami ubocznymi ogniw paliwowych są ciepło i woda. Jak to działa?

W tym artykule dokonamy krótkiego przeglądu każdej z istniejących obecnie technologii paliwowych, a także porozmawiamy o projektowaniu i działaniu ogniw paliwowych oraz porównamy je z innymi formami produkcji energii. Omówimy również niektóre przeszkody napotykane przez badaczy w tworzeniu praktycznych i przystępnych cenowo ogniw paliwowych dla konsumentów.

Ogniwa paliwowe są urządzenia do elektrochemicznej konwersji energii,. Ogniwo paliwowe przekształca chemikalia, wodór i tlen w wodę w procesie wytwarzania energii elektrycznej.

Innym urządzeniem elektrochemicznym, które wszyscy dobrze znamy, jest bateria. Bateria ma wszystko, co niezbędne pierwiastki chemiczne wewnątrz siebie i zamienia te substancje w energię elektryczną. Oznacza to, że bateria w końcu „umiera” i albo ją wyrzucasz, albo ładujesz.

W ogniwie paliwowym stale wprowadza się do niego chemikalia, aby nigdy nie „umierało”. Energia elektryczna będzie generowana tak długo, jak będzie przepływ substancje chemiczne do żywiołu. Większość używanych obecnie ogniw paliwowych wykorzystuje wodór i tlen.

Wodór jest pierwiastkiem najobficiej występującym w naszej galaktyce. Jednak wodór praktycznie nie istnieje na Ziemi w postaci pierwiastkowej. Inżynierowie i naukowcy muszą wydobywać czysty wodór ze związków wodoru, w tym paliw kopalnych lub wody. Aby wydobyć wodór z tych związków, musisz wydatkować energię w postaci ciepła lub elektryczności.

Wynalezienie ogniw paliwowych

Sir William Grove wynalazł pierwsze ogniwo paliwowe w 1839 roku. Grove wiedział, że woda może zostać rozłożona na wodór i tlen, przepuszczając przez nią prąd elektryczny (proces zwany elektroliza). Zasugerował, że można uzyskać prąd i wodę w odwrotnej kolejności. Stworzył prymitywne ogniwo paliwowe i nazwał je gazowa bateria galwaniczna. Po eksperymentach ze swoim nowym wynalazkiem Grove udowodnił swoją hipotezę. Pięćdziesiąt lat później naukowcy Ludwig Mond i Charles Langer ukuli ten termin ogniwa paliwowe próbując zbudować praktyczny model wytwarzania energii.

Ogniwo paliwowe będzie konkurować z wieloma innymi urządzeniami do konwersji energii, w tym turbinami gazowymi w elektrowniach miejskich, silnikami spalinowymi w samochodach oraz wszelkiego rodzaju akumulatorami. Silniki spalinowe, takie jak turbiny gazowe, palą się Różne rodzaje paliwo i wykorzystać ciśnienie wytworzone przez rozprężanie gazów do wykonania pracy mechanicznej. Baterie w razie potrzeby przekształcają energię chemiczną w energię elektryczną. Ogniwa paliwowe muszą wykonywać te zadania bardziej wydajnie.

Ogniwo paliwowe dostarcza napięcie DC (prąd stały), które może być wykorzystywane 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 napędzania 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 pracy 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 mogą dostarczać energię elektryczną do fabryk lub miast. Ten rodzaj ogniwa paliwowego działa w bardzo wysokich temperaturach (700 do 1000 stopni Celsjusza). Wysoka temperatura jest problemem niezawodności, 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. W rzeczywistości ogniwa SOFC wykazały najdłuższą żywotność spośród wszystkich ogniw paliwowych w określonych warunkach. Wysoka temperatura ma również tę zaletę, że para generowana przez ogniwa paliwowe może być kierowana do turbin i generować więcej energii elektrycznej. Ten proces nazywa się kogeneracja ciepła i energii elektrycznej i poprawia ogólną wydajność systemu.

Alkaliczne ogniwo paliwowe (AFC)

Jest to jedna z najstarszych konstrukcji ogniw paliwowych, stosowana od lat 60. XX wieku. AFC są bardzo podatne na zanieczyszczenia, ponieważ wymagają czystego wodoru i tlenu. Ponadto są one bardzo drogie, więc tego typu ogniwo paliwowe raczej nie zostanie wprowadzone do masowej produkcji.

Ogniwo paliwowe ze stopionym węglanem (MCFC)

Podobnie jak SOFC, te ogniwa paliwowe najlepiej nadają się również do dużych elektrowni stacjonarnych 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 tak odpornych na ciepło materiałów. To sprawia, że są trochę tańsze.

Ogniwo paliwowe z kwasem fosforowym (PAFC)

Ogniwo paliwowe z kwasem fosforowym ma potencjał do zastosowania w małych stacjonarnych systemach elektroenergetycznych. 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 Ogniwo paliwowe na metanol (DMFC)

Ogniwa paliwowe na metanol są porównywalne z PEMFC pod względem temperatury pracy, ale nie są tak wydajne. Ponadto DMFC wymagają dość dużej ilości platyny jako katalizatora, co sprawia, że te ogniwa paliwowe są drogie.

Ogniwo paliwowe z membraną wymiany polimeru

Ogniwo paliwowe z membraną do wymiany polimerów (PEMFC) jest jedną z najbardziej obiecujących technologii ogniw paliwowych. PEMFC wykorzystuje jedną z najprostszych reakcji dowolnego ogniwa paliwowego. Zastanów się, z czego się składa.

1. ALE węzeł – Ujemny zacisk ogniwa paliwowego. Przewodzi elektrony uwalniane z cząsteczek wodoru, po czym można je wykorzystać w obwodzie zewnętrznym. Jest wygrawerowany kanałami, przez które gazowy wodór jest równomiernie rozprowadzany po powierzchni katalizatora.

2.Do atom - biegun dodatni ogniwa paliwowego posiada również kanały do rozprowadzania tlenu po powierzchni katalizatora. Przewodzi również elektrony z powrotem z zewnętrznego łańcucha katalizatora, gdzie mogą łączyć się z jonami wodoru i tlenu, tworząc wodę.

3.Membrana do wymiany elektrolit-proton. Jest to specjalnie przygotowany materiał, który przewodzi tylko dodatnio naładowane jony i blokuje elektrony. W PEMFC błona musi być nawodniona, aby prawidłowo funkcjonować i pozostać stabilna.

4. Katalizator to specjalny materiał, który wspomaga reakcję 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. Kiedy cząsteczka H2 wejdzie w kontakt z platyną na katalizatorze, rozpada się na dwa jony H+ i dwa elektrony. Elektrony przechodzą przez anodę, gdzie są używane w obwodzie zewnętrznym (wykonując użyteczna praca, takich jak obrót silnika) i powrót na stronę katodową ogniwa paliwowego.

Tymczasem po stronie katodowej 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 przez błonę dwa jony H+, gdzie łączą się z atomem tlenu i dwoma elektronami z obwodów zewnętrznych, 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 być połączonych w stos ogniw paliwowych. Płytki bipolarne służą do łączenia jednego ogniwa paliwowego z drugim i utleniania z malejącym potencjałem. Dużym problemem z płytami bipolarnymi jest ich stabilność. Metalowe płyty dwubiegunowe mogą ulegać korozji, a produkty uboczne (jony żelaza i chromu) zmniejszają wydajność membran i elektrod ogniw paliwowych. Dlatego niskotemperaturowe ogniwa paliwowe wykorzystują metale lekkie, grafit oraz związki kompozytowe węgla i materiału termoutwardzalnego (materiał termoutwardzalny to rodzaj tworzywa, które pozostaje stałe 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 elementów, zignorujemy tę część samochodu i porównamy korzystne działania do momentu, 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 procent. W ten sposób przekształca 80 procent energii zawartej w wodorze w energię elektryczną. Jednak nadal musimy przetwarzać 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 ma podobno 60-procentową wydajność energetyczną.

Jeśli źródło paliwa nie jest w postaci czystego wodoru, pojazd będzie również potrzebował reformera. Reformatory przekształcają paliwa węglowodorowe lub alkoholowe w wodór. Wytwarzają ciepło i oprócz wodoru wytwarzają 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 przechowywaniem wodoru.

Sprawność silnika benzynowego i samochodu na bateriach elektrycznych

Sprawność samochodu napędzanego benzyną jest zaskakująco niska. Całe ciepło, które wychodzi w postaci spalin lub jest pochłaniane przez grzejnik, jest zmarnowaną energią. Silnik zużywa również dużo energii do napędzania różnych pomp, wentylatorów i generatorów, które go podtrzymują. Tak więc całkowita sprawność samochodowego silnika benzynowego wynosi około 20 procent. W ten sposób tylko około 20% energii cieplnej zawartej w benzynie jest przekształcane w pracę mechaniczną.

Pojazd elektryczny zasilany bateryjnie ma dość wysoką sprawność. Akumulator ma sprawność około 90 procent (większość akumulatorów generuje trochę ciepła lub wymaga ogrzewania), a silnik + falownik ma sprawność około 80 procent. Daje to ogólną sprawność około 72 procent.

Ale to nie wszystko. Aby samochód elektryczny mógł się poruszać, najpierw trzeba gdzieś wytworzyć energię elektryczną. Gdyby była to elektrownia wykorzystująca proces spalania paliw kopalnych (zamiast energii jądrowej, hydroelektrycznej, słonecznej lub wiatrowej), to tylko około 40 procent paliwa zużywanego przez elektrownię zostało przekształcone w energię elektryczną. Ponadto proces ładowania samochodu wymaga konwersji prądu zmiennego (AC) na prąd stały (DC). Ten proces 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 sprawność 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 łączenie pojazdów zasilanych 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 zasilane ogniwami paliwowymi są potencjalnie tak samo wydajne, jak samochody zasilane bateriami, ładowane z elektrowni wolnej od paliw kopalnych. Ale osiągnięcie takiego potencjału przez praktyczne i dostępny sposób może okazać się trudne.

Dlaczego warto korzystać z ogniw paliwowych?

Głównym powodem jest wszystko, co dotyczy ropy. Ameryka musi importować prawie 60 procent swojej ropy. Oczekuje się, że do 2025 r. import wzrośnie do 68%. Amerykanie zużywają dwie trzecie ropy dziennie do transportu. Nawet gdyby każdy samochód na ulicy był samochodem hybrydowym, do 2025 roku Stany Zjednoczone nadal musiałyby zużywać taką samą ilość oleju, jaką Amerykanie zużywali w 2000 roku. Rzeczywiście, Ameryka zużywa jedną czwartą całej ropy naftowej produkowanej na świecie, chociaż mieszka tu tylko 4,6% światowej populacji.

Eksperci spodziewają się, że ceny ropy będą nadal rosły w ciągu najbliższych kilku dekad, ponieważ tańsze źródła wysychają. Koncerny naftowe powinien się rozwijać pola naftowe w coraz trudniejszych warunkach, powodując wzrost cen ropy.

Obawy sięgają daleko poza bezpieczeństwo ekonomiczne. Wiele wpływów ze sprzedaży ropy jest przeznaczanych na wspieranie międzynarodowego terroryzmu, radykalnych partii politycznych i niestabilnej sytuacji w regionach wydobywających ropę.

Wykorzystywanie ropy naftowej i innych paliw kopalnych do wytwarzania energii powoduje zanieczyszczenie. Najlepiej, aby każdy znalazł alternatywę – spalanie paliw kopalnych na energię.

Ogniwa paliwowe są atrakcyjną alternatywą dla uzależnienia od ropy naftowej. Ogniwa paliwowe wytwarzają czystą wodę jako produkt uboczny zamiast zanieczyszczenia. Podczas gdy inżynierowie tymczasowo skoncentrowali się na produkcji wodoru z różnych źródeł kopalnych, takich jak benzyna lub gaz ziemny, badane są odnawialne, przyjazne dla środowiska sposoby wytwarzania wodoru w przyszłości. Najbardziej obiecujący będzie oczywiście proces pozyskiwania wodoru z wody.

Zależność od ropy naftowej i globalne ocieplenie to problem międzynarodowy. Kilka krajów jest wspólnie zaangażowanych w rozwój badań i rozwoju technologii ogniw paliwowych.

Najwyraźniej naukowcy i producenci mają dużo pracy do wykonania, zanim ogniwa paliwowe staną się alternatywą. nowoczesne metody produkcja energii. A jednak, przy wsparciu całego świata i globalnej współpracy, opłacalny system energetyczny oparty na ogniwach paliwowych może stać się rzeczywistością w ciągu kilkudziesięciu lat.

DZWON

Historia rozwoju ogniw paliwowych/ogniw

Jak działają ogniwa paliwowe?

Rodzaje i różnorodność ogniw paliwowych/ogniw

Ogniwa paliwowe/ogniwa na stopionym węglanie (MCFC)

Ogniwa paliwowe/ogniwa na bazie kwasu fosforowego (PFC)

Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC)

Ogniwa paliwowe/ogniwa z bezpośrednim utlenianiem metanolu (DOMTE)

Alkaliczne ogniwa paliwowe/ogniwa (AFC)

Ogniwa paliwowe/ogniwa z elektrolitem polimerowym (PETE)

Ogniwa/ogniwa paliwowe na kwas stały (SCFC)

Różne moduły ogniw paliwowych. bateria ogniw paliwowych

Analiza porównawcza typów i odmian ogniw paliwowych

Zastosowania ogniw paliwowych/ogniw

Zastosowanie ogniw/ogniw paliwowych w systemach telekomunikacyjnych

Zastosowanie ogniw/ogniw paliwowych w sieciach komunikacyjnych

Zastosowanie ogniw paliwowych/ogniw w sieciach danych

Zastosowanie ogniw/ogniw paliwowych w systemach bezpieczeństwa

Zastosowanie ogniw/ogniw paliwowych w domowym ogrzewaniu i energetyce

Zastosowanie ogniw/ogniw paliwowych w sieciach dystrybucyjnych

Wykorzystywanie ogniw paliwowych do ochrony środowiska — wykorzystanie powiązanego gazu z ropy naftowej

Chemia jako źródło energii elektrycznej

Akumulator

Elektrolit stały

Wodorowe ogniwa paliwowe

Wydajność ogniw paliwowych

Alternatywne przechowywanie elektrochemiczne

* * *

Zasada działania ogniw paliwowych

Wynalezienie ogniw paliwowych

Ogniwo paliwowe z membraną do wymiany polimerów (PEMFC)

Ogniwo paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC)

Alkaliczne ogniwo paliwowe (AFC)

Ogniwo paliwowe ze stopionym węglanem (MCFC)

Ogniwo paliwowe z kwasem fosforowym (PAFC)

Ogniwo paliwowe z membraną wymiany polimeru

Wydajność ogniw paliwowych

Sprawność silnika benzynowego i samochodu na bateriach elektrycznych

Dlaczego warto korzystać z ogniw paliwowych?

Przeczytaj także

Gdzie znaleźć pracę z dobrą pensją: najlepiej płatne prace na Białorusi Oferty pracy na Białorusi

Praca i zatrudnienie w UK

Jak napisać list polecający

DZWON