Ostatnio temat ogniw paliwowych jest na ustach wszystkich. I nie jest to zaskakujące, wraz z pojawieniem się tej technologii w świecie elektroniki, znalazła ona nowe narodziny. Światowi liderzy w dziedzinie mikroelektroniki ścigają się, aby zaprezentować prototypy swoich przyszłych produktów, które będą integrować ich własne mini elektrownie. Powinno to z jednej strony osłabić wiązanie urządzeń mobilnych z „gniazdkiem”, a z drugiej wydłużyć ich żywotność. żywotność baterii.
Ponadto część z nich działa w oparciu o etanol, więc rozwój tych technologii jest bezpośrednią korzyścią dla producentów napojów alkoholowych – za kilkanaście lat kolejki „informatyków” stojących za kolejną „dawką” dla swoich laptop ustawi się w kolejce w destylarni wina.
Nie możemy trzymać się z daleka od „gorączki” ogniw paliwowych, która ogarnęła przemysł Hi-Tech, i postaramy się dowiedzieć, jakim zwierzęciem jest ta technologia, z czym jest zjadana i kiedy powinniśmy się jej spodziewać "żywnościowy". W tym materiale rozważymy drogę, jaką przebyły ogniwa paliwowe od momentu odkrycia tej technologii do dnia dzisiejszego. Postaramy się również ocenić perspektywy ich wdrożenia i rozwoju w przyszłości.
Jak było
Zasada działania ogniwa paliwowego została po raz pierwszy opisana w 1838 roku przez Christiana Friedricha Schonbeina, a rok później w Philosophical Journal opublikowano jego artykuł na ten temat. Były to jednak tylko opracowania teoretyczne. Pierwsze działające ogniwo paliwowe ujrzało światło dzienne w 1843 r. w laboratorium naukowca pochodzenia walijskiego, Sir Williama Roberta Grove'a. Przy jego tworzeniu wynalazca wykorzystał materiały podobne do tych stosowanych w nowoczesnych akumulatorach kwasu fosforowego. Następnie ogniwo paliwowe Sir Grove zostało ulepszone przez W. Thomasa Gruba. W 1955 roku ten chemik, który pracował dla legendarnej General Electric Company, zastosował membranę jonowymienną z sulfonowanego polistyrenu jako elektrolit w ogniwie paliwowym. Dopiero trzy lata później jego kolega Leonard Niedrach zaproponował technologię nakładania platyny na membranę, która działała jako katalizator w procesie utleniania wodoru i poboru tlenu.
„Ojciec” ogniw paliwowych Christian Schönbein
Zasady te stały się podstawą nowej generacji ogniw paliwowych, nazwanych od ich twórców elementami „Grubb-Nidrach”. General Electric kontynuował rozwój w tym kierunku, w którym przy pomocy NASA i giganta lotniczego McDonnell Aircraft powstało pierwsze komercyjne ogniwo paliwowe. Nowa technologia została zauważona za granicą. A już w 1959 roku Brytyjczyk Francis Bacon (Francis Thomas Bacon) wprowadził stacjonarne ogniwo paliwowe o mocy 5 kW. Jego opatentowane projekty były następnie licencjonowane przez Amerykanów i wykorzystywane w statkach kosmicznych NASA w systemach zasilania i zasilania. woda pitna. W tym samym roku Amerykanin Harry Ihrig zbudował pierwszy ciągnik na ogniwo paliwowe (łączna moc 15 kW). Wodorotlenek potasu był używany jako elektrolit w akumulatorach, a sprężony wodór i tlen były używane jako odczynniki.
Po raz pierwszy produkcję stacjonarnych ogniw paliwowych do celów komercyjnych uruchomiła firma UTC Power, która oferowała systemy zasilania awaryjnego dla szpitali, uczelni i centrów biznesowych. Firma ta, będąca światowym liderem w tej dziedzinie, nadal produkuje podobne rozwiązania o mocy do 200 kW. Jest także głównym dostawcą ogniw paliwowych dla NASA. Jej produkty były szeroko stosowane podczas programu kosmicznego Apollo i nadal są poszukiwane w ramach programu Space Shuttle. UTC Power oferuje również „konsumenckie” ogniwa paliwowe, które są szeroko stosowane w pojazdy. Jako pierwsza stworzyła ogniwo paliwowe, które pozwala na odbiór prądu w ujemnych temperaturach dzięki zastosowaniu membrany do wymiany protonów.
Jak to działa
Naukowcy eksperymentowali z różnymi substancjami jako odczynnikami. Jednak podstawowe zasady działania ogniw paliwowych, pomimo znacząco odmiennych charakterystyk pracy, pozostają niezmienione. Każde ogniwo paliwowe jest urządzeniem do elektrochemicznej konwersji energii. Generuje energię elektryczną z określonej ilości paliwa (po stronie anody) i utleniacza (po stronie katody). Reakcja przebiega w obecności elektrolitu (substancji zawierającej wolne jony i zachowującej się jak ośrodek przewodzący prąd elektryczny). W zasadzie w każdym takim urządzeniu wchodzą do niego pewne odczynniki i produkty ich reakcji, które są usuwane po przeprowadzeniu reakcji elektrochemicznej. Elektrolit w tym przypadku służy jedynie jako medium do interakcji reagentów i nie zmienia się w ogniwie paliwowym. Opierając się na takim schemacie, idealne ogniwo paliwowe powinno działać tak długo, jak istnieje zapas substancji niezbędnych do reakcji.
Ogniw paliwowych nie należy tutaj mylić z konwencjonalnymi akumulatorami. W pierwszym przypadku część „paliwa” jest zużywana do produkcji energii elektrycznej, którą później trzeba uzupełnić. W przypadku ogniw galwanicznych energia elektryczna jest magazynowana w zamkniętym układzie chemicznym. W przypadku akumulatorów doprowadzenie prądu pozwala na zajście odwrotnej reakcji elektrochemicznej i przywrócenie odczynników do stanu pierwotnego (czyli naładowanie ich). Możliwe są różne kombinacje paliwa i utleniacza. Na przykład wodorowe ogniwo paliwowe wykorzystuje wodór i tlen (środek utleniający) jako reagenty. Często jako paliwo stosuje się wodorowęglany i alkohole, a powietrze, chlor i dwutlenek chloru działają jako utleniacze.
Reakcja katalizy zachodząca w ogniwie paliwowym wybija elektrony i protony z paliwa, a poruszające się elektrony tworzą prąd elektryczny. Ogniwa paliwowe zazwyczaj wykorzystują platynę lub jej stopy jako katalizator przyspieszający reakcję. Kolejny proces katalityczny zwraca elektrony, łącząc je z protonami i czynnikiem utleniającym, co powoduje powstawanie produktów reakcji (emisje). Zazwyczaj te emisje są proste substancje: woda i dwutlenek węgla.
W konwencjonalnym ogniwie paliwowym z membraną do wymiany protonów (PEMFC), polimeryczna membrana przewodząca protony oddziela boki anody i katody. Od strony katody wodór dyfunduje na katalizator anodowy, gdzie następnie uwalniane są z niego elektrony i protony. Protony przechodzą następnie przez membranę do katody, a elektrony, nie mogąc podążać za protonami (membrana jest izolowana elektrycznie), są kierowane przez obwód obciążenia zewnętrznego (system zasilania). Po stronie katalizatora katodowego tlen reaguje z protonami, które przeszły przez membranę i elektronami, które przechodzą przez zewnętrzny obwód obciążenia. W wyniku tej reakcji uzyskuje się wodę (w postaci pary lub cieczy). Na przykład produktami reakcji w ogniwach paliwowych wykorzystujących paliwa węglowodorowe (metanol, olej napędowy) są woda i dwutlenek węgla.
ogniwa paliwowe prawie wszystkie typy ponoszą straty elektryczne, spowodowane zarówno naturalną rezystancją styków i elementów ogniwa paliwowego, jak i przepięciem elektrycznym (dodatkowa energia potrzebna do przeprowadzenia początkowej reakcji). W niektórych przypadkach nie da się całkowicie uniknąć tych strat, a czasami „gra nie jest warta świeczki”, ale najczęściej można je zredukować do akceptowalnego minimum. Rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie zestawów tych urządzeń, w których ogniwa paliwowe, w zależności od wymagań stawianych systemowi zasilania, mogą być łączone równolegle (większy prąd) lub szeregowo (większe napięcie).
Rodzaje ogniw paliwowych
Istnieje wiele rodzajów ogniw paliwowych, ale postaramy się krótko omówić najczęstsze z nich.
Alkaliczne ogniwa paliwowe (AFC)
Alkaliczne lub alkaliczne ogniwa paliwowe, zwane także ogniwami Bacon od ich brytyjskiego „ojca”, są jedną z najlepiej rozwiniętych technologii ogniw paliwowych. To właśnie te urządzenia pomogły człowiekowi postawić stopę na Księżycu. Generalnie NASA używa tego typu ogniw paliwowych od połowy lat 60-tych. AFC zużywają wodór i czysty tlen, wytwarzając woda pitna, ciepło i elektryczność. W dużej mierze ze względu na to, że ta technologia jest dobrze rozwinięta, ma jeden z najwyższych wskaźników wydajności wśród podobnych systemów (ok. 70% potencjału).
Jednak ta technologia ma również swoje wady. Ze względu na specyfikę stosowania ciekłej substancji alkalicznej jako elektrolitu, która nie blokuje dwutlenku węgla, istnieje możliwość reakcji wodorotlenku potasu (jedna z opcji stosowanego elektrolitu) z tym składnikiem zwykłego powietrza. Rezultatem może być trujący związek węglanu potasu. Aby tego uniknąć, konieczne jest użycie czystego tlenu lub oczyszczenie powietrza z dwutlenku węgla. Oczywiście wpływa to na koszt takich urządzeń. Mimo to ogniwa AFC są obecnie najtańszymi dostępnymi ogniwami paliwowymi w produkcji.
Bezpośrednie ogniwa paliwowe borowodorkowe (DBFC)
Ten podtyp alkalicznych ogniw paliwowych wykorzystuje jako paliwo borowodorek sodu. Jednak w przeciwieństwie do konwencjonalnych wodorowych AFC, technologia ta ma jedną istotną zaletę - brak ryzyka wytwarzania toksycznych związków po kontakcie z dwutlenkiem węgla. Jednak produktem jego reakcji jest substancja boraks, która jest szeroko stosowana w detergentach i mydłach. Boraks jest stosunkowo nietoksyczny.
DBFC mogą być tańsze niż tradycyjne ogniwa paliwowe, ponieważ nie wymagają drogich katalizatorów platynowych. Ponadto mają wyższą gęstość energii. Szacuje się, że wyprodukowanie kilograma borowodorku sodu kosztuje 50 dolarów, ale jeśli zorganizuje się masową produkcję i przetworzy się boraks, ten sztabkę można zredukować 50-krotnie.
Ogniwa paliwowe z wodorkiem metali (MHFC)
Ta podklasa alkalicznych ogniw paliwowych jest obecnie aktywnie badana. Cechą tych urządzeń jest możliwość chemicznego przechowywania wodoru wewnątrz ogniwa paliwowego. Bezpośrednie ogniwo paliwowe borowodorkowe ma taką samą zdolność, ale w przeciwieństwie do niego, MHFC jest wypełnione czystym wodorem.
Wśród charakterystycznych cech tych ogniw paliwowych są:
- możliwość ładowania z energii elektrycznej;
- praca w niskich temperaturach - do -20°C;
- długi okres trwałości;
- szybki „zimny” start;
- możliwość pracy przez pewien czas bez zewnętrznego źródła wodoru (na okres wymiany paliwa).
Pomimo tego, że wiele firm pracuje nad stworzeniem masowo produkowanych MHFC, wydajność prototypów nie jest wystarczająco wysoka w porównaniu z konkurencyjnymi technologiami. Jedna z najlepszych gęstości prądu dla tych ogniw paliwowych wynosi 250 miliamperów na centymetr kwadratowy, przy czym konwencjonalne ogniwa paliwowe PEMFC zapewniają gęstość prądu 1 amper na centymetr kwadratowy.
Elektrogalwaniczne ogniwa paliwowe (EGFC)
Reakcja chemiczna w EGFC zachodzi przy udziale wodorotlenku potasu i tlenu. Powoduje to wytwarzanie prądu elektrycznego między anodą ołowiową a katodą platerowaną złotem. Napięcie wyjściowe z elektrogalwanicznego ogniwa paliwowego jest wprost proporcjonalne do ilości tlenu. Ta funkcja pozwoliła na szerokie zastosowanie EGFC jako urządzenia do testowania tlenu w nurkowaniu wyposażenie medyczne. Ale właśnie z powodu tej zależności ogniwa paliwowe oparte na wodorotlenku potasu mają bardzo ograniczony okres czasu. efektywna praca(o ile stężenie tlenu jest wysokie).
Pierwsze certyfikowane testery tlenu EGFC stały się powszechnie dostępne w 2005 roku, ale nie zyskały wówczas dużej popularności. Wypuszczony dwa lata później znacznie zmodyfikowany model odniósł znacznie większy sukces, a nawet otrzymał nagrodę za „innowację” na specjalistycznym pokazie nurków na Florydzie. Obecnie korzystają z nich takie organizacje jak NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) oraz DDRC (Diving Diseases Research Center).
Bezpośrednie ogniwa paliwowe z kwasem mrówkowym (DFFAC)
Te ogniwa paliwowe są podtypem urządzeń z bezpośrednim kwasem mrówkowym PEMFC. Ze względu na swoją specyfikę ogniwa te mają duże szanse stać się w przyszłości głównym źródłem zasilania dla przenośnych urządzeń elektronicznych, takich jak laptopy, telefony komórkowe itp.
Podobnie jak metanol, kwas mrówkowy jest podawany bezpośrednio do ogniwa paliwowego bez specjalnego etapu oczyszczania. O wiele bezpieczniej jest też przechowywać tę substancję niż np. wodór, a poza tym nie trzeba zapewniać żadnych szczególnych warunków przechowywania: kwas mrówkowy jest cieczą w normalnej temperaturze. Co więcej, technologia ta ma dwie niezaprzeczalne zalety w porównaniu z bezpośrednimi ogniwami paliwowymi na metanol. Po pierwsze, w przeciwieństwie do metanolu, kwas mrówkowy nie przenika przez membranę. Dlatego efektywność DFAFC z definicji powinna być wyższa. Po drugie, w przypadku dekompresji kwas mrówkowy nie jest tak niebezpieczny (metanol może powodować ślepotę, a przy silnym dawkowaniu śmierć).
Co ciekawe, do niedawna wielu naukowców nie uważało tej technologii za praktyczną przyszłość. Powodem, który skłonił naukowców do zaprzestania stosowania kwasu mrówkowego na wiele lat, było wysokie przepięcie elektrochemiczne, które doprowadziło do znacznych strat elektrycznych. Jednak wyniki ostatnich eksperymentów wykazały, że przyczyną tej nieefektywności było zastosowanie platyny jako katalizatora, która tradycyjnie była szeroko stosowana w tym celu w ogniwach paliwowych. Po tym, jak naukowcy z University of Illinois przeprowadzili szereg eksperymentów z innymi materiałami, okazało się, że przy zastosowaniu palladu jako katalizatora wydajność DFAFC jest wyższa niż w przypadku równoważnych bezpośrednich ogniw paliwowych z metanolem. Obecnie prawa do tej technologii posiada amerykańska firma Tekion, która oferuje linię produktów Formira Power Pack dla urządzeń mikroelektronicznych. Ten system jest „dupleksem” składającym się z akumulatora i właściwego ogniwa paliwowego. Po wyczerpaniu się zapasu odczynników we wkładzie ładującym akumulator, użytkownik po prostu wymienia go na nowy. W ten sposób staje się całkowicie niezależny od „gniazda”. Zgodnie z obietnicami producenta, czas między ładowaniami ulegnie podwojeniu, mimo że technologia będzie kosztować tylko 10-15% więcej niż konwencjonalne baterie. Jedyną poważną przeszkodą dla tej technologii może być to, że jest ona wspierana przez firmę klasy średniej i może być po prostu „zapełniana” przez większych konkurentów prezentujących swoje technologie, które pod wieloma względami mogą być nawet gorsze od DFAFC.
Ogniwa paliwowe na metanol (DMFC)
Te ogniwa paliwowe są podzbiorem urządzeń z membraną do wymiany protonów. Używają metanolu wprowadzonego do ogniwa paliwowego bez dalszego oczyszczania. Jednak alkohol metylowy jest znacznie łatwiejszy do przechowywania i nie jest wybuchowy (chociaż jest łatwopalny i może powodować ślepotę). Jednocześnie pojemność energetyczna metanolu jest znacznie wyższa niż sprężonego wodoru.
Jednak ze względu na fakt, że metanol może przenikać przez membranę, wydajność DMFC przy dużych ilościach paliwa jest niska. Choć z tego powodu nie nadają się do transportu i dużych instalacji, urządzenia te świetnie sprawdzają się jako zamienniki baterii do urządzeń mobilnych.
Ogniwa paliwowe z przetworzonym metanolem (RMFC)
Ogniwa paliwowe z przetworzonym metanolem różnią się od ogniw DMFC tylko tym, że przekształcają metanol w wodór i dwutlenek węgla przed wytworzeniem energii elektrycznej. Dzieje się to w specjalnym urządzeniu zwanym procesorem paliwa. Po tym wstępnym etapie (reakcja przebiega w temperaturze powyżej 250°C) wodór ulega reakcji utleniania, w wyniku której powstaje woda i elektryczność.
Zastosowanie metanolu w RMFC wynika z tego, że jest on naturalnym nośnikiem wodoru, a w wystarczająco niskiej temperaturze (w porównaniu z innymi substancjami) może zostać rozłożony na wodór i dwutlenek węgla. Dlatego ta technologia jest bardziej zaawansowana niż DMFC. Ogniwa paliwowe z przetworzonym metanolem są bardziej wydajne, bardziej kompaktowe i działają w temperaturach poniżej zera.
Ogniwa paliwowe na etanol (DEFC)
Kolejny przedstawiciel klasy ogniw paliwowych z siecią wymiany protonów. Jak sama nazwa wskazuje, etanol wchodzi do ogniwa paliwowego z pominięciem etapów dodatkowego oczyszczania lub rozkładu na prostsze substancje. Pierwszym plusem tych urządzeń jest użycie alkoholu etylowego zamiast toksycznego metanolu. Oznacza to, że nie musisz inwestować dużych pieniędzy w rozwój tego paliwa.
Gęstość energetyczna alkoholu jest o około 30% wyższa niż metanolu. Ponadto można go pozyskiwać w dużych ilościach z biomasy. W celu obniżenia kosztów ogniw paliwowych na etanol trwają aktywne poszukiwania alternatywnego materiału katalitycznego. Platyna, tradycyjnie stosowana w ogniwach paliwowych do tych celów, jest zbyt droga i stanowi istotną przeszkodę w masowym przyjęciu tych technologii. Rozwiązaniem tego problemu mogą być katalizatory wykonane z mieszaniny żelaza, miedzi i niklu, które wykazują imponujące wyniki w układach doświadczalnych.
Cynkowo-powietrzne ogniwa paliwowe (ZAFC)
ZAFC wykorzystuje utlenianie cynku tlenem z powietrza do wytwarzania energii elektrycznej. Te ogniwa paliwowe są niedrogie w produkcji i zapewniają dość wysoką gęstość energii. Obecnie są wykorzystywane w aparatach słuchowych i eksperymentalnych samochodach elektrycznych.
Po stronie anodowej znajduje się mieszanina cząstek cynku z elektrolitem, a po stronie katodowej woda i tlen z powietrza, które reagują ze sobą i tworzą hydroksyl (jego cząsteczką jest atom tlenu i atom wodoru, pomiędzy którymi istnieje wiązanie kowalencyjne). W wyniku reakcji hydroksylu z mieszaniną cynku uwalniane są elektrony trafiające do katody. Maksymalne napięcie wydzielane przez takie ogniwa paliwowe wynosi 1,65 V, ale z reguły jest ono sztucznie obniżane do 1,4–1,35 V, ograniczając dostęp powietrza do systemu. Produktami końcowymi tej reakcji elektrochemicznej są tlenek cynku i woda.
Możliwe jest zastosowanie tej technologii zarówno w akumulatorach (bez doładowania), jak iw ogniwach paliwowych. W tym ostatnim przypadku komora po stronie anodowej jest czyszczona i uzupełniana pastą cynkową. Ogólnie rzecz biorąc, technologia ZAFC okazała się być prostymi i niezawodnymi bateriami. Ich niewątpliwą zaletą jest możliwość kontrolowania reakcji jedynie poprzez dostosowanie dopływu powietrza do ogniwa paliwowego. Wielu badaczy rozważa ogniwa paliwowe cynkowo-powietrzne jako przyszłe główne źródło zasilania pojazdów elektrycznych.
Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe (MFC)
Pomysł wykorzystania bakterii dla dobra ludzkości nie jest nowy, choć dopiero niedawno doszedł do realizacji tych pomysłów. Obecnie aktywnie badana jest kwestia komercyjnego wykorzystania biotechnologii do wytwarzania różnych produktów (np. produkcja wodoru z biomasy), neutralizacji szkodliwych substancji oraz produkcji energii elektrycznej. Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe, zwane również biologicznymi ogniwami paliwowymi, to biologiczny układ elektrochemiczny, który wytwarza energię elektryczną za pomocą bakterii. Technologia ta opiera się na katabolizmie (rozkład złożonej cząsteczki na prostszą z uwolnieniem energii) substancji takich jak glukoza, octan (sól kwasu octowego), maślan (sól kwasu masłowego) czy ścieki. W wyniku ich utleniania uwalniane są elektrony, które są przenoszone na anodę, po czym generowany prąd elektryczny przepływa przez przewodnik do katody.
W takich ogniwach paliwowych mediatory są zwykle stosowane w celu poprawy przepuszczalności elektronów. Problem w tym, że substancje pełniące rolę mediatorów są drogie i toksyczne. Jednak w przypadku stosowania bakterii aktywnych elektrochemicznie nie ma potrzeby stosowania mediatorów. Takie mikrobiologiczne ogniwa paliwowe „bez nadajników” zaczęto tworzyć całkiem niedawno i dlatego nie wszystkie ich właściwości są dobrze zbadane.
Pomimo przeszkód, które MFC musi jeszcze pokonać, technologia ta ma ogromny potencjał. Po pierwsze „paliwo” nie jest trudne do znalezienia. Co więcej, dziś kwestia oczyszczania ścieków i unieszkodliwiania wielu odpadów jest bardzo dotkliwa. Zastosowanie tej technologii mogłoby rozwiązać oba te problemy. Po drugie, teoretycznie jego wydajność może być bardzo wysoka. Głównym problemem dla inżynierów mikrobiologicznych ogniw paliwowych są, a właściwie najważniejszy element tego urządzenia, drobnoustroje. I podczas gdy mikrobiolodzy, którzy otrzymują liczne granty na badania, radują się, pisarze science fiction również zacierają ręce, przewidując sukces książek o skutkach „publikacji” niewłaściwych mikroorganizmów. Oczywiście istnieje ryzyko wydobycia czegoś, co „przetrawi” nie tylko niepotrzebne odpady, ale także coś wartościowego. Zasadniczo, podobnie jak w przypadku każdej nowej biotechnologii, ludzie obawiają się pomysłu noszenia w kieszeni pudełka zarażonego bakteriami.
Aplikacja
Stacjonarne elektrownie domowe i przemysłowe
Ogniwa paliwowe są szeroko stosowane jako źródła energii w różnych systemach autonomicznych, takich jak statki kosmiczne, zdalne stacje pogodowe, instalacje wojskowe itp. Główną zaletą takiego systemu zasilania jest jego niezwykle wysoka niezawodność w porównaniu z innymi technologiami. Ze względu na brak ruchomych części i jakichkolwiek mechanizmów w ogniwach paliwowych niezawodność systemów zasilania może sięgać 99,99%. Dodatkowo w przypadku zastosowania wodoru jako odczynnika można osiągnąć bardzo małą wagę, co jest jednym z najważniejszych kryteriów w przypadku sprzętu kosmicznego.
W ostatnim czasie coraz powszechniejsze stają się elektrociepłownie, szeroko stosowane w budynkach mieszkalnych i biurach. Cechą tych systemów jest to, że stale wytwarzają energię elektryczną, która, jeśli nie zostanie natychmiast zużyta, służy do podgrzewania wody i powietrza. Pomimo tego, że sprawność elektryczna takich instalacji wynosi tylko 15-20%, tę wadę rekompensuje fakt, że niewykorzystana energia elektryczna jest wykorzystywana do produkcji ciepła. Ogólnie sprawność energetyczna takich połączonych systemów wynosi około 80%. Jednym z najlepszych odczynników do takich ogniw paliwowych jest kwas fosforowy. Jednostki te zapewniają sprawność energetyczną 90% (35-50% energii elektrycznej i reszta energii cieplnej).
Transport
Systemy energetyczne oparte na ogniwach paliwowych są również szeroko stosowane w transporcie. Nawiasem mówiąc, Niemcy jako jedni z pierwszych zainstalowali ogniwa paliwowe w pojazdach. Tak więc pierwsza na świecie łódź komercyjna wyposażona w taką konfigurację zadebiutowała osiem lat temu. Ten mały statek, nazwany "Hydra" i przeznaczony do przewozu do 22 pasażerów, został zwodowany w pobliżu dawnej stolicy Niemiec w czerwcu 2000 roku. Wodór (alkaliczne ogniwo paliwowe) działa jako odczynnik przenoszący energię. Dzięki zastosowaniu alkalicznych (alkalicznych) ogniw paliwowych instalacja jest w stanie generować prąd w temperaturach do -10°C i nie boi się słonej wody. Łódź „Hydra”, napędzana silnikiem elektrycznym o mocy 5 kW, rozpędza się do 6 węzłów (ok. 12 km/h).
Łódź „Hydra”
Ogniwa paliwowe (zwłaszcza zasilane wodorem) stały się znacznie bardziej rozpowszechnione w transporcie lądowym. Generalnie wodór od dawna jest stosowany jako paliwo do silników samochodowych, a w zasadzie do silników konwencjonalnych wewnętrzne spalanie dość łatwe do przerobienia na to alternatywne paliwo. Jednak konwencjonalne spalanie wodoru jest mniej wydajne niż wytwarzanie energii elektrycznej w wyniku reakcji chemicznej między wodorem a tlenem. A idealnie, wodór, jeśli zostanie zastosowany w ogniwach paliwowych, będzie całkowicie bezpieczny dla przyrody lub, jak mówią, „przyjazny dla środowiska”, ponieważ podczas reakcji chemicznej nie uwalnia się dwutlenek węgla ani inne substancje, które dotykają „szklarni”. efekt".
To prawda, że tutaj, jak można by się spodziewać, jest kilka dużych „ale”. Faktem jest, że wiele technologii produkcji wodoru z zasobów nieodnawialnych (gaz ziemny, węgiel, produkty naftowe) nie jest tak nieszkodliwych dla środowisko ponieważ uwalniają duże ilości dwutlenku węgla. Teoretycznie, jeśli do jego pozyskania zostaną wykorzystane zasoby odnawialne, to w ogóle nie będzie szkodliwych emisji. Jednak w tym przypadku koszt znacznie wzrasta. Zdaniem wielu ekspertów z tych powodów potencjał wodoru jako substytutu benzyny czy gazu ziemnego jest bardzo ograniczony. Istnieją już tańsze alternatywy i najprawdopodobniej ogniwa paliwowe na pierwszym elemencie układu okresowego pierwiastków nie będą w stanie stać się zjawiskiem masowym w pojazdach.
Producenci samochodów dość aktywnie eksperymentują z wodorem jako źródłem energii. A głównym tego powodem jest dość twarda pozycja UE w stosunku do szkodliwych emisji do atmosfery. Pod wpływem coraz ostrzejszych restrykcji nakładanych w Europie, Daimler AG, Fiat i Ford Motor Company zaprezentowały swoją wizję przyszłości ogniw paliwowych w budownictwie samochodowym, wyposażając swoje podstawowe modele. Inny europejski gigant samochodowy, Volkswagen, przygotowuje obecnie swój pojazd na ogniwa paliwowe. Firmy japońskie i południowokoreańskie nie pozostają w tyle. Jednak nie wszyscy stawiają na tę technologię. Wiele osób woli modyfikować silniki spalinowe lub łączyć je z silnikami elektrycznymi zasilanymi bateryjnie. Tą drogą poszły Toyota, Mazda i BMW. Jeśli chodzi o firmy amerykańskie, oprócz Forda ze swoim modelem Focus, General Motors zaprezentował także kilka samochodów na ogniwa paliwowe. Wszystkie te przedsięwzięcia są aktywnie wspierane przez wiele państw. Np. w Stanach Zjednoczonych istnieje prawo, zgodnie z którym nowy samochód hybrydowy wchodzący na rynek jest zwolniony z podatków, co może być całkiem przyzwoitą kwotą, bo z reguły takie auta są droższe niż ich odpowiedniki z tradycyjnym spalaniem. silniki. Tym samym hybrydy jako zakup stają się jeszcze bardziej atrakcyjne. Jednak na razie prawo to dotyczy tylko modeli wchodzących na rynek do momentu osiągnięcia poziomu sprzedaży 60 000 samochodów, po czym korzyść jest automatycznie anulowana.
Elektronika
Ostatnio ogniwa paliwowe są coraz częściej stosowane w laptopach, telefonach komórkowych i innych urządzeniach mobilnych. urządzenia elektryczne Oh. Powodem tego była szybko rosnąca obżarstwo urządzeń zaprojektowanych z myślą o długim czasie pracy na bateriach. W wyniku zastosowania w telefonach dużych ekranów dotykowych, potężnych możliwości audio oraz wprowadzenia obsługi Wi-Fi, Bluetooth i innych protokołów komunikacji bezprzewodowej o wysokiej częstotliwości, zmieniły się również wymagania dotyczące pojemności baterii. I chociaż baterie przeszły długą drogę od czasów pierwszych telefonów komórkowych, jeśli chodzi o pojemność i kompaktowość (w przeciwnym razie fani nie byliby dziś wpuszczani na stadiony z tą bronią z funkcją komunikacji), nadal nie nadążają z miniaturyzacją obwodów elektronicznych, ani z chęcią, aby producenci wbudowali w swoje produkty wszystko więcej funkcji. Kolejną istotną wadą obecnych akumulatorów jest długi czas ładowania. Wszystko prowadzi do tego, że im więcej funkcji w telefonie czy kieszonkowym odtwarzaczu multimedialnym ma na celu zwiększenie autonomii jego właściciela ( bezprzewodowy internet, systemy nawigacyjne itp.), tym bardziej zależne od „gniazda” staje się to urządzenie.
Laptopy Pro, znacznie mniej ograniczone w maksymalne wymiary i nie ma nic do powiedzenia. Od dawna kształtuje się nisza ultrawydajnych laptopów, które w ogóle nie są przeznaczone do autonomicznej pracy, poza takim przeniesieniem z jednego biura do drugiego. A nawet najbardziej oszczędni użytkownicy w świecie laptopów mają problemy z zapewnieniem pełnego dnia pracy na baterii. Dlatego bardzo dotkliwa jest kwestia znalezienia alternatywy dla tradycyjnych baterii, która nie byłaby droższa, ale też znacznie wydajniejsza. A w ostatnim czasie ten problem rozwiązują czołowi przedstawiciele branży. Nie tak dawno wprowadzono komercyjne ogniwa paliwowe z metanolem, których masowe dostawy można rozpocząć już w przyszłym roku.
Z jakiegoś powodu naukowcy wybrali metanol zamiast wodoru. Znacznie łatwiej jest przechowywać metanol, ponieważ nie wymaga wysokiego ciśnienia ani specjalnych warunków temperaturowych. Alkohol metylowy jest cieczą w temperaturze od -97,0°C do 64,7°C. W tym przypadku energia właściwa zawarta w N-tej objętości metanolu jest o rząd wielkości większa niż w tej samej objętości wodoru pod wysokim ciśnieniem. Technologia bezpośredniego ogniwa paliwowego z metanolem, szeroko stosowana w mobilnych urządzeniach elektronicznych, polega na wykorzystaniu metanolu po prostym napełnieniu pojemnika ogniwa paliwowego, z pominięciem procedury konwersji katalitycznej (stąd nazwa „bezpośredni metanol”). Jest to również główna zaleta tej technologii.
Jednak, jak można się było spodziewać, wszystkie te plusy miały swoje minusy, co znacznie ograniczyło zakres jego zastosowania. W związku z tym, że jednak technologia ta nie została jeszcze w pełni rozwinięta, problem niskiej wydajności takich ogniw paliwowych spowodowany „wyciekiem” metanolu przez materiał membrany pozostaje nierozwiązany. Ponadto nie mają imponujących właściwości dynamicznych. Nie jest łatwo zdecydować, co zrobić z dwutlenkiem węgla wytwarzanym na anodzie. Nowoczesne urządzenia DMFC nie są w stanie generować dużej energii, ale mają dużą pojemność energetyczną dla małej objętości materii. Oznacza to, że chociaż dużo energii nie jest jeszcze dostępne, bezpośrednie ogniwa paliwowe z metanolem mogą ją generować przez długi czas. Nie pozwala to na ich bezpośrednie zastosowanie w pojazdach ze względu na ich niską moc, ale czyni je niemal idealnym rozwiązaniem dla urządzeń mobilnych, dla których żywotność baterii jest krytyczna.
Ostatnie trendy
Choć ogniwa paliwowe do pojazdów są produkowane od dawna, do tej pory rozwiązania te nie stały się powszechne. Powodów jest wiele. A głównymi z nich są niecelowość ekonomiczna i niechęć producentów do uruchomienia produkcji niedrogiego paliwa. Próby wymuszenia naturalnego procesu przejścia na odnawialne źródła energii, jak można się było spodziewać, nie przyniosły niczego dobrego. Oczywiście przyczyna gwałtownego wzrostu cen produktów rolnych jest raczej ukryta nie w tym, że zaczęto je masowo przerabiać na biopaliwa, ale w tym, że wiele krajów Afryki i Azji nie jest w stanie wyprodukować wystarczającej ilości produktów nawet w celu zaspokojenia krajowego popytu na produkty.
Oczywiście odrzucenie stosowania biopaliw nie doprowadzi do znaczącej poprawy sytuacji na światowym rynku żywności, ale wręcz przeciwnie może uderzyć w europejskich i amerykańskich rolników, którzy po raz pierwszy od wielu lat otrzymali możliwość zarobienia dobrych pieniędzy. Ale nie można umniejszać etycznego aspektu tego problemu, brzydko jest napełniać „chlebem” zbiorniki, gdy miliony ludzi głodują. Dlatego w szczególności europejscy politycy będą teraz bardziej chłodno podchodzić do biotechnologii, co już potwierdza rewizja strategii przejścia na odnawialne źródła energii.
W tej sytuacji mikroelektronika powinna stać się najbardziej obiecującym obszarem zastosowań ogniw paliwowych. To tutaj ogniwa paliwowe mają największe szanse na zdobycie przyczółka. Po pierwsze, ludzie, którzy kupują telefony komórkowe, chętniej eksperymentują niż, powiedzmy, nabywcy samochodów. Po drugie, są gotowi wydawać pieniądze i z reguły nie mają nic przeciwko „ratowaniu świata”. Potwierdzeniem tego może być przytłaczający sukces czerwonej wersji „Bono” iPoda Nano, którego część pieniędzy ze sprzedaży trafiła do Czerwonego Krzyża.
Wersja „Bono” Apple iPod Nano
Wśród tych, którzy zwrócili uwagę na ogniwa paliwowe do przenośnej elektroniki są firmy, które wcześniej specjalizowały się w tworzeniu ogniw paliwowych, a teraz po prostu otworzyły nowy obszar ich zastosowań, a także wiodący producenci mikroelektroniki. Na przykład ostatnio firma MTI Micro, która zmieniła przeznaczenie swojej działalności na produkcję ogniw paliwowych z metanolem do mobilnych urządzeń elektronicznych, ogłosiła, że rozpocznie masową produkcję w 2009 roku. Wprowadziła również pierwsze na świecie urządzenie GPS z ogniwami paliwowymi na metanol. Według przedstawicieli tej firmy, w niedalekiej przyszłości jej produkty całkowicie zastąpią tradycyjne akumulatory litowo-jonowe. To prawda, że na początku nie będą tanie, ale ten problem towarzyszy każdej nowej technologii.
Dla firmy takiej jak Sony, która niedawno zaprezentowała swój wariant urządzenia zasilanego mediami z DMFC, technologie te są nowe, ale poważnie podchodzą do tego, aby nie zgubić się na obiecującym nowym rynku. Z kolei firma Sharp poszła jeszcze dalej i dzięki prototypowi ogniwa paliwowego ustanowiła niedawno światowy rekord w zakresie pojemności energetycznej 0,3 wata na centymetr sześcienny metanolu. Nawet rządy wielu krajów spotykały się z firmami produkującymi te ogniwa paliwowe. I tak lotniska w USA, Kanadzie, Wielkiej Brytanii, Japonii i Chinach, mimo toksyczności i palności metanolu, zniosły dotychczasowe ograniczenia dotyczące jego przewozu w kabinie. Oczywiście jest to dozwolone tylko w przypadku certyfikowanych ogniw paliwowych o maksymalnej pojemności 200 ml. Potwierdza to jednak po raz kolejny zainteresowanie tymi wydarzeniami ze strony nie tylko entuzjastów, ale i państw.
To prawda, producenci wciąż starają się zachować ostrożność i oferują ogniwa paliwowe głównie jako system zasilania awaryjnego. Jednym z takich rozwiązań jest połączenie ogniwa paliwowego i akumulatora: gdy jest paliwo, stale ładuje akumulator, a po jego wyczerpaniu użytkownik po prostu zastępuje pusty kartridż nowym pojemnikiem z metanolem. Innym popularnym trendem jest tworzenie ładowarek do ogniw paliwowych. Mogą być używane w podróży. Jednocześnie bardzo szybko ładują akumulatory. Innymi słowy, w przyszłości być może każdy taki „gniazdko” będzie nosił w kieszeni. Takie podejście może być szczególnie istotne w przypadku telefonów komórkowych. Z kolei laptopy mogą w przewidywalnej przyszłości nabyć wbudowane ogniwa paliwowe, które jeśli nie całkowicie zastąpią ładowanie z „gniazda”, to przynajmniej staną się dla niego poważną alternatywą.
Tak więc, zgodnie z prognozą największej niemieckiej firmy chemicznej BASF, która niedawno ogłosiła rozpoczęcie budowy swojego centrum rozwoju ogniw paliwowych w Japonii, do 2010 r. rynek tych urządzeń wyniesie 1 miliard dolarów. Jednocześnie analitycy przewidują wzrost rynku ogniw paliwowych do 20 miliardów dolarów do 2020 roku. Nawiasem mówiąc, w tym centrum BASF planuje rozwijać ogniwa paliwowe do przenośnej elektroniki (w szczególności laptopów) i stacjonarnych systemów energetycznych. Miejsce na to przedsięwzięcie nie zostało wybrane przypadkowo – niemiecka firma postrzega lokalne firmy jako głównych nabywców tych technologii.
Zamiast konkluzji
Oczywiście nie należy oczekiwać od ogniw paliwowych, że staną się one zamiennikiem dotychczasowego systemu zasilania. Przynajmniej w dającej się przewidzieć przyszłości. To miecz obosieczny: elektrownie przenośne są na pewno bardziej wydajne, ze względu na brak strat związanych z dostawą energii elektrycznej do konsumenta, ale warto też wziąć pod uwagę, że mogą stać się poważnym konkurentem dla scentralizowanego zasilania system tylko w przypadku utworzenia scentralizowanego systemu zasilania paliwem dla tych instalacji. Oznacza to, że „gniazdko” powinno ostatecznie zostać zastąpione pewną rurą, która dostarcza niezbędne odczynniki do każdego domu i każdego zakamarka. I nie jest to do końca wolność i niezależność od zewnętrznych źródeł prądu, o których mówią producenci ogniw paliwowych.
Urządzenia te mają niezaprzeczalną zaletę w postaci szybkości ładowania – po prostu wymieniałem wkład z metanolem (w skrajnych przypadkach odkorkowałem trofeum Jacka Danielsa) w aparacie i znowu przeskakiwałem po schodach Luwru. powiedzmy, zwykły telefon ładuje się dwie godziny i będzie wymagał doładowania co 2-3 dni, to jest mało prawdopodobne, aby alternatywa w postaci wymiany wkładu sprzedawana tylko w wyspecjalizowanych sklepach, nawet raz na dwa tygodnie, była tak pożądana przez masowego użytkownika. Jeśli hermetyczny kanister na kilkaset mililitrów paliwa dotrze do konsumenta końcowego, jego cena zdąży znacząco wzrosnąć. Tylko skala produkcji będzie w stanie zwalczyć ten wzrost cen, ale czy to skala jest pożądana na rynku i dopóki nie zostanie wybrany optymalny rodzaj paliwa, bardzo trudno będzie rozwiązać ten problem.
Z drugiej strony połączenie tradycyjnego ładowania plug-in, ogniw paliwowych i innych alternatywnych systemów zasilania energią (np. paneli słonecznych) może być rozwiązaniem problemu dywersyfikacji źródeł energii i przejścia na typy środowiskowe. Jednak dla pewnej grupy produkty elektroniczne Ogniwa paliwowe mogą znaleźć szerokie zastosowanie. Potwierdza to fakt, że firma Canon niedawno opatentowała własne ogniwa paliwowe do aparatów cyfrowych i ogłosiła strategię włączenia tych technologii do swoich rozwiązań. Jeśli chodzi o laptopy, jeśli ogniwa paliwowe trafią do nich w niedalekiej przyszłości, to najprawdopodobniej tylko jako zapasowy system zasilania. Teraz na przykład mówimy głównie o zewnętrznych modułach ładujących, które dodatkowo podłącza się do laptopa.
Ale te technologie mają ogromne perspektywy rozwoju w dłuższej perspektywie. Szczególnie w obliczu zagrożenia głodem naftowym, które może nastąpić w ciągu najbliższych kilkudziesięciu lat. W tych warunkach ważniejsze jest nawet nie to, jak tania będzie produkcja ogniw paliwowych, ale ile wyniesie produkcja paliwa dla nich niezależnie od przemysłu petrochemicznego i czy będzie w stanie pokryć jego zapotrzebowanie.
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 pokrótce omówimy każdy z istniejących technologie paliwowe dziś, oprócz rozmowy o budowie i działaniu ogniw paliwowych, porównaj je z innymi formami wytwarzania 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 zawiera w sobie wszystkie niezbędne pierwiastki chemiczne i zamienia te substancje w energię elektryczną. Oznacza to, że bateria w końcu „umiera” i albo ją wyrzucasz, albo ładujesz.
W ogniwie paliwowym stale wprowadza się do niego chemikalia, aby nigdy nie „umierało”. Energia elektryczna będzie generowana tak długo, jak długo chemikalia dostaną się do komórki. 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, podobnie jak turbiny gazowe, spalają różne paliwa i wykorzystują ciśnienie wytworzone przez rozprężanie gazów do wykonywania pracy mechanicznej. Baterie przekształcają energię chemiczną w energia elektryczna, gdy jest to konieczne. 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 stopionego węgla (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 wykorzystywane w obwodach zewnętrznych (wykonując użyteczną pracę, taką jak obracanie silnika) i wracają 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 kompozyty 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 sprawność do momentu, w którym wytwarzana jest moc 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. Do oczyszczania powstałego wodoru stosuje się różne urządzenia, ale to oczyszczanie 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.
Oczywiście naukowcy i producenci mają dużo pracy do wykonania, zanim ogniwa paliwowe staną się alternatywą dla obecnych metod produkcji 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.
Część 1
W artykule omówiono bardziej szczegółowo zasadę działania ogniw paliwowych, ich konstrukcję, klasyfikację, zalety i wady, zakres, wydajność, historię powstania oraz współczesne perspektywy użytkowania. W drugiej części artykułu, który ukaże się w kolejnym numerze magazynu ABOK, zawiera przykłady obiektów, w których jako źródła ciepła i energii elektrycznej (lub tylko energii elektrycznej) wykorzystano różnego rodzaju ogniwa paliwowe.
Wstęp
Ogniwa paliwowe to bardzo wydajny, niezawodny, trwały i przyjazny dla środowiska sposób wytwarzania energii.
Początkowo stosowane tylko w przemyśle kosmicznym, ogniwa paliwowe są obecnie coraz częściej wykorzystywane w różnych dziedzinach – jako elektrownie stacjonarne, autonomiczne źródła ciepła i energii dla budynków, silniki pojazdów, zasilacze do laptopów i telefonów komórkowych. Niektóre z tych urządzeń to prototypy laboratoryjne, niektóre przechodzą testy przedseryjne lub są wykorzystywane do celów demonstracyjnych, ale wiele modeli jest masowo produkowanych i wykorzystywanych w projektach komercyjnych.
Ogniwo paliwowe (generator elektrochemiczny) to urządzenie, które zamienia energię chemiczną paliwa (wodoru) na energię elektryczną bezpośrednio podczas reakcji elektrochemicznej, w przeciwieństwie do tradycyjnych technologii wykorzystujących spalanie paliw stałych, ciekłych i gazowych. Bezpośrednia konwersja elektrochemiczna paliwa jest bardzo wydajna i atrakcyjna z punktu widzenia ochrony środowiska, ponieważ podczas pracy uwalniana jest minimalna ilość zanieczyszczeń, a ponadto nie występują silne hałasy i wibracje.
Z praktycznego punktu widzenia ogniwo paliwowe przypomina konwencjonalną baterię galwaniczną. Różnica polega na tym, że początkowo akumulator jest naładowany, czyli napełniony „paliwem”. Podczas pracy „paliwo” jest zużywane, a akumulator rozładowywany. W przeciwieństwie do akumulatora ogniwo paliwowe wykorzystuje do wytwarzania energii elektrycznej paliwo dostarczane z zewnętrznego źródła (rys. 1).
Do produkcji energii elektrycznej można wykorzystać nie tylko czysty wodór, ale także inne surowce zawierające wodór, takie jak gaz ziemny, amoniak, metanol czy benzyna. Zwykłe powietrze służy jako źródło tlenu, który jest również niezbędny do reakcji.
Gdy jako paliwo stosowany jest czysty wodór, produktami reakcji oprócz energii elektrycznej są ciepło i woda (lub para wodna), czyli do atmosfery nie są emitowane żadne gazy, które powodują zanieczyszczenie powietrza lub powodują efekt cieplarniany. Jeżeli jako paliwo stosuje się surowiec zawierający wodór, taki jak gaz ziemny, produktem ubocznym reakcji będą inne gazy, takie jak tlenki węgla i azotu, ale jego ilość jest znacznie mniejsza niż przy spalaniu tego samego ilość gazu ziemnego.
Proces chemicznej konwersji paliwa w celu wytworzenia wodoru nazywamy reformingiem, a odpowiednie urządzenie nazywamy reformerem.
Zalety i wady ogniw paliwowych
Ogniwa paliwowe są bardziej energooszczędne niż silniki spalinowe, ponieważ nie ma ograniczeń termodynamicznych dotyczących sprawności energetycznej ogniw paliwowych. Współczynnik przydatne działanie Ogniwa paliwowe wynoszą 50%, natomiast sprawność silników spalinowych wynosi 12-15%, a sprawność elektrowni z turbinami parowymi nie przekracza 40%. Dzięki wykorzystaniu ciepła i wody wydajność ogniw paliwowych zostaje dodatkowo zwiększona.
W przeciwieństwie do np. silników spalinowych, sprawność ogniw paliwowych pozostaje bardzo wysoka, nawet gdy nie pracują z pełną mocą. Dodatkowo moc ogniw paliwowych można zwiększyć po prostu dodając osobne bloki, podczas gdy sprawność się nie zmienia, tzn. duże instalacje są tak samo wydajne jak małe. Okoliczności te pozwalają na bardzo elastyczny dobór składu sprzętu zgodnie z życzeniem klienta i ostatecznie prowadzą do obniżenia kosztów sprzętu.
Ważną zaletą ogniw paliwowych jest ich przyjazność dla środowiska. Emisje zanieczyszczeń do powietrza z eksploatacji ogniw paliwowych są tak niskie, że na niektórych obszarach Stanów Zjednoczonych nie wymagają one specjalnego zezwolenia od agencje rządowe kontrolowanie jakości środowiska powietrza.
Ogniwa paliwowe można umieszczać bezpośrednio w budynku, zmniejszając tym samym straty podczas transportu energii, a ciepło wytworzone w wyniku reakcji można wykorzystać do dostarczania ciepła lub ciepłej wody do budynku. Autonomiczne źródła zaopatrzenia w ciepło i energię elektryczną mogą być bardzo korzystne na obszarach oddalonych i w regionach, które charakteryzują się niedoborem energii elektrycznej i jej wysokimi kosztami, ale jednocześnie istnieją rezerwy surowców zawierających wodór (ropa naftowa, gaz ziemny) .
Zaletami ogniw paliwowych są również dostępność paliwa, niezawodność (brak ruchomych części w ogniwie), trwałość i łatwość obsługi.
Jedną z głównych wad dzisiejszych ogniw paliwowych jest ich stosunkowo wysoki koszt, ale ta wada może wkrótce zostać przezwyciężona, gdy więcej firm będzie produkować próbki handlowe ogniwa paliwowe są stale ulepszane, a ich koszt maleje.
Najbardziej efektywne wykorzystanie czystego wodoru jako paliwa będzie jednak wymagało stworzenia specjalnej infrastruktury do jego wytwarzania i transportu. Obecnie wszystkie projekty komercyjne wykorzystują gaz ziemny i podobne paliwa. Pojazdy silnikowe mogą korzystać ze zwykłej benzyny, co pozwoli na utrzymanie istniejącej rozwiniętej sieci stacji benzynowych. Jednak stosowanie takiego paliwa prowadzi do szkodliwych emisji do atmosfery (choć bardzo niskich) i komplikuje (a tym samym zwiększa koszt) ogniwa paliwowego. W przyszłości rozważa się możliwość wykorzystania przyjaznych środowisku odnawialnych źródeł energii (np. energii słonecznej czy wiatrowej) do rozkładu wody na wodór i tlen poprzez elektrolizę, a następnie przekształcenia powstałego paliwa w ogniwo paliwowe. Takie elektrociepłownie pracujące w obiegu zamkniętym mogą być całkowicie ekologicznym, niezawodnym, trwałym i wydajnym źródłem energii.
Inną cechą ogniw paliwowych jest to, że są najbardziej wydajne, gdy jednocześnie wykorzystują energię elektryczną i cieplną. Jednak nie w każdym obiekcie istnieje możliwość wykorzystania energii cieplnej. W przypadku wykorzystania ogniw paliwowych wyłącznie do wytwarzania energii elektrycznej, ich sprawność spada, choć przewyższa sprawność „tradycyjnych” instalacji.
Historia i współczesne zastosowania ogniw paliwowych
Zasada działania ogniw paliwowych została odkryta w 1839 roku. Angielski naukowiec William Robert Grove (1811-1896) odkrył, że proces elektrolizy - rozkładu wody na wodór i tlen za pomocą prądu elektrycznego - jest odwracalny, tj. wodór i tlen można łączyć w cząsteczki wody bez spalania, ale z uwolnieniem ciepła i prądu elektrycznego. Grove nazwał urządzenie, w którym przeprowadzono taką reakcję „baterią gazową”, która była pierwszym ogniwem paliwowym.
Aktywny rozwój technologii ogniw paliwowych rozpoczął się po II wojnie światowej i jest związany z przemysłem lotniczym. W tym czasie prowadzono poszukiwania wydajnego i niezawodnego, ale jednocześnie dość kompaktowego źródła energii. W latach sześćdziesiątych eksperci NASA (Narodowa Agencja Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej, NASA) wybrali ogniwa paliwowe jako źródło zasilania dla statków kosmicznych Apollo (loty załogowe na Księżyc), Apollo-Sojuz, Gemini i programów Skylab. Apollo wykorzystał trzy jednostki 1,5 kW (moc szczytowa 2,2 kW) wykorzystując kriogeniczny wodór i tlen do produkcji energii elektrycznej, ciepła i wody. Masa każdej instalacji wynosiła 113 kg. Te trzy ogniwa pracowały równolegle, ale energia generowana przez jedną jednostkę wystarczyła do bezpiecznego powrotu. Podczas 18 lotów ogniwa paliwowe przepracowały łącznie 10 000 godzin bez żadnych awarii. Obecnie ogniwa paliwowe wykorzystywane są w promie kosmicznym „Space Shuttle”, który wykorzystuje trzy jednostki o mocy 12 W, które wytwarzają całą energię elektryczną na pokładzie statku kosmicznego (rys. 2). Woda uzyskana w wyniku reakcji elektrochemicznej jest wykorzystywana jako woda pitna, a także do urządzeń chłodniczych.
W naszym kraju trwały również prace nad stworzeniem ogniw paliwowych do zastosowań w kosmonautyce. Na przykład ogniwa paliwowe zostały wykorzystane do zasilania Radziecki statek wielokrotnego użytku "Buran".
Rozwój metod komercyjnego wykorzystania ogniw paliwowych rozpoczął się w połowie lat sześćdziesiątych. Zmiany te były częściowo finansowane przez organizacje rządowe.
Obecnie rozwój technologii wykorzystania ogniw paliwowych przebiega w kilku kierunkach. Jest to tworzenie elektrowni stacjonarnych na ogniwach paliwowych (zarówno dla scentralizowanego, jak i zdecentralizowanego zaopatrzenia w energię), elektrowni samochodowych (powstały próbki samochodów i autobusów na ogniwach paliwowych, w tym w naszym kraju) (rys. 3), oraz a także zasilacze do różnych urządzeń mobilnych (laptopy, telefony komórkowe itp.) (rys. 4).
Przykłady zastosowania ogniw paliwowych w różnych dziedzinach podano w tabeli. jeden.
Jednym z pierwszych komercyjnych modeli ogniw paliwowych przeznaczonych do autonomicznego zasilania budynków w energię cieplną i elektryczną był PC25 Model A produkowany przez ONSI Corporation (obecnie United Technologies, Inc.). To ogniwo paliwowe o mocy nominalnej 200 kW należy do typu ogniw z elektrolitem na bazie kwasu fosforowego (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC). Cyfra „25” w nazwie modelu oznacza numer seryjny wzoru. Większość poprzednich modeli to egzemplarze eksperymentalne lub testowe, takie jak model „PC11” o mocy 12,5 kW, który pojawił się w latach 70. XX wieku. Nowe modele zwiększyły moc pobieraną z pojedynczego ogniwa paliwowego, a także zmniejszyły koszt na kilowat wyprodukowanej energii. Obecnie jednym z najbardziej wydajnych modeli komercyjnych jest ogniwo paliwowe PC25 Model C. Podobnie jak model „A” jest to w pełni automatyczne ogniwo paliwowe typu PAFC o mocy 200 kW przeznaczone do montażu bezpośrednio na obsługiwanym obiekcie jako niezależne źródło ciepła i energii elektrycznej. Takie ogniwo paliwowe można zainstalować na zewnątrz budynku. Na zewnątrz jest to równoległościan o długości 5,5 m, szerokości 3 m i wysokości 3 m, ważący 18 140 kg. Różnica w stosunku do poprzednich modeli to ulepszony reformer i wyższa gęstość prądu.
| Tabela 1 Zakres ogniw paliwowych |
|||||||||||||||
|
W niektórych typach ogniw paliwowych proces chemiczny można odwrócić: poprzez przyłożenie różnicy potencjałów do elektrod woda może zostać rozłożona na wodór i tlen, które gromadzą się na porowatych elektrodach. Po podłączeniu obciążenia takie regeneracyjne ogniwo paliwowe zacznie generować energię elektryczną.
Obiecującym kierunkiem wykorzystania ogniw paliwowych jest ich wykorzystanie w połączeniu z odnawialnymi źródłami energii, takimi jak panele fotowoltaiczne czy turbiny wiatrowe. Ta technologia pozwala całkowicie uniknąć zanieczyszczenia powietrza. Podobny system ma powstać np. w Centrum Szkoleniowym im. Adama Josepha Lewisa w Oberlinie (zob. ABOK, 2002, nr 5, s. 10). Obecnie jednym ze źródeł energii w tym budynku są panele słoneczne. Wspólnie ze specjalistami NASA opracowano projekt wykorzystania paneli fotowoltaicznych do produkcji wodoru i tlenu z wody za pomocą elektrolizy. Wodór jest następnie wykorzystywany w ogniwach paliwowych do wytwarzania energii elektrycznej i gorącej wody. Umożliwi to budynkowi utrzymanie wydajności wszystkich systemów w pochmurne dni i w nocy.
Zasada działania ogniw paliwowych
Rozważmy zasadę działania ogniwa paliwowego na przykładzie najprostszego elementu z membraną do wymiany protonów (Proton Exchange Membrane, PEM). Taki element składa się z membrany polimerowej umieszczonej pomiędzy anodą (elektrodą dodatnią) a katodą (elektrodą ujemną) wraz z katalizatorami anodowymi i katodowymi. Jako elektrolit stosuje się membranę polimerową. Schemat elementu PEM pokazano na ryc. 5.
Membrana do wymiany protonów (PEM) to cienki (około 2-7 arkuszy zwykłego papieru grubości) stały związek organiczny. Ta membrana działa jak elektrolit: w obecności wody rozdziela materię na jony naładowane dodatnio i ujemnie.
Na anodzie zachodzi proces utleniania, a na katodzie proces redukcji. Anoda i katoda w ogniwie PEM są wykonane z porowatego materiału, który jest mieszaniną cząstek węgla i platyny. Platyna działa jak katalizator, który promuje reakcję dysocjacji. Anoda i katoda są porowate, aby umożliwić swobodny przepływ przez nie odpowiednio wodoru i tlenu.
Anoda i katoda są umieszczone między dwiema metalowymi płytkami, które dostarczają wodór i tlen do anody i katody oraz odprowadzają ciepło i wodę, a także energię elektryczną.
Cząsteczki wodoru przechodzą przez kanały w płycie do anody, gdzie rozkładają się na pojedyncze atomy (rys. 6).
Rysunek 5 () Schemat ideowy ogniwa paliwowego z membraną do wymiany protonów (PEM) |
|
Rysunek 6 () Cząsteczki wodoru przez kanały w płytce wchodzą do anody, gdzie cząsteczki są rozkładane na poszczególne atomy |
|
Rysunek 7 () W wyniku chemisorpcji w obecności katalizatora atomy wodoru są przekształcane w protony |
|
Cyfra 8 () Dodatnio naładowane jony wodorowe dyfundują przez membranę do katody, a przepływ elektronów jest kierowany do katody przez zewnętrzny obwód elektryczny, do którego podłączone jest obciążenie. |
|
Rysunek 9 () Tlen dostarczany do katody w obecności katalizatora wchodzi w reakcję chemiczną z jonami wodorowymi z membrany wymiany protonów i elektronami z zewnętrznego obwodu elektrycznego. Woda powstaje w wyniku reakcji chemicznej |
Następnie w wyniku chemisorpcji w obecności katalizatora atomy wodoru, z których każdy oddaje jeden elektron e - , zamieniają się w dodatnio naładowane jony wodoru H+, czyli protony (rys. 7).
Dodatnio naładowane jony wodoru (protony) dyfundują przez membranę do katody, a przepływ elektronów jest kierowany do katody przez zewnętrzny obwód elektryczny, do którego podłączone jest obciążenie (odbiorca energii elektrycznej) (rys. 8).
Tlen dostarczany do katody w obecności katalizatora wchodzi w reakcję chemiczną z jonami wodorowymi (protonami) z membrany wymiany protonów i elektronami z zewnętrznego obwodu elektrycznego (rys. 9). W wyniku reakcji chemicznej powstaje woda.
Reakcja chemiczna w ogniwie paliwowym innego typu (na przykład z kwaśnym elektrolitem, który jest roztworem kwasu fosforowego H 3 PO 4) jest absolutnie identyczna z reakcją chemiczną w ogniwie paliwowym z membraną do wymiany protonów.
W każdym ogniwie paliwowym część energii reakcji chemicznej jest uwalniana w postaci ciepła.
Przepływ elektronów w obwodzie zewnętrznym to prąd stały, który służy do wykonywania pracy. Otwarcie obwodu zewnętrznego lub zatrzymanie ruchu jonów wodorowych zatrzymuje reakcję chemiczną.
Ilość energii elektrycznej wytwarzanej przez ogniwo paliwowe zależy od rodzaju ogniwa paliwowego, wymiarów geometrycznych, temperatury, ciśnienia gazu. Pojedyncze ogniwo paliwowe zapewnia siłę elektromotoryczną mniejszą niż 1,16 V. Możliwe jest zwiększenie rozmiaru ogniw paliwowych, ale w praktyce stosuje się kilka ogniw połączonych w baterie (rys. 10).
Urządzenie z ogniwem paliwowym
Rozważmy urządzenie z ogniwem paliwowym na przykładzie modelu PC25 Model C. Schemat ogniwa paliwowego pokazano na ryc. jedenaście.
Ogniwo paliwowe „PC25 Model C” składa się z trzech głównych części: procesora paliwa, właściwej sekcji wytwarzania energii i konwertera napięcia.
Główna część ogniwa paliwowego – sekcja energetyczna – to stos złożony z 256 pojedynczych ogniw paliwowych. Skład elektrod ogniw paliwowych obejmuje katalizator platynowy. Przez te ogniwa przy napięciu 155 woltów generowany jest stały prąd elektryczny o natężeniu 1400 amperów. Wymiary baterii to około 2,9 m długości oraz 0,9 m szerokości i wysokości.
Ponieważ proces elektrochemiczny odbywa się w temperaturze 177°C, konieczne jest podgrzanie akumulatora w momencie rozruchu i odprowadzenie z niego ciepła podczas pracy. W tym celu ogniwo paliwowe zawiera oddzielny obieg wody, a akumulator jest wyposażony w specjalne płyty chłodzące.
Procesor paliwa umożliwia przekształcenie gazu ziemnego w wodór, który jest niezbędny do reakcji elektrochemicznej. Ten proces nazywa się reformowaniem. Głównym elementem procesora paliwa jest reformer. W reformerze gaz ziemny (lub inne paliwo zawierające wodór) reaguje z parą wodną w wysokiej temperaturze (900°C) i pod wysokim ciśnieniem w obecności katalizatora niklowego. Zachodzą następujące reakcje chemiczne:
CH4 (metan) + H2O3H2 + CO
(reakcja endotermiczna, z absorpcją ciepła);
CO + H 2 O H 2 + CO 2
(reakcja jest egzotermiczna, z uwolnieniem ciepła).
Całkowitą reakcję wyraża równanie:
CH4 (metan) + 2H 2 O 4H 2 + CO 2
(reakcja endotermiczna, z absorpcją ciepła).
Aby zapewnić wysoką temperaturę wymaganą do konwersji gazu ziemnego, część zużytego paliwa ze stosu ogniw paliwowych jest przesyłana do palnika, który utrzymuje żądaną temperaturę reformera.
Para potrzebna do reformingu wytwarzana jest z kondensatu powstałego podczas pracy ogniwa paliwowego. W tym przypadku wykorzystywane jest ciepło odprowadzone ze stosu ogniw paliwowych (rys. 12).
Stos ogniw paliwowych generuje przerywany prąd stały, który charakteryzuje się niskim napięciem i wysokim prądem. Konwerter napięcia służy do konwersji na standard przemysłowy AC. Ponadto konwerter napięcia zawiera różne urządzenia sterujące i obwody blokad bezpieczeństwa, które umożliwiają wyłączenie ogniwa paliwowego w przypadku różnych awarii.
W takim ogniwie paliwowym około 40% energii zawartej w paliwie można przekształcić w energię elektryczną. W przybliżeniu taką samą ilość, około 40% energii paliwa, można zamienić na energia cieplna, który jest następnie wykorzystywany jako źródło ciepła do ogrzewania, dostarczania ciepłej wody i podobnych celów. Tak więc całkowita wydajność takiej instalacji może osiągnąć 80%.
Niewątpliwą zaletą takiego źródła ciepła i energii elektrycznej jest możliwość jego automatycznej pracy. Do konserwacji właściciele obiektu, w którym zainstalowane jest ogniwo paliwowe, nie muszą utrzymywać specjalnie przeszkolonego personelu - okresowa konserwacja mogą być wykonywane przez pracowników organizacji operacyjnej.
Rodzaje ogniw paliwowych
Obecnie znanych jest kilka rodzajów ogniw paliwowych, które różnią się składem stosowanego elektrolitu. Najbardziej rozpowszechnione są cztery typy (tab. 2):
1. Ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC).
2. Ogniwa paliwowe na bazie kwasu ortofosforowego (fosforowego) (Ogniwa paliwowe z kwasem fosforowym, PAFC).
3. Ogniwa paliwowe na bazie stopionego węglanu (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).
4. Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem, SOFC). Obecnie największa flota ogniw paliwowych budowana jest w oparciu o technologię PAFC.
Jedną z kluczowych cech różnych typów ogniw paliwowych jest temperatura pracy. Pod wieloma względami to temperatura określa zakres ogniw paliwowych. Na przykład wysokie temperatury mają kluczowe znaczenie dla laptopów, dlatego dla tego segmentu rynku opracowywane są ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów o niskich temperaturach roboczych.
Do autonomicznego zasilania budynków wymagane są ogniwa paliwowe o dużej mocy zainstalowanej, a jednocześnie możliwe jest wykorzystanie energii cieplnej, dlatego do tych celów mogą być również wykorzystywane ogniwa paliwowe innych typów.
Ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów (PEMFC)
Te ogniwa paliwowe działają w stosunkowo niskich temperaturach roboczych (60-160°C). Charakteryzują się dużą gęstością mocy, pozwalają na szybką regulację mocy wyjściowej i można je szybko włączyć. Wadą tego typu elementów są wysokie wymagania dotyczące jakości paliwa, ponieważ zanieczyszczone paliwo może uszkodzić membranę. Moc znamionowa tego typu ogniw paliwowych wynosi 1-100 kW.
Ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów zostały pierwotnie opracowane przez General Electric Corporation w latach 60. dla NASA. Ten typ ogniwa paliwowego wykorzystuje elektrolit polimerowy w stanie stałym, zwany membraną wymiany protonów (PEM). Protony mogą przechodzić przez membranę wymiany protonów, ale elektrony nie mogą przez nią przejść, co powoduje różnicę potencjałów między katodą a anodą. Ze względu na swoją prostotę i niezawodność takie ogniwa paliwowe zostały wykorzystane jako źródło zasilania na załogowym statek kosmiczny Bliźnięta.
Ten rodzaj ogniwa paliwowego jest używany jako źródło zasilania dla szerokiej gamy różne urządzenia, w tym prototypy i prototypy, od telefonów komórkowych po autobusy i stacjonarne systemy zasilania. Niska temperatura pracy pozwala na wykorzystanie takich ogniw do zasilania różnego rodzaju skomplikowanych urządzeń elektronicznych. Mniej efektywne jest ich wykorzystanie jako źródła energii cieplnej i elektrycznej dla budynków użyteczności publicznej i przemysłowych, gdzie wymagane są duże ilości energii cieplnej. Jednocześnie takie elementy są obiecujące jako autonomiczne źródło zasilania dla małych budynków mieszkalnych, takich jak domki budowane w regionach o gorącym klimacie.
| Tabela 2 Rodzaje ogniw paliwowych |
||||||||||||||||||||
|
Ogniwa paliwowe z kwasem fosforowym (PAFC)
Testy tego typu ogniw paliwowych prowadzono już na początku lat 70-tych. Zakres temperatur pracy - 150-200 °C. Głównym obszarem zastosowania są autonomiczne źródła ciepła i energii elektrycznej średniej mocy (ok. 200 kW).
Elektrolit stosowany w tych ogniwach paliwowych to roztwór kwasu fosforowego. Elektrody wykonane są z papieru pokrytego węglem, w którym rozproszony jest katalizator platynowy.
Sprawność elektryczna ogniw paliwowych PAFC wynosi 37-42%. Ponieważ jednak te ogniwa paliwowe działają w wystarczająco wysokiej temperaturze, możliwe jest wykorzystanie pary wytworzonej w wyniku działania. W takim przypadku ogólna wydajność może osiągnąć 80%.
Aby wytworzyć energię, surowiec zawierający wodór musi zostać przekształcony w czysty wodór w procesie reformingu. Na przykład, jeśli jako paliwo stosuje się benzynę, należy usunąć związki siarki, ponieważ siarka może uszkodzić katalizator platynowy.
Ogniwa paliwowe PAFC były pierwszymi komercyjnymi ogniwami paliwowymi, które miały ekonomiczne uzasadnienie. Najpopularniejszym modelem było ogniwo paliwowe PC25 o mocy 200 kW produkowane przez ONSI Corporation (obecnie United Technologies, Inc.) (rys. 13). Na przykład elementy te są wykorzystywane jako źródło ciepła i elektryczności na posterunku policji w nowojorskim Central Parku lub jako dodatkowe źródło energii dla Conde Nast Building i Four Times Square. Największa elektrownia tego typu jest testowana jako elektrownia o mocy 11 MW zlokalizowana w Japonii.
Ogniwa paliwowe na bazie kwasu fosforowego są również wykorzystywane jako źródło energii w pojazdach. Na przykład w 1994 r. H-Power Corp., Georgetown University i Departament Energii USA wyposażyły autobus w elektrownię o mocy 50 kW.
Ogniwa paliwowe ze stopionym węglanem (MCFC)
Ogniwa paliwowe tego typu pracują w bardzo wysokich temperaturach – 600-700 °C. Te temperatury robocze pozwalają na wykorzystanie paliwa bezpośrednio w samym ogniwie, bez potrzeby stosowania oddzielnego reformera. Proces ten nazywa się „reformowaniem wewnętrznym”. Pozwala znacznie uprościć konstrukcję ogniwa paliwowego.
Ogniwa paliwowe na bazie stopionego węglanu wymagają znacznego czasu rozruchu i nie pozwalają na szybką regulację mocy wyjściowej, dlatego ich głównym obszarem zastosowania są duże stacjonarne źródła ciepła i energii elektrycznej. Wyróżnia je jednak wysoka sprawność konwersji paliwa - 60% sprawność elektryczna i do 85% sprawność ogólna.
W tego typu ogniwach paliwowych elektrolit składa się z węglanu potasu i węglanu litu podgrzanych do około 650 °C. W tych warunkach sole są w stanie stopionym, tworząc elektrolit. Na anodzie wodór oddziałuje z jonami CO 3, tworząc wodę, dwutlenek węgla i uwalniając elektrony, które są wysyłane do obwodu zewnętrznego, a na katodzie tlen oddziałuje z dwutlenkiem węgla i elektronami z obwodu zewnętrznego, ponownie tworząc jony CO 3 .
Próbki laboratoryjne ogniw paliwowych tego typu zostały stworzone pod koniec lat pięćdziesiątych przez holenderskich naukowców G. H. J. Broersa i J. A. A. Ketelaara. W latach 60. z tymi pierwiastkami pracował inżynier Francis T. Bacon, potomek słynnego XVII-wiecznego angielskiego pisarza i naukowca, dlatego ogniwa paliwowe MCFC są czasami nazywane elementami Bacon. Programy NASA Apollo, Apollo-Soyuz i Scylab wykorzystywały właśnie takie ogniwa paliwowe jako źródło zasilania (ryc. 14). W tym samym czasie amerykański departament wojskowy przetestował kilka próbek ogniw paliwowych MCFC produkowanych przez Texas Instruments, w których jako paliwo stosowano wojskowe gatunki benzyny. W połowie lat 70. Departament Energii Stanów Zjednoczonych rozpoczął badania nad opracowaniem stacjonarnego ogniwa paliwowego ze stopionym węglanem, nadającego się do zastosowań praktycznych. W latach 90. uruchomiono szereg instalacji komercyjnych o mocy do 250 kW, na przykład w US Naval Air Station Miramar w Kalifornii. W 1996 roku FuelCell Energy, Inc. wprowadzony w operacja próbna Przedseryjna fabryka o mocy 2 MW w Santa Clara w Kalifornii.
Ogniwa paliwowe z tlenkiem stałym (SOFC)
Ogniwa paliwowe z tlenkami półprzewodnikowymi są proste w konstrukcji i działają w bardzo wysokich temperaturach - 700-1000 °C. Tak wysokie temperatury pozwalają na stosowanie stosunkowo „brudnego”, nierafinowanego paliwa. Te same cechy co w ogniwach paliwowych na bazie stopionego węglanu determinują podobny obszar zastosowań – duże stacjonarne źródła ciepła i energii elektrycznej.
Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem różnią się strukturalnie od ogniw paliwowych opartych na technologiach PAFC i MCFC. Anoda, katoda i elektrolit wykonane są ze specjalnych gatunków ceramiki. Najczęściej jako elektrolit stosuje się mieszaninę tlenku cyrkonu i tlenku wapnia, ale można stosować inne tlenki. Elektrolit tworzy sieć krystaliczną pokrytą z obu stron porowatym materiałem elektrodowym. Konstrukcyjnie takie elementy wykonywane są w postaci rurek lub płaskich płytek, co umożliwia wykorzystanie w ich produkcji technologii szeroko stosowanych w przemyśle elektronicznym. W rezultacie ogniwa paliwowe z tlenkiem stałym mogą działać w bardzo wysokich temperaturach, co czyni je korzystnymi zarówno do wytwarzania energii elektrycznej, jak i cieplnej.
W wysokich temperaturach pracy na katodzie tworzą się jony tlenu, które migrują przez sieć krystaliczną do anody, gdzie oddziałują z jonami wodoru, tworząc wodę i uwalniając wolne elektrony. W tym przypadku wodór jest uwalniany z gazu ziemnego bezpośrednio w ogniwie, czyli nie ma potrzeby stosowania oddzielnego reformera.
Teoretyczne podstawy do stworzenia tlenkowych ogniw paliwowych w stanie stałym zostały położone pod koniec lat 30. XX wieku, kiedy szwajcarscy naukowcy Bauer (Emil Bauer) i Preis (H. Preis) eksperymentowali z cyrkonem, itrem, cerem, lantanem i wolframem. jako elektrolity.
Pierwsze prototypy takich ogniw paliwowych zostały stworzone pod koniec lat pięćdziesiątych przez szereg firm amerykańskich i holenderskich. Większość z tych firm wkrótce porzuciła dalsze badania z powodu trudności technologicznych, ale jedna z nich, Westinghouse Electric Corp. (obecnie „Siemens Westinghouse Power Corporation”), kontynuowała pracę. Firma przyjmuje obecnie zamówienia na komercyjny model ogniwa paliwowego ze stałym tlenkiem o topologii rurowej, którego oczekuje się w tym roku (Rysunek 15). Segmentem rynku takich elementów są stacjonarne instalacje do produkcji ciepła i energii elektrycznej o mocy od 250 kW do 5 MW.
Ogniwa paliwowe typu SOFC wykazały bardzo wysoką niezawodność. Na przykład prototyp ogniwa paliwowego Siemens Westinghouse przepracował 16 600 godzin i nadal działa, co czyni go najdłuższym nieprzerwanym okresem eksploatacji ogniwa paliwowego na świecie.
Wysokotemperaturowy, wysokociśnieniowy tryb pracy ogniw paliwowych SOFC umożliwia tworzenie elektrowni hybrydowych, w których emisje z ogniw paliwowych napędzają turbiny gazowe wykorzystywane do wytwarzania energii elektrycznej. Pierwsza taka hybrydowa fabryka działa w Irvine w Kalifornii. Moc znamionowa tej instalacji wynosi 220 kW, z czego 200 kW z ogniwa paliwowego i 20 kW z generatora mikroturbinowego.
Korzyści z ogniw/ogniw paliwowych
Ogniwo paliwowe/ogniwo to urządzenie, które skutecznie generuje prąd stały i ciepło z paliwa bogatego w wodór w wyniku reakcji elektrochemicznej.
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 magazynować energii elektrycznej, nie rozładowują się 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 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/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 i 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 Narodowej Agencji Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej (NASA) na źródła energii do długotrwałych misji kosmicznych. NASA Alkaline Fuel Cell/Cell wykorzystuje wodór i tlen jako paliwo, łącząc je pierwiastek chemiczny w reakcji elektrochemicznej. W rezultacie powstają trzy produkty uboczne reakcji przydatne w lotach kosmicznych - elektryczność do zasilania statku kosmicznego, woda do picia i chłodzenia oraz ciepło do ogrzewania 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 w świecie przemysłowym brakowało oleju opałowego. W tym samym okresie kraje świata również zaniepokoiły się problemem zanieczyszczenia powietrza i rozważały sposoby 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.
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: 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 pozwala na bezpośrednie wykorzystanie gazu ziemnego bez procesora paliwa oraz gazu opałowego o niskiej wartości opałowej z paliw procesowych i 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 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 (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 osiągnięcia 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 są ich niewielkie gabaryty, ze względu na zastosowanie paliwa płynnego, oraz brak konieczności stosowania konwertera.
Alkaliczne ogniwa paliwowe/ogniwa (AFC)
Alkaliczne ogniwa paliwowe należą do najbardziej wydajnych ogniw wykorzystywanych do wytwarzania energii elektrycznej, a sprawność wytwarzania energii sięga 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 katalizator potrzebny na elektrodach może być dowolną substancją tańszą 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. Ponadto szkodliwe dla SFC są cząsteczki takie jak CO, H 2 O i CH4, które są bezpieczne dla innych ogniw paliwowych, a nawet paliwem dla niektórych z nich.
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 elektrociepłownie komunalne są zazwyczaj 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 dla różne rodzaje paliwa węglowodorowe, głównie gaz ziemny
- 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
Ze względu na szybkie rozprzestrzenianie się systemów komunikacja bezprzewodowa na całym świecie, a także rosnących społecznych i ekonomicznych korzyści 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 (ogniwo kwasowo-ołowiowe z regulacją zaworową) zapewniające krótkotrwałe zasilanie awaryjne oraz generatory na olej napędowy i propan zapewniające dłuższe zasilanie awaryjne. Baterie są stosunkowo tanim źródłem zasilania awaryjnego przez 1 do 2 godzin. Jednak akumulatory nie nadają się do dłuższych okresów podtrzymania, ponieważ są drogie w utrzymaniu, stają się zawodne po długim okresie użytkowania, są wrażliwe na temperatury i po utylizacji są niebezpieczne dla środowiska. 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. Niższy koszt na ogniwo paliwowe jest wynikiem zaledwie 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 dla krytycznych infrastruktur sieci komunikacyjnych do komunikacji bezprzewodowej, stałej i szerokopasmowej w systemie telekomunikacyjnym, w zakresie od 250 W do 15 kW, 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 nadal 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 energooszczędnym zasadom projektowania 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/ogniw paliwowych 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 wymagające żywotności 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.
- Dzięki cichej pracy, niskiej wadze, odporności na zmiany temperatury i praktycznie bezwibracyjnej pracy, 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, długotrwałe (do wielu dni) zasilanie awaryjne w zakresie mocy od 250 W do 15 kW, w połączeniu z licznymi niezrównanymi funkcjami, a przede wszystkim: wysoki poziom oszczędzanie energii.
Elektrownie rezerwowe na ogniwa paliwowe oferują liczne korzyści w krytycznych zastosowaniach, 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 paliw odnawialnych. 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 elektrycznej, gdy jest ona generowana przez elektrociepłownie 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 oszczędności 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 wobec obciążenie elektryczne konsumenci, różnica, skok 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
Ogniwo paliwowe to urządzenie do elektrochemicznej konwersji energii, które w reakcji chemicznej przekształca wodór i tlen w energię elektryczną. W wyniku tego procesu powstaje woda i uwalniana jest duża ilość ciepła. Ogniwo paliwowe jest bardzo podobne do akumulatora, który można naładować, a następnie wykorzystać do przechowywania energii elektrycznej.
Za wynalazcę ogniwa paliwowego uważany jest William R. Grove, który wynalazł je w 1839 roku. W tym ogniwie paliwowym jako elektrolit zastosowano roztwór kwasu siarkowego, a jako paliwo wodór, który w połączeniu z tlenem w medium utleniającym. Należy zauważyć, że do niedawna ogniwa paliwowe były używane tylko w laboratoriach i na statkach kosmicznych.
W przyszłości ogniwa paliwowe będą mogły konkurować z wieloma innymi systemami konwersji energii (m.in. turbinami gazowymi w elektrowniach), silnikami spalinowymi w samochodach oraz bateriami elektrycznymi w urządzeniach przenośnych. Silniki spalinowe spalają paliwo i wykorzystują ciśnienie wytworzone przez rozprężanie gazów spalinowych do wykonywania pracy mechanicznej. Baterie przechowują energię elektryczną, a następnie przekształcają ją w energię chemiczną, która w razie potrzeby może zostać ponownie przekształcona w energię elektryczną. Potencjalnie ogniwa paliwowe są bardzo wydajne. Już w 1824 roku francuski naukowiec Carnot udowodnił, że cykle sprężania-rozprężania silnika spalinowego nie mogą zapewnić sprawności przetwarzania energii cieplnej (która jest energią chemiczną spalanego paliwa) na energię mechaniczną powyżej 50%. Ogniwo paliwowe nie ma ruchomych części (przynajmniej nie wewnątrz samego ogniwa), a zatem nie jest zgodne z prawem Carnota. Oczywiście będą miały ponad 50% sprawność i są szczególnie skuteczne przy niskich obciążeniach. W związku z tym pojazdy z ogniwami paliwowymi mogą stać się (i już okazały się) bardziej oszczędne niż pojazdy konwencjonalne w: prawdziwe warunki ruch.
Ogniwo paliwowe generuje prąd stały, który może być wykorzystany do napędzania silnika elektrycznego, opraw oświetleniowych i innych systemów elektrycznych w pojeździe. Istnieje kilka rodzajów ogniw paliwowych, różniących się zastosowanymi procesami chemicznymi. Ogniwa paliwowe są zwykle klasyfikowane według rodzaju używanego elektrolitu. Niektóre typy ogniw paliwowych są obiecujące dla zastosowań w elektrowniach, podczas gdy inne mogą być przydatne do małych urządzeń przenośnych lub do prowadzenia samochodów.
Alkaliczne ogniwo paliwowe jest jednym z najwcześniej opracowanych elementów. Są używane przez amerykański program kosmiczny od lat 60. XX wieku. Takie ogniwa paliwowe są bardzo podatne na zanieczyszczenia i dlatego wymagają bardzo czystego wodoru i tlenu. Ponadto są bardzo drogie, dlatego też ten rodzaj ogniwa paliwowego raczej nie znajdzie szerokiego zastosowania w samochodach.
Ogniwa paliwowe na bazie kwasu fosforowego mogą być stosowane w stacjonarnych instalacjach małej mocy. Działają w dość wysokich temperaturach i dlatego długo się nagrzewają, co również czyni je nieefektywnymi do stosowania w samochodach.
Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem lepiej nadają się do dużych stacjonarnych generatorów prądu, które mogą dostarczać energię elektryczną do fabryk lub społeczności. Ten typ ogniwa paliwowego działa w bardzo wysokich temperaturach (około 1000 °C). Wysoka temperatura pracy stwarza pewne problemy, ale z drugiej strony istnieje korzyść polegająca na tym, że para wytwarzana przez ogniwo paliwowe może być przesyłana do turbin w celu wytworzenia większej ilości energii elektrycznej. Ogólnie poprawia to ogólną wydajność systemu.
Jednym z najbardziej obiecujących systemów jest ogniwo paliwowe z membraną do wymiany protonów - POMFC (PEMFC - Protone Exchange Membrane Fuel Cell). W tej chwili ten rodzaj ogniwa paliwowego jest najbardziej obiecujący, ponieważ może napędzać samochody, autobusy i inne pojazdy.
Procesy chemiczne w ogniwie paliwowym
Ogniwa paliwowe wykorzystują proces elektrochemiczny do łączenia wodoru z tlenem z powietrza. Podobnie jak akumulatory, ogniwa paliwowe wykorzystują elektrody (stałe przewodniki elektryczne) w elektrolicie (środku przewodzącym prąd elektryczny). Kiedy cząsteczki wodoru wchodzą w kontakt z elektrodą ujemną (anodą), ta ostatnia zostaje rozdzielona na protony i elektrony. Protony przechodzą przez membranę wymiany protonów (POM) do elektrody dodatniej (katody) ogniwa paliwowego, wytwarzając energię elektryczną. Istnieje chemiczna kombinacja cząsteczek wodoru i tlenu z tworzeniem się wody, jako produktu ubocznego tej reakcji. Jedynym rodzajem emisji z ogniwa paliwowego jest para wodna.
Energia elektryczna wytwarzana przez ogniwa paliwowe może być wykorzystywana w elektrycznym układzie napędowym pojazdu (składającym się z konwertera mocy elektrycznej i silnika indukcyjnego prądu przemiennego) do dostarczania energii mechanicznej do napędzania pojazdu. Zadaniem konwertera mocy jest przekształcenie prądu stałego wytwarzanego przez ogniwa paliwowe na prąd zmienny, który jest wykorzystywany przez silnik trakcyjny pojazdu.
Schemat ideowy ogniwa paliwowego z membraną do wymiany protonów:
1 - anoda;
2 - membrana wymiany protonów (REM);
3 - katalizator (czerwony);
4 - katoda
Ogniwo paliwowe z membraną do wymiany protonów (PEMFC) wykorzystuje jedną z najprostszych reakcji dowolnego ogniwa paliwowego.
Oddzielne ogniwo paliwowe
Zastanów się, jak działa ogniwo paliwowe. Anoda, ujemny biegun ogniwa paliwowego, przewodzi elektrony, które są uwolnione od cząsteczek wodoru, dzięki czemu można je wykorzystać w zewnętrznym obwodzie elektrycznym (obwodzie). Aby to zrobić, wygrawerowane są w nim kanały, rozprowadzające wodór równomiernie na całej powierzchni katalizatora. Katoda (biegun dodatni ogniwa paliwowego) ma wygrawerowane kanały, które rozprowadzają tlen po powierzchni katalizatora. Przewodzi również elektrony z powrotem z obwodu zewnętrznego (obwodu) do katalizatora, gdzie mogą łączyć się z jonami wodoru i tlenem, tworząc wodę. Elektrolit jest membraną do wymiany protonów. Jest to specjalny materiał, podobny do zwykłego plastiku, ale z możliwością przepuszczania dodatnio naładowanych jonów i blokowania przejścia elektronów.
Katalizator to specjalny materiał, który ułatwia reakcję tlenu z wodorem. Katalizator jest zwykle wykonany z proszku platyny osadzonego w bardzo cienkiej warstwie na kalce lub tkaninie. Katalizator musi być szorstki i porowaty, aby jego powierzchnia w jak największym stopniu stykała się z wodorem i tlenem. Strona katalizatora pokryta platyną znajduje się przed membraną wymiany protonów (POM).
Gazowy wodór (H 2 ) dostarczany jest do ogniwa paliwowego pod ciśnieniem od strony anody. Kiedy cząsteczka H2 wchodzi w kontakt z platyną na katalizatorze, dzieli się na dwie części, dwa jony (H+) i dwa elektrony (e–). Elektrony przechodzą przez anodę, gdzie przechodzą przez obwód zewnętrzny (obwód), wykonując użyteczna praca(na przykład napędzanie silnika) i zawracane od strony katodowej ogniwa paliwowego.
Tymczasem od strony katodowej ogniwa paliwowego gazowy tlen (O 2 ) jest przepychany przez katalizator, gdzie tworzy dwa atomy tlenu. Każdy z tych atomów ma silny ładunek ujemny, który przyciąga dwa jony H+ przez błonę, gdzie łączą się z atomem tlenu i dwoma elektronami z zewnętrznej pętli (łańcucha), tworząc cząsteczkę wody (H 2 O).
Ta reakcja w pojedynczym ogniwie paliwowym wytwarza moc około 0,7 wata. Aby podnieść moc do wymaganego poziomu, konieczne jest połączenie wielu pojedynczych ogniw paliwowych w stos ogniw paliwowych.
Ogniwa paliwowe POM pracują w stosunkowo niskiej temperaturze (ok. 80°C), co oznacza, że można je szybko nagrzać do temperatury roboczej i nie wymagają drogich układów chłodzenia. Ciągłe doskonalenie technologii i materiałów użytych w tych ogniwach zbliżyło ich moc do poziomu, w którym bateria takich ogniw paliwowych, zajmująca niewielką część bagażnika samochodu, może dostarczyć energię potrzebną do prowadzenia samochodu.
W ciągu ostatnich lat większość wiodących światowych producentów samochodów zainwestowała znaczne środki w rozwój projektów samochodów wykorzystujących ogniwa paliwowe. Wiele z nich już zademonstrowało pojazdy na ogniwa paliwowe o zadowalającej mocy i charakterystyce dynamicznej, chociaż były one dość drogie.
Doskonalenie konstrukcji takich samochodów jest bardzo intensywne.
Pojazd z ogniwami paliwowymi, wykorzystuje elektrownię umieszczoną pod podłogą pojazdu
Pojazd NECAR V bazuje na pojeździe Mercedes-Benz klasy A, w którym cała elektrownia wraz z ogniwami paliwowymi znajduje się pod podłogą pojazdu. Takie konstruktywne rozwiązanie pozwala pomieścić w aucie czterech pasażerów i bagaż. Tutaj nie wodór, ale metanol jest używany jako paliwo do samochodu. Metanol za pomocą reformera (urządzenia, które przekształca metanol w wodór) jest przekształcany w wodór, który jest niezbędny do zasilania ogniwa paliwowego. Zastosowanie reformera na pokładzie samochodu umożliwia wykorzystanie prawie każdego węglowodoru jako paliwa, co umożliwia tankowanie samochodu na ogniwa paliwowe przy wykorzystaniu istniejącej sieci stacji paliw. Teoretycznie ogniwa paliwowe wytwarzają wyłącznie energię elektryczną i wodę. Przekształcenie paliwa (benzyny lub metanolu) w wodór wymagany do ogniwa paliwowego nieco zmniejsza atrakcyjność dla środowiska takiego pojazdu.
Honda, która działa w branży ogniw paliwowych od 1989 roku, wyprodukowała w 2003 roku niewielką partię pojazdów Hondy FCX-V4 z membranowymi ogniwami paliwowymi firmy Ballard z wymianą protonów. Te ogniwa paliwowe generują 78 kW mocy elektrycznej, a do napędu kół napędowych wykorzystywane są silniki trakcyjne o mocy 60 kW i momencie obrotowym 272 N m. Posiada doskonałą dynamikę, a zasilanie sprężonym wodorem umożliwia jazdę do 355 km.
Honda FCX wykorzystuje energię ogniwa paliwowego do napędzania się.
Honda FCX jest pierwszym na świecie pojazdem na ogniwa paliwowe, który otrzymał rządowy certyfikat w Stanach Zjednoczonych. Samochód posiada certyfikat ZEV - Zero Emission Vehicle (pojazd o zerowej emisji zanieczyszczeń). Honda nie zamierza jeszcze sprzedawać tych samochodów, ale leasinguje około 30 samochodów na jednostkę. Kalifornia i Tokio, gdzie infrastruktura paliw wodorowych już istnieje.
Samochód koncepcyjny Hy Wire firmy General Motors ma elektrownię zasilaną ogniwami paliwowymi
Duże badania nad rozwojem i tworzeniem pojazdów z ogniwami paliwowymi prowadzi General Motors.
Podwozie pojazdu Hy Wire
Samochód koncepcyjny GM Hy Wire otrzymał 26 patentów. Podstawą auta jest funkcjonalna platforma o grubości 150 mm. Wewnątrz platformy znajdują się butle z wodorem, elektrownia zasilana ogniwami paliwowymi i systemy sterowania pojazdem wykorzystujące najnowsza technologia sterowanie elektroniczne przewodowe. Podwozie samochodu Hy Wire to cienka platforma, która zawiera wszystkie główne elementy konstrukcyjne samochodu: butle wodorowe, ogniwa paliwowe, akumulatory, silniki elektryczne i systemy sterowania. Takie podejście do projektowania umożliwia wymianę karoserii w trakcie eksploatacji, a także testuje eksperymentalne pojazdy Opla z ogniwami paliwowymi i projektuje zakład produkcji ogniw paliwowych.
Projekt „bezpiecznego” zbiornika paliwa na skroplony wodór:
1 - urządzenie do napełniania;
2 - zbiornik zewnętrzny;
3 - podpory;
4 - czujnik poziomu;
5 - zbiornik wewnętrzny;
6 - linia do napełniania;
7 - izolacja i próżnia;
8 - grzejnik;
9 - puszka montażowa
Problem wykorzystania wodoru jako paliwa do samochodów poświęca wiele uwagi BMW. Wraz z Magną Steyer, znaną z prac nad wykorzystaniem skroplonego wodoru w badaniach kosmicznych, BMW opracowało zbiornik na skroplony wodór, który można stosować w samochodach.
Testy potwierdziły bezpieczeństwo użytkowania zbiornika paliwa z ciekłym wodorem
Firma przeprowadziła szereg testów bezpieczeństwa konstrukcji według standardowych metod i potwierdziła jej niezawodność.
W 2002 roku na targach motoryzacyjnych we Frankfurcie (Niemcy) został pokazany Mini Cooper Hydrogen, który jako paliwo wykorzystuje skroplony wodór. Zbiornik paliwa tego samochodu zajmuje tyle samo miejsca, co konwencjonalny zbiornik gazu. Wodór w tym samochodzie nie jest wykorzystywany do ogniw paliwowych, ale jako paliwo do silników spalinowych.
Pierwszy na świecie masowo produkowany samochód z ogniwem paliwowym zamiast akumulatora
W 2003 roku BMW ogłosiło wprowadzenie na rynek pierwszego masowo produkowanego pojazdu z ogniwami paliwowymi, BMW 750 hL. Zamiast tradycyjnej baterii stosuje się ogniwo paliwowe. Ten samochód ma 12-cylindrowy silnik spalinowy zasilany wodorem, a ogniwo paliwowe służy jako alternatywa dla konwencjonalnego akumulatora, pozwalając klimatyzatorowi i innym odbiornikom pracować, gdy samochód jest zaparkowany przez długi czas z wyłączonym silnikiem.
Tankowanie wodoru odbywa się za pomocą robota, kierowca nie bierze udziału w tym procesie
Ta sama firma BMW opracowała również zrobotyzowane dystrybutory paliwa, które zapewniają szybkie i bezpieczne tankowanie samochodów skroplonym wodorem.
Pojawienie się w ostatnich latach dużej liczby zmian mających na celu tworzenie pojazdów wykorzystujących paliwa alternatywne i alternatywne elektrownie sugeruje, że silniki spalinowe, które dominowały w samochodach przez ostatnie stulecie, ostatecznie ustąpią miejsca czystszym, wydajniejszym i cichszym projektom. Ich powszechne stosowanie jest obecnie ograniczone nie tyle kwestiami technicznymi, co ekonomicznymi i problemy społeczne. Dla ich powszechnego wykorzystania konieczne jest stworzenie pewnej infrastruktury dla rozwoju produkcji paliw alternatywnych, tworzenie i dystrybucja nowych stacji benzynowych oraz pokonanie szeregu barier psychologicznych. Stosowanie wodoru jako paliwa samochodowego będzie wymagało rozwiązania problemów związanych z przechowywaniem, dostawą i dystrybucją z zastosowaniem poważnych środków bezpieczeństwa.
Teoretycznie wodór jest dostępny w nieograniczonych ilościach, ale jego produkcja jest bardzo energochłonna. Dodatkowo, aby przestawić auta na pracę na paliwie wodorowym, trzeba dokonać dwóch dużych zmian w układzie zasilania: najpierw z benzyny na metanol, a potem przez jakiś czas na wodór. Minie trochę czasu, zanim ten problem zostanie rozwiązany.
