A mobil elektronika évről évre, ha nem hónapról hónapra válik elérhetőbbé és elterjedtebbé. Itt laptopokat, PDA-kat, digitális fényképezőgépeket, mobiltelefonokat és még sok más hasznos és kevésbé hasznos eszközt talál. Mindezek az eszközök pedig folyamatosan új funkciókat, erősebb processzorokat, nagyobb színes képernyőket, vezeték nélküli kommunikációt szereznek, miközben méretük csökken. Ám a félvezető technológiákkal ellentétben az energiatechnológiák ebben az egész mobilmenagesében nem fejlődnek ugrásszerűen.

A hagyományos akkumulátorok és újratölthető akkumulátorok egyértelműen elégtelennek bizonyulnak az elektronikai ipar legújabb fejleményeinek táplálására bármilyen jelentős ideig. Megbízható és nagy kapacitású akkumulátorok nélkül pedig a mobilitás és a vezeték nélküliség lényege elveszik. A számítógépipar tehát egyre aktívabban dolgozik a problémán alternatív energiaforrások. És ma itt a legígéretesebb irány üzemanyagcellák.

Az üzemanyagcellák működési elvét Sir William Grove brit tudós fedezte fel 1839-ben. Az "üzemanyagcella" atyjaként ismert. William Grove elektromos áramot termelt a hidrogén és az oxigén kinyerése érdekében. Miután leválasztotta az akkumulátort az elektrolitikus celláról, Grove meglepődve tapasztalta, hogy az elektródák elkezdték elnyelni a felszabaduló gázt és áramot termelni. Egy folyamat megnyitása a hidrogén elektrokémiai "hideg" égetése Az energiaipar jelentős eseményévé vált, majd olyan híres elektrokémikusok, mint Ostwald és Nernst, nagy szerepet játszottak az üzemanyagcellák elméleti alapjainak kidolgozásában és gyakorlati megvalósításában, és nagy jövőt jósoltak számukra.

Magamat "üzemanyagcella" kifejezés később jelent meg - 1889-ben javasolta Ludwig Mond és Charles Langer, akik olyan eszközt próbáltak létrehozni, amely levegőből és széngázból villamos energiát állít elő.

Az oxigénben történő normál égés során a szerves tüzelőanyag oxidációja következik be, és az üzemanyag kémiai energiája nem hatékonyan alakul át hőenergiává. De kiderült, hogy lehetséges az oxidációs reakció, például a hidrogén és az oxigén, elektrolit környezetben, és elektródák jelenlétében elektromos áram előállítása. Például egy lúgos közegben elhelyezkedő elektróda hidrogénnel történő ellátásával elektronokat kapunk:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

amelyek a külső áramkörön áthaladva a szemközti elektródára érkeznek, amelyre oxigén áramlik és ahol a reakció végbemegy: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

Látható, hogy a létrejövő 2H2 + O2 → H2O reakció ugyanaz, mint a hagyományos égés során, de üzemanyagcellában, vagy más módon - elektrokémiai generátor, az eredmény nagy hatásfokú elektromos áram és részben hő. Vegye figyelembe, hogy az üzemanyagcellák tüzelőanyagként szenet, szén-monoxidot, alkoholokat, hidrazint és más szerves anyagokat, oxidálószerként pedig levegőt, hidrogén-peroxidot, klórt, brómot, salétromsavat stb.

Az üzemanyagcellák fejlesztése erőteljesen folytatódott külföldön és Oroszországban, majd a Szovjetunióban is. Az üzemanyagcellák tanulmányozásában nagymértékben hozzájáruló tudósok közül V. Jaco, P. Yablochkov, F. Bacon, E. Bauer, E. Justi, K. Cordesh említhető. A múlt század közepén új támadás kezdődött az üzemanyagcella-problémák ellen. Ez részben annak köszönhető, hogy a védelmi kutatások eredményeként új ötletek, anyagok és technológiák születtek.

Az egyik tudós, aki jelentős lépést tett az üzemanyagcellák fejlesztésében, P. M. Spiridonov volt. Spiridonov hidrogén-oxigén elemei 30 mA/cm2 áramsűrűséget adott, ami akkoriban nagy eredménynek számított. A negyvenes években O. Davtyan egy berendezést hozott létre a szén elgázosításával nyert generátorgáz elektrokémiai elégetésére. Davtyan minden egyes köbméter elemtérfogat után 5 kW teljesítményt kapott.

Ez volt első szilárd elektrolit üzemanyagcella. Nagy hatásfokú volt, de idővel az elektrolit használhatatlanná vált és cserélni kellett. Ezt követően Davtyan az ötvenes évek végén egy olyan erőteljes berendezést hozott létre, amely meghajtja a traktort. Ugyanebben az években T. Bacon angol mérnök tervezett és épített egy 6 kW összteljesítményű, 80%-os hatásfokú tüzelőanyag-cella akkumulátort, amely tiszta hidrogénnel és oxigénnel működik, de a teljesítmény/tömeg arány a az akkumulátor túl kicsinek bizonyult - az ilyen elemek alkalmatlanok voltak a gyakorlati használatra és túl drágák.

A következő években a magányosok ideje elmúlt. Az űrrepülőgépek alkotói érdeklődtek az üzemanyagcellák iránt. A 60-as évek közepe óta dollármilliókat fektettek be az üzemanyagcella-kutatásba. Tudósok és mérnökök ezreinek munkája tette lehetővé, hogy új szintre lépjünk, és 1965. Az üzemanyagcellákat az Egyesült Államokban tesztelték a Gemini 5 űrszondán, majd később az Apollo űrszondán a Holdra való repülésekhez és a Shuttle program keretében.

A Szovjetunióban az NPO Kvantnál üzemanyagcellákat fejlesztettek ki, szintén az űrben való használatra. Ezekben az években már új anyagok jelentek meg - ioncserélő membránon alapuló szilárd polimer elektrolitok, új típusú katalizátorok, elektródák. Ennek ellenére az üzemi áramsűrűség kicsi volt - 100-200 mA/cm2 tartományban, és az elektródák platinatartalma több g/cm2 volt. Sok probléma volt a tartóssággal, stabilitással és biztonsággal kapcsolatban.

Az üzemanyagcellák gyors fejlődésének következő szakasza a 90-es években kezdődött. múlt században és a mai napig tart. Ennek oka az új, hatékony energiaforrások iránti igény, egyrészt a fosszilis tüzelőanyagok elégetése során növekvő üvegházhatású gázok kibocsátásának globális környezeti problémájával, másrészt az ilyen tüzelőanyag-készletek kimerülésével összefüggésben. . Mivel az üzemanyagcellában a hidrogén égésének végterméke víz, ezért környezeti hatásuk szempontjából ezeket tekintik a legtisztábbnak. A fő probléma csupán az, hogy hatékony és olcsó módot találjunk a hidrogén előállítására.

Az üzemanyagcellák és hidrogéngenerátorok fejlesztésébe fektetett több milliárd dolláros pénzügyi befektetésnek technológiai áttörést kell elérnie, és valóra kell váltania a mindennapi életben való felhasználásukat: mobiltelefonok celláiban, autókban, erőművekben. Az olyan autóipari óriáscégek, mint a Ballard, a Honda, a Daimler Chrysler és a General Motors már most is bemutatnak 50 kW teljesítményű üzemanyagcellás autókat és buszokat. Számos cég fejlődött demonstrációs erőművek szilárd oxid-elektrolittal működő tüzelőanyag-cellákat használva, legfeljebb 500 kW teljesítménnyel. Az üzemanyagcellák jellemzőinek javításában elért jelentős áttörés ellenére azonban a költségekkel, megbízhatóságukkal és biztonságukkal kapcsolatos számos problémát még meg kell oldani.

Az üzemanyagcellában, az elemektől és akkumulátoroktól eltérően, az üzemanyagot és az oxidálószert kívülről táplálják be. Az üzemanyagcella csupán közvetíti a reakciót, és ideális körülmények között gyakorlatilag örökké működhet. Ennek a technológiának az a szépsége, hogy a cella valójában tüzelőanyagot éget el, és a felszabaduló energiát közvetlenül elektromos árammá alakítja. A tüzelőanyag közvetlen elégetésekor oxigénnel oxidálódik, és a felszabaduló hőt hasznos munkára használják fel.

Az üzemanyagcellában, akárcsak az akkumulátorokban, az üzemanyag-oxidáció és az oxigénredukció reakciói térben elkülönülnek, és az „égés” folyamata csak akkor megy végbe, ha a cella árammal látja el a terhelést. Ez csak olyan dízel elektromos generátor, csak dízel és generátor nélkül. Ráadásul füst, zaj, túlmelegedés nélkül és sokkal nagyobb hatásfokkal. Ez utóbbi azzal magyarázható, hogy egyrészt nincsenek köztes mechanikai eszközök, másrészt az üzemanyagcella nem hőmotor, és ennek következtében nem engedelmeskedik a Carnot-törvénynek (vagyis a hatékonyságát nem a a hőmérséklet különbség).

Az oxigént oxidálószerként használják az üzemanyagcellákban. Sőt, mivel elegendő oxigén van a levegőben, nem kell aggódni az oxidálószer utánpótlás miatt. Ami az üzemanyagot illeti, az hidrogén. Tehát a reakció az üzemanyagcellában megy végbe:

2H2 + O2 → 2H2O + villamos energia + hő.

Az eredmény hasznos energia és vízgőz. Szerkezetében a legegyszerűbb az protoncserélő membrán üzemanyagcella(lásd 1. ábra). Működése a következő: az elembe kerülő hidrogén katalizátor hatására elektronokra és pozitív töltésű hidrogénionokra H+ bomlik. Ezután egy speciális membrán lép működésbe, amely elektrolit szerepét tölti be egy hagyományos akkumulátorban. Kémiai összetétele miatt átengedi a protonokat, de megtartja az elektronokat. Így az anódon felhalmozódott elektronok többlet negatív töltést, a hidrogénionok pedig pozitív töltést hoznak létre a katódon (az elem feszültsége kb. 1V).

A nagy teljesítmény létrehozásához egy üzemanyagcellát sok cellából állítanak össze. Ha egy elemet egy terheléshez csatlakoztat, az elektronok átfolynak rajta a katódra, áramot hozva létre, és befejezik a hidrogén oxigénnel történő oxidációját. A szénszálra lerakódott platina mikrorészecskéket általában katalizátorként használják az ilyen üzemanyagcellákban. Szerkezetéből adódóan egy ilyen katalizátor jól átengedi a gázt és az elektromosságot. A membrán általában a Nafion kéntartalmú polimerből készül. A membrán vastagsága tizedmilliméter. A reakció során természetesen hő is felszabadul, de nem annyira, így az üzemi hőmérséklet 40-80°C körül marad.

1. ábra. Az üzemanyagcella működési elve

Vannak más típusú üzemanyagcellák is, amelyek főként a felhasznált elektrolit típusában különböznek. Szinte mindegyikhez hidrogénre van szükség üzemanyagként, így felmerül a logikus kérdés: hol lehet beszerezni. Természetesen lehetséges lenne palackokból sűrített hidrogént használni, de azonnal problémák merülnek fel ennek a nagyon gyúlékony gáznak a nagy nyomáson történő szállításával és tárolásával kapcsolatban. A hidrogén természetesen kötött formában is használható, mint a fémhidrid akkumulátorokban. Kitermelésének és szállításának feladata azonban továbbra is fennáll, mert a hidrogén-tankoláshoz nem létezik infrastruktúra.

Azonban itt is van megoldás - folyékony szénhidrogén üzemanyagot lehet használni hidrogénforrásként. Például etil- vagy metil-alkohol. Igaz, ehhez speciális kiegészítő eszközre van szükség - egy üzemanyag-átalakítóra, amely magas hőmérsékleten (metanol esetében körülbelül 240 ° C lesz) az alkoholokat gázhalmazállapotú H2 és CO2 keverékévé alakítja. De ebben az esetben már nehezebb a hordozhatóságra gondolni - az ilyen eszközöket jó helyhez kötötten vagy helyhez kötötten használni, de a kompakt mobil berendezésekhez valami kevésbé terjedelmesre van szükség.

És itt elérkeztünk pontosan ahhoz az eszközhöz, amelyet szinte az összes legnagyobb elektronikai gyártó iszonyatos erővel fejleszt - metanol üzemanyagcella(2. ábra).

2. ábra. A metanol üzemanyagcella működési elve

A hidrogén és a metanol üzemanyagcellák közötti alapvető különbség az alkalmazott katalizátor. A metanol üzemanyagcellában lévő katalizátor lehetővé teszi a protonok közvetlen eltávolítását az alkoholmolekulából. Így az üzemanyaggal kapcsolatos probléma megoldódott - a metil-alkoholt tömegesen állítják elő a vegyipar számára, könnyen tárolható és szállítható, a metanol üzemanyagcella töltéséhez pedig elegendő az üzemanyagpatron cseréje. Igaz, van egy jelentős hátránya - a metanol mérgező. Ráadásul a metanolos üzemanyagcellák hatásfoka lényegesen alacsonyabb, mint a hidrogéneké.

Rizs. 3. Metanol üzemanyagcella

A legcsábítóbb lehetőség az etil-alkohol üzemanyagként való felhasználása, mivel a bármilyen összetételű és erősségű alkoholos italok gyártása és forgalmazása világszerte jól ismert. Az etanolos üzemanyagcellák hatékonysága azonban sajnos még a metanolosokénál is alacsonyabb.

Amint az az üzemanyagcella-fejlesztés sokéves fejlesztése során megfigyelhető, különféle típusú üzemanyagcellákat építettek. Az üzemanyagcellákat elektrolit és üzemanyag típus szerint osztályozzák.

1. Szilárd polimer hidrogén-oxigén elektrolit.

2. Szilárd polimer metanol üzemanyagcellák.

3. Alkáli elektrolit cellák.

4. Foszforsav üzemanyagcellák.

5. Olvadt karbonát alapú tüzelőanyag-elemek.

6. Szilárd oxid üzemanyagcellák.

Ideális esetben az üzemanyagcellák hatásfoka nagyon magas, de valós körülmények között vannak olyan veszteségek, amelyek a nem egyensúlyi folyamatokhoz kapcsolódnak, mint például: az elektrolit és az elektródák fajlagos vezetőképességéből adódó ohmos veszteségek, az aktiválási és koncentrációs polarizáció, valamint a diffúziós veszteségek. Ennek eredményeként az üzemanyagcellákban termelt energia egy része hővé alakul. A szakemberek erőfeszítései ezen veszteségek csökkentését célozzák.

Az ohmos veszteségek fő forrása, valamint az üzemanyagcellák magas árának oka a perfluorozott szulfonos kationcserélő membránok. Jelenleg folyik a kutatás alternatív, olcsóbb protonvezető polimerek után. Mivel ezeknek a membránoknak (szilárd elektrolitoknak) a vezetőképessége csak víz jelenlétében ér el elfogadható értéket (10 Ohm/cm), az üzemanyagcellába szállított gázokat speciális berendezésben kiegészítőleg nedvesíteni kell, ami szintén megnöveli az üzemanyagcella költségét. rendszer. A katalitikus gázdiffúziós elektródák főként platinát és néhány más nemesfémet használnak, és ez idáig nem találtak pótlást. Bár az üzemanyagcellák platinatartalma több mg/cm2, nagy akkumulátorok esetén mennyisége eléri a tíz grammot.

Az üzemanyagcellák tervezésénél nagy figyelmet fordítanak a hőelvezető rendszerre, mivel nagy áramsűrűségnél (akár 1A/cm2) a rendszer önmelegszik. A hűtéshez vizet használnak, amely speciális csatornákon keresztül kering az üzemanyagcellában, alacsony teljesítmény mellett pedig levegőt fújnak.

Tehát egy modern elektrokémiai generátorrendszer az üzemanyagcellás akkumulátoron kívül számos segédeszközzel „benőtt”, mint például: szivattyúk, kompresszor levegőellátáshoz, hidrogén befecskendezése, gáz-párásító, hűtőegység, gáz. szivárgásfigyelő rendszer, DC-AC konverter, vezérlő processzor stb. Mindez oda vezet, hogy 2004-2005-ben egy üzemanyagcellás rendszer költsége 2-3 ezer $/kW volt. Szakértők szerint az üzemanyagcellák 50-100 dollár/kW áron válnak majd használhatóvá a közlekedésben és a helyhez kötött erőművekben.

Ahhoz, hogy az üzemanyagcellákat bevezessék a mindennapi életbe, az olcsóbb alkatrészek mellett új, eredeti ötletekre és megközelítésekre kell számítanunk. Különösen a nanoanyagok és nanotechnológiák használatához fűznek nagy reményeket. Például a közelmúltban több vállalat bejelentette ultrahatékony katalizátorok létrehozását, különösen oxigénelektródákhoz, amelyek különböző fémekből származó nanorészecskék klaszterein alapulnak. Ezenkívül beszámoltak olyan membrán nélküli üzemanyagcellákról, amelyekben folyékony üzemanyagot (például metanolt) táplálnak be az üzemanyagcellába egy oxidálószerrel együtt. Érdekes továbbá a szennyezett vizekben működő, oldott levegő oxigénjét oxidálószerként, szerves szennyeződéseket üzemanyagként fogyasztó bioüzemanyag cellák kidolgozása.

Szakértők szerint az üzemanyagcellák a következő években belépnek a tömegpiacra. Valójában a fejlesztők egymás után legyőzik a technikai problémákat, sikerekről számolnak be, és bemutatják az üzemanyagcellák prototípusait. Például a Toshiba bemutatta egy metanol üzemanyagcella kész prototípusát. Mérete 22x56x4,5 mm, teljesítménye pedig kb. 100mW. Egy utántöltés 2 kocka tömény (99,5%) metanolból elegendő az MP3 lejátszó 20 órás működéséhez. A Toshiba kereskedelmi forgalomba hozott üzemanyagcellát mobiltelefonok táplálására. Ugyanez a Toshiba ismét bemutatott egy 275x75x40 mm-es laptopok táplálására szolgáló cellát, amely lehetővé teszi a számítógép 5 órán keresztüli működését egyetlen töltéssel.

Egy másik japán cég, a Fujitsu nem sokkal marad el a Toshibától. 2004-ben egy olyan elemet is bevezetett, amely 30%-os vizes metanol oldatban működik. Ez az üzemanyagcella egy 300 ml-es töltéssel 10 órán át működött, és 15 W teljesítményt adott.

A Casio olyan üzemanyagcellát fejleszt, amelyben a metanolt először H2 és CO2 gázok keverékévé alakítják át egy miniatűr üzemanyag-átalakítóban, majd betáplálják az üzemanyagcellába. A demonstráció során a Casio prototípusa 20 órán keresztül táplált egy laptopot.

A Samsung az üzemanyagcellák területén is letette névjegyét – 2004-ben bemutatta 12 W-os prototípusát, amelyet laptopok meghajtására terveztek. Általánosságban elmondható, hogy a Samsung elsősorban a negyedik generációs okostelefonokban tervezi az üzemanyagcellák használatát.

Meg kell mondani, hogy a japán vállalatok általában nagyon alapos megközelítést alkalmaztak az üzemanyagcellák fejlesztésében. Még 2003-ban olyan vállalatok, mint a Canon, a Casio, a Fujitsu, a Hitachi, a Sanyo, a Sharp, a Sony és a Toshiba egyesítették erőiket, hogy egységes üzemanyagcellás szabványt dolgozzanak ki laptopok, mobiltelefonok, PDA-k és egyéb elektronikus eszközök számára. Az amerikai cégek, amelyekből szintén sok van ezen a piacon, többnyire a katonasággal kötött szerződések alapján dolgoznak, és az amerikai katonák villamosítására fejlesztenek üzemanyagcellákat.

A németek sem maradnak le – a Smart Fuel Cell cég üzemanyagcellákat ad el egy mobil iroda működtetésére. Az eszköz neve Smart Fuel Cell C25, méretei 150x112x65mm, és feltöltéssel akár 140 wattórát is képes leadni. Ez körülbelül 7 órán keresztül elegendő a laptop áramellátásához. Ezután a patron cserélhető, és folytathatja a munkát. A metanolos patron mérete 99x63x27 mm, súlya 150g. Maga a rendszer 1,1 kg tömegű, így nem nevezhető teljesen hordozhatónak, de így is teljesen komplett és kényelmes készülék. A cég emellett üzemanyag-modult is fejleszt a professzionális videokamerák táplálására.

Általánosságban elmondható, hogy az üzemanyagcellák majdnem beléptek a mobil elektronikai piacra. A gyártóknak még az utolsó műszaki problémákat is meg kell oldaniuk a tömeggyártás megkezdése előtt.

Először is meg kell oldani az üzemanyagcellák miniatürizálásának kérdését. Végtére is, minél kisebb az üzemanyagcella, annál kevesebb energiát tud termelni - ezért folyamatosan fejlesztenek új katalizátorokat és elektródákat, amelyek lehetővé teszik a munkafelület maximalizálását kis méretekkel. Itt jönnek nagyon jól a legújabb fejlesztések a nanotechnológia és a nanoanyagok (például nanocsövek) területén. Ismételten, az elemek (üzemanyag- és vízszivattyúk, hűtő- és üzemanyag-átalakító rendszerek) csövezésének miniatürizálására egyre gyakrabban alkalmazzák a mikroelektromechanika vívmányait.

A második fontos probléma, amellyel foglalkozni kell, az ár. Végül is a legtöbb üzemanyagcellában a nagyon drága platinát használják katalizátorként. A gyártók egy része ismét megpróbálja a legtöbbet kihozni a már jól bevált szilíciumtechnológiából.

Ami az üzemanyagcellák egyéb felhasználási területeit illeti, az üzemanyagcellák ott már meglehetősen szilárdan megállják helyüket, bár még nem váltak általánossá sem az energiaszektorban, sem a közlekedésben. Már sok autógyártó bemutatta üzemanyagcellás koncepcióautóját. Üzemanyagcellás buszok közlekednek a világ több városában. A Canadian Ballard Power Systems egy sor helyhez kötött generátort gyárt 1-től 250 kW-ig. Ugyanakkor a kilowattgenerátorokat úgy tervezték, hogy egy lakást azonnal lássanak el árammal, hővel és meleg vízzel.

Benzintank ( Benzintank) egy olyan eszköz, amely a kémiai energiát elektromos energiává alakítja. Elvében hasonló a hagyományos akkumulátorhoz, de abban különbözik, hogy működéséhez állandó kívülről származó anyagellátás szükséges ahhoz, hogy az elektrokémiai reakció létrejöjjön. Hidrogént és oxigént juttatnak az üzemanyagcellákba, a kimenő teljesítmény pedig elektromos áram, víz és hő. Előnyük a környezetbarátság, a megbízhatóság, a tartósság és a könnyű kezelhetőség. A hagyományos akkumulátoroktól eltérően az elektrokémiai konverterek gyakorlatilag korlátlan ideig működhetnek, amíg üzemanyaggal van ellátva. Nem kell órákig tölteni, amíg teljesen fel nem töltődnek. Sőt, maguk a cellák is tölthetik az akkumulátort, miközben az autó leállított motorral parkol.

A hidrogénes járművekben legszélesebb körben használt üzemanyagcellák a proton membrán üzemanyagcellák (PEMFC) és a szilárd oxid üzemanyagcellák (SOFC).

A protoncserélő membrán üzemanyagcella a következőképpen működik. Az anód és a katód között egy speciális membrán és egy platina bevonatú katalizátor található. Az anódhoz hidrogént, a katódra pedig oxigént (például levegőből) juttatnak. Az anódnál a hidrogén katalizátor segítségével protonokra és elektronokra bomlik. A hidrogén protonok áthaladnak a membránon és elérik a katódot, az elektronok pedig a külső áramkörbe kerülnek (a membrán nem engedi áthaladni). Az így kapott potenciálkülönbség elektromos áram keletkezéséhez vezet. A katód oldalon a hidrogén protonjait oxigén oxidálja. Ennek eredményeként megjelenik a vízgőz, amely az autók kipufogógázainak fő eleme. A nagy hatékonysággal rendelkező PEM celláknak van egy jelentős hátránya - működésükhöz tiszta hidrogén szükséges, amelynek tárolása meglehetősen komoly probléma.

Ha találnak egy ilyen katalizátort, amely helyettesíti a drága platinát ezekben a cellákban, akkor azonnal létrejön egy olcsó üzemanyagcella az elektromos áram előállítására, ami azt jelenti, hogy a világ megszabadul az olajfüggőségtől.

Szilárd oxid cellák

A szilárd oxid SOFC cellák sokkal kevésbé igénylik az üzemanyag tisztaságát. Ezenkívül a POX reformer (Partial Oxidation) használatának köszönhetően az ilyen cellák normál benzint fogyaszthatnak üzemanyagként. A benzin közvetlenül villamos energiává alakításának folyamata a következő. Egy speciális eszközben - egy reformerben, körülbelül 800 ° C hőmérsékleten a benzin elpárolog és alkotóelemekre bomlik.

Így hidrogén és szén-dioxid szabadul fel. Továbbá, a hőmérséklet hatására és közvetlenül a SOFC (cirkónium-oxid alapú porózus kerámiaanyagból álló) felhasználásával a hidrogént a levegő oxigénje oxidálja. A hidrogén benzinből történő kinyerése után a folyamat a fent leírt forgatókönyv szerint folytatódik, egyetlen különbséggel: a SOFC üzemanyagcella a hidrogénnel működő berendezésekkel ellentétben kevésbé érzékeny az eredeti tüzelőanyagban lévő szennyeződésekre. Tehát a benzin minősége nem befolyásolhatja az üzemanyagcella teljesítményét.

A SOFC magas üzemi hőmérséklete (650-800 fok) jelentős hátrány, hogy a felmelegedési folyamat körülbelül 20 percig tart. De a felesleges hő nem probléma, mivel azt a reformer és maga az üzemanyagcella által termelt maradék levegő és kipufogógázok teljesen eltávolítják. Ez lehetővé teszi, hogy a SOFC rendszer különálló eszközként, hőszigetelt házban integrálható a járműbe.

A moduláris felépítés lehetővé teszi a szükséges feszültség elérését szabványos cellák sorba kapcsolásával. És ami talán a legfontosabb az ilyen eszközök megvalósítása szempontjából, a SOFC nem tartalmaz túl drága platinaalapú elektródákat. Ezen elemek magas ára az egyik akadálya a PEMFC technológia fejlesztésének és elterjesztésének.

Az üzemanyagcellák típusai

Jelenleg a következő típusú üzemanyagcellák léteznek:

• A.F.C.– Alkaline Fuel Cell (lúgos üzemanyagcella);
• PAFC– Foszforsav üzemanyagcella (foszforsavas üzemanyagcella);
• PEMFC– Proton Exchange Membrane Fuel Cell (üzemanyagcella protoncserélő membránnal);
• DMFC– Közvetlen metanolos üzemanyagcella (üzemanyagcella a metanol közvetlen lebontásával);
• MCFC– Olvadt karbonát üzemanyagcella (olvadt karbonát üzemanyagcella);
• SOFC– Szilárd oxid üzemanyagcella (szilárd oxid üzemanyagcella).

Az üzemanyagcella olyan eszköz, amely hatékonyan termel hőt és egyenáramot elektrokémiai reakció révén, és hidrogénben gazdag üzemanyagot használ. Működési elve hasonló az akkumulátoréhoz. Szerkezetileg az üzemanyagcellát elektrolit képviseli. Mi olyan különleges benne? Az akkumulátorokkal ellentétben a hidrogén üzemanyagcellák nem tárolnak elektromos energiát, nem igényelnek áramot az újratöltéshez, és nem merítenek. A cellák mindaddig áramot termelnek, amíg levegővel és üzemanyaggal rendelkeznek.

Sajátosságok

Az üzemanyagcellák és a többi áramfejlesztő között az a különbség, hogy működés közben nem égetnek el üzemanyagot. Ennek a tulajdonságnak köszönhetően nincs szükségük nagynyomású rotorokra, és nem bocsátanak ki hangos zajt vagy vibrációt. Az üzemanyagcellákban a villamos energia csendes elektrokémiai reakcióval keletkezik. Az ilyen berendezésekben lévő üzemanyag kémiai energiája közvetlenül vízzé, hővé és elektromos árammá alakul.

Az üzemanyagcellák rendkívül hatékonyak, és nem termelnek nagy mennyiségű üvegházhatást okozó gázt. A cella működése során keletkező emissziós termék kis mennyiségű víz gőz és szén-dioxid formájában, amely nem szabadul fel, ha tiszta hidrogént használnak üzemanyagként.

Megjelenés története

Az 1950-es és 1960-as években a NASA növekvő igénye a hosszú távú űrmissziók energiaforrásaira váltotta ki az egyik legkritikusabb kihívást az akkori üzemanyagcellák számára. Az alkáli cellák oxigént és hidrogént használnak tüzelőanyagként, amelyek elektrokémiai reakcióval az űrrepülés során hasznos melléktermékekké alakulnak át - elektromos áram, víz és hő.

Az üzemanyagcellákat először a 19. század elején fedezték fel - 1838-ban. Ezzel egy időben megjelentek az első információk a hatékonyságukról.

A lúgos elektrolitokat használó üzemanyagcellákon az 1930-as évek végén kezdõdtek. A nagy nyomású nikkelezett elektródákkal ellátott cellákat csak 1939-ben találták fel. A második világháború idején körülbelül 25 centiméter átmérőjű lúgos cellákból álló üzemanyagcellákat fejlesztettek ki brit tengeralattjárók számára.

Az 1950-80-as években megnőtt az érdeklődés irántuk, amelyet a kőolaj-üzemanyag hiány jellemez. A világ országai elkezdték kezelni a levegő- és környezetszennyezési problémákat annak érdekében, hogy környezetbarát üzemanyagcella-gyártási technológiát fejlesszenek ki, jelenleg aktív fejlesztés folyik.

Működés elve

Az üzemanyagcellák hőt és villamos energiát termelnek egy katód, anód és elektrolit részvételével zajló elektrokémiai reakció eredményeként.

A katódot és az anódot protonvezető elektrolit választja el. Miután az oxigén belép a katódon és a hidrogén az anódba, kémiai reakció indul meg, ami hőt, áramot és vizet eredményez.

Az anódkatalizátoron disszociál, ami elektronvesztéshez vezet. A hidrogénionok az elektroliton keresztül jutnak be a katódba, míg az elektronok egy külső elektromos hálózaton keresztül egyenáramot hoznak létre, amelyet a berendezés táplálására használnak. A katódkatalizátoron lévő oxigénmolekula egyesül egy elektronnal és egy bejövő protonnal, végül víz keletkezik, amely a reakció egyetlen terméke.

Típusok

Egy adott típusú üzemanyagcella kiválasztása annak alkalmazásától függ. Minden üzemanyagcella két fő kategóriába sorolható - magas hőmérséklet és alacsony hőmérséklet. Ez utóbbiak tiszta hidrogént használnak üzemanyagként. Az ilyen eszközök jellemzően az elsődleges tüzelőanyag tiszta hidrogénné történő feldolgozását igénylik. Az eljárást speciális berendezéssel hajtják végre.

A magas hőmérsékletű üzemanyagcellákra nincs szükségük, mert magasabb hőmérsékleten alakítják át az üzemanyagot, így nincs szükség hidrogén-infrastruktúrára.

A hidrogén üzemanyagcellák működési elve a kémiai energia elektromos energiává alakításán alapul, hatástalan égési folyamatok nélkül, valamint a hőenergia mechanikai energiává történő átalakításán.

Általános fogalmak

A hidrogén üzemanyagcellák olyan elektrokémiai eszközök, amelyek az üzemanyag rendkívül hatékony "hideg" elégetésével villamos energiát termelnek. Többféle ilyen eszköz létezik. A legígéretesebb technológiának a PEMFC protoncserélő membránnal felszerelt hidrogén-levegő üzemanyagcellákat tartják.

A protonvezető polimer membrán két elektróda - a katód és az anód - elválasztására szolgál. Mindegyiket egy szénmátrix képviseli, amelyen katalizátor van lerakva. az anódkatalizátoron disszociál, elektronokat adva. A kationok a membránon keresztül jutnak a katódhoz, de az elektronok a külső áramkörbe kerülnek, mivel a membránt nem elektronok átvitelére tervezték.

A katódkatalizátoron lévő oxigénmolekula egyesül az elektromos áramkörből származó elektronnal és a bejövő protonnal, végül vizet képezve, amely a reakció egyetlen terméke.

A hidrogén üzemanyagcellákat membrán-elektróda egységek gyártására használják, amelyek az energiarendszer fő generáló elemei.

A hidrogén üzemanyagcellák előnyei

Ezek közé tartozik:

• Megnövelt fajlagos hőkapacitás.
• Széles üzemi hőmérséklet tartomány.
• Nincs vibráció, zaj vagy hőfolt.
• Hidegindítási megbízhatóság.
• Nincs önkisülés, ami hosszú távú energiatárolást biztosít.
• Korlátlan autonómia az energiaintenzitás beállításának köszönhetően az üzemanyagpatronok számának változtatásával.
• Gyakorlatilag bármilyen energiaintenzitás biztosítása a hidrogéntároló kapacitás változtatásával.
• Hosszú élettartam.
• Csendes és környezetbarát működés.
• Magas szintű energiaintenzitás.
• Tolerancia a hidrogénben lévő idegen szennyeződésekkel szemben.

Alkalmazási terület

Nagy hatásfokuk miatt a hidrogén üzemanyagcellákat különféle területeken használják:

• Hordozható töltők.
• Tápellátási rendszerek UAV-khoz.
• Szünetmentes tápegységek.
• Egyéb eszközök és felszerelések.

A hidrogénenergia kilátásai

A hidrogén-peroxid üzemanyagcellák széleskörű elterjedése csak egy hatékony hidrogén-előállítási módszer megalkotása után lesz lehetséges. Új ötletekre van szükség a technológia aktív használatba vételéhez, nagy reményeket fűzve a bioüzemanyag-cellák és a nanotechnológia koncepciójához. Egyes vállalatok viszonylag nemrégiben bocsátottak ki különféle fémeken alapuló hatékony katalizátorokat, ugyanakkor információk jelentek meg a membrán nélküli üzemanyagcellák létrehozásáról, ami lehetővé tette a gyártási költségek jelentős csökkentését és az ilyen eszközök tervezésének egyszerűsítését. A hidrogén üzemanyagcellák előnyei és jellemzői nem haladják meg a fő hátrányukat - a magas költségeket, különösen a szénhidrogén eszközökkel összehasonlítva. Egy hidrogénerőmű létrehozásához minimum 500 ezer dollárra van szükség.

Hogyan szereljünk össze egy hidrogén üzemanyagcellát?

Ön is létrehozhat kis teljesítményű üzemanyagcellát egy szokásos otthoni vagy iskolai laboratóriumban. A felhasznált anyagok egy régi gázálarc, plexidarabok, etil-alkohol és lúg vizes oldata.

A hidrogén üzemanyagcella testét saját kezűleg készítik legalább öt milliméter vastagságú plexiből. A rekeszek közötti válaszfalak vékonyabbak lehetnek - körülbelül 3 milliméter. A plexit speciális kloroformból vagy diklór-etánból és plexiforgácsból készült ragasztóval ragasztják össze. Minden munkát csak járó motorháztető mellett végeznek.

A ház külső falába egy 5-6 centiméter átmérőjű lyukat fúrnak, amelybe egy gumidugót és egy üveg leeresztő csövet helyeznek. A gázálarcból származó aktív szenet az üzemanyagcella házának második és negyedik rekeszébe öntik - elektródaként fogják használni.

Az első kamrában az üzemanyag kering, az ötödik pedig levegővel van feltöltve, amelyből oxigént szállítanak. Az elektródák közé öntött elektrolitot paraffin és benzin oldattal impregnálják, hogy megakadályozzák, hogy bejusson a légkamrába. A szénrétegre rézlemezeket, hozzájuk forrasztott vezetékekkel helyeznek el, amelyen keresztül az áramot elvezetik.

Az összeszerelt hidrogén üzemanyagcellát vízzel hígított vodkával töltik fel 1:1 arányban. A kapott keverékhez óvatosan hozzáadjuk a maró káliumot: 70 gramm káliumot feloldunk 200 gramm vízben.

A hidrogén üzemanyagcella tesztelése előtt az első kamrába üzemanyagot, a harmadikba elektrolitot öntünk. Az elektródákhoz csatlakoztatott voltmérő leolvasásának 0,7 és 0,9 volt között kell lennie. Az elem folyamatos működése érdekében a kiégett fűtőelemeket el kell távolítani, és az új üzemanyagot gumicsövön keresztül kell önteni. A cső összenyomásával az üzemanyag-ellátási sebesség beállítható. Az ilyen, otthon összeszerelt hidrogén-üzemanyagcellák teljesítménye kevés.

A „zöld” energia szempontjából a hidrogén üzemanyagcellák rendkívül magas, 60%-os hatásfokkal rendelkeznek. Összehasonlításképpen: a legjobb belső égésű motorok hatásfoka 35-40%. A naperőművek esetében az együttható csak 15-20%, de nagyban függ az időjárási viszonyoktól. A legjobb járókerekes szélerőművek hatásfoka eléri a 40%-ot, ami a gőzgenerátorokéhoz hasonlítható, de a szélturbinák is megfelelő időjárási körülményeket és költséges karbantartást igényelnek.

Amint látjuk, ezt a paramétert tekintve a hidrogénenergia a legvonzóbb energiaforrás, de még mindig számos probléma akadályozza a tömeges felhasználását. Ezek közül a legfontosabb a hidrogéntermelés folyamata.

Bányászati ​​problémák

A hidrogénenergia környezetbarát, de nem önálló. Az üzemanyagcella működéséhez hidrogénre van szükség, amely tiszta formájában nem található meg a Földön. Hidrogént kell előállítani, de minden jelenleg létező módszer vagy nagyon drága, vagy nem hatékony.

Az energiaegységre jutó termelt hidrogén mennyiségét tekintve a leghatékonyabb módszer a földgáz gőzreformálása. A metánt 2 MPa nyomású (kb. 19 atmoszféra, azaz kb. 190 m mélységi nyomás) és kb. 800 fokos hőmérsékletű vízgőzzel kombinálják, így 55-75%-os hidrogéntartalmú átalakított gáz keletkezik. A gőzreformálás hatalmas telepítéseket igényel, amelyeket csak a termelésben lehet használni.

A metán gőzreformálására szolgáló csőkemencék nem a legergonómikusabb módja a hidrogén előállításának. Forrás: CTK-Euro

Kényelmesebb és egyszerűbb módszer a vízelektrolízis. Amikor elektromos áram halad át a kezelt vízen, elektrokémiai reakciók sorozata megy végbe, ami hidrogén képződését eredményezi. Ennek a módszernek jelentős hátránya a reakció végrehajtásához szükséges nagy energiafelhasználás. Vagyis egy kissé furcsa helyzet áll elő: a hidrogénenergia előállításához... energiára van szükség. Az elektrolízis során felmerülő szükségtelen költségek elkerülése és az értékes erőforrások megőrzése érdekében egyes vállalatok olyan teljes ciklusú „villamos-hidrogén-villamos” rendszerek kifejlesztésére törekednek, amelyekben az energiatermelés külső újratöltés nélkül is lehetővé válik. Ilyen rendszer például a Toshiba H2One fejlesztése.

Mobil erőmű Toshiba H2One

Kifejlesztettük a H2One mobil mini-erőművet, amely a vizet hidrogénné, a hidrogént pedig energiává alakítja. Az elektrolízis fenntartásához napelemeket használ, a felesleges energiát akkumulátorokban tárolja, és biztosítja a rendszer működését napfény nélkül. A keletkező hidrogént vagy közvetlenül az üzemanyagcellákba juttatják, vagy egy integrált tartályban tárolják. A H2One elektrolizátor egy óra alatt akár 2 m 3 hidrogént is termel, kimenetén pedig akár 55 kW teljesítményt is biztosít. 1 m 3 hidrogén előállításához az állomásnak legfeljebb 2,5 m 3 vízre van szüksége.

Míg a H2One állomás nem képes egy nagyvállalatot vagy egy egész várost árammal ellátni, energiája bőven elegendő lesz kis területek vagy szervezetek működéséhez. Hordozhatóságának köszönhetően ideiglenes megoldásként is használható természeti katasztrófák vagy vészhelyzeti áramszünet idején. Ráadásul a dízelgenerátorokkal ellentétben, amelyek megfelelő működéséhez üzemanyagra van szükség, a hidrogénerőműnek csak vízre van szüksége.

Jelenleg a Toshiba H2One-t Japánban csak néhány városban használják – például Kawasaki városának vasútállomását látja el árammal és meleg vízzel.

A H2One rendszer telepítése a Kawasakiban

A hidrogén jövője

Napjainkban a hidrogén üzemanyagcellák biztosítják az energiát a hordozható energiabankok, a városi autóbuszok és a vasúti közlekedés számára. (A hidrogén autóipari felhasználásáról a következő bejegyzésünkben lesz még szó). A hidrogén üzemanyagcellák váratlanul kiváló megoldásnak bizonyultak a quadcopterek számára - az akkumulátorhoz hasonló tömeggel a hidrogénellátás akár ötször hosszabb repülési időt biztosít. A fagy azonban semmilyen módon nem befolyásolja a hatékonyságot. A szocsi olimpián az orosz AT Energy cég által gyártott kísérleti üzemanyagcellás drónokat használták a forgatáshoz.

Ismertté vált, hogy a közelgő tokiói olimpián a hidrogént az autókban, az áram- és hőtermelésben használják majd, és ez lesz az olimpiai falu fő energiaforrása is. Ebből a célból a Toshiba Energy Systems & Solutions Corp. megrendelésére. A világ egyik legnagyobb hidrogéngyártó állomása épül a japán Namie városában. Az állomás legfeljebb 10 MW „zöld” forrásokból nyert energiát fogyaszt majd, és évente akár 900 tonna hidrogént is termel elektrolízissel.

A hidrogénenergia a mi „tartalékunk a jövő számára”, amikor a fosszilis tüzelőanyagokat teljesen fel kell hagyni, és a megújuló energiaforrások nem lesznek képesek kielégíteni az emberiség szükségleteit. A Markets&Markets előrejelzése szerint a globális hidrogéntermelés volumene, amely jelenleg 115 milliárd dollár, 2022-re 154 milliárd dollárra fog növekedni A speciális erőművek gyártása és üzemeltetése még megoldásra szorul, költségcsökkentésre. A technológiai akadályok leküzdésével a hidrogénenergia új szintre lép, és olyan elterjedt lehet, mint ma a hagyományos vagy a vízenergia.

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

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

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

Fejlődéstörténet

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

Miután ez bebizonyosodott, sok tudós buzgón rohant az üzemanyagcellák tanulmányozására, de a belső égésű motor feltalálása és az olajtartalék-infrastruktúra fejlesztése a 19. század második felében messze elmaradt az üzemanyagcellák fejlesztésétől. Az üzemanyagcellák fejlesztését tovább hátráltatta magas költségük.

Az üzemanyagcellák fejlesztésének felfutása az 50-es években következett be, amikor a NASA hozzájuk fordult egy kompakt elektromos generátor szükségessége miatt az űrrepülésekhez. A beruházás megtörtént, az Apollo és a Gemini járatait üzemanyagcellák hajtották. Az űrhajók üzemanyagcellákkal is működnek.

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

Hogyan működik az üzemanyagcella?

Az üzemanyagcellák hasonlóak az akkumulátorokhoz – kémiai reakcióval termelnek áramot. Ezzel szemben a belső égésű motorok tüzelőanyagot égetnek el, és így hőt termelnek, ami aztán mechanikai energiává alakul. Hacsak a kipufogógázokból származó hőt nem használják fel valamilyen módon (például fűtésre vagy légkondicionálásra), akkor a belső égésű motor hatásfoka meglehetősen alacsonynak mondható. Például a jelenleg fejlesztés alatt álló projektben az üzemanyagcellák hatásfoka, ha járműben használják őket, várhatóan több mint kétszer akkora, mint a mai, tipikus autókban használt benzinmotorok.

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

Számos különböző típusú üzemanyagcella létezik. A legegyszerűbb üzemanyagcella egy speciális membránból áll, amelyet elektrolitnak neveznek. A membrán mindkét oldalára porított elektródákat alkalmaznak. Ez a kialakítás - két elektródával körülvett elektrolit - külön elem. A hidrogén az egyik oldalra (anód), az oxigén (levegő) a másik oldalra (katód) kerül. Minden elektródán különböző kémiai reakciók mennek végbe.

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

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

H2 = kétatomos hidrogénmolekula, forma, in

amelyben a hidrogén gáz formájában van jelen;

H+ = ionizált hidrogén, azaz. proton;

e- = elektron.

Az üzemanyagcella működése azon alapul, hogy az elektrolit átengedi rajta a protonokat (a katód felé), de az elektronokat nem. Az elektronok egy külső vezető áramkör mentén mozognak a katódra. Ez az elektronmozgás olyan elektromos áram, amely az üzemanyagcellához csatlakoztatott külső eszköz, például villanymotor vagy villanykörte meghajtására használható. Ezt az eszközt általában "terhelésnek" nevezik.

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

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

Az üzemanyagcellában a teljes reakciót a következőképpen írjuk le:

2H2 + O2 ==> 2H2O.

Munkájuk során az üzemanyagcellák hidrogént és a levegőből származó oxigént használnak fel. A hidrogént közvetlenül vagy egy külső tüzelőanyag-forrástól, például földgáztól, benzintől vagy metanoltól való leválasztással lehet szállítani. Külső forrás esetén kémiailag kell átalakítani a hidrogén kinyeréséhez. Ezt a folyamatot "reformálásnak" nevezik. A hidrogént ammóniából, alternatív forrásokból, például városi hulladéklerakókból és szennyvíztisztító telepekből származó gázból, valamint vízelektrolízissel is elő lehet állítani, amelynek során a vizet hidrogénné és oxigénné bontják elektromos árammal. Jelenleg a legtöbb közlekedésben használt üzemanyagcellás technológia metanolt használ.

Különféle eszközöket fejlesztettek ki az üzemanyagok átalakítására, hogy hidrogént állítsanak elő üzemanyagcellákhoz. Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma kifejlesztett egy üzemanyagegységet egy benzinreformerben, amely egy önálló üzemanyagcellát hidrogénnel lát el. Az amerikai Pacific Northwest National Laboratory kutatói bemutattak egy kompakt üzemanyag-reformert, amely egytizede akkora, mint egy tápegység. Az amerikai Northwest Power Systems és a Sandia National Laboratories olyan üzemanyag-reformálót mutattak be, amely a dízelüzemanyagot hidrogénné alakítja át üzemanyagcellákhoz.

Az üzemanyagcellák külön-külön körülbelül 0,7-1,0 V-ot termelnek. A feszültség növelése érdekében az elemeket „kaszkádba” állítják össze, azaz. soros csatlakozás. Több áram létrehozása érdekében a lépcsőzetes elemek sorozatait párhuzamosan csatlakoztatják. Ha az üzemanyagcellás kaszkádokat üzemanyagrendszerrel, levegőellátó és hűtőrendszerrel, valamint vezérlőrendszerrel kombinálja, üzemanyagcellás motort kap. Ez a motor képes meghajtani egy járművet, egy álló erőművet vagy egy hordozható elektromos generátort6. Az üzemanyagcellás motorok az alkalmazástól, az üzemanyagcella típusától és a felhasznált üzemanyagtól függően különböző méretűek. Például egy omahai bankban telepített négy különálló 200 kW-os helyhez kötött erőmű mindegyike megközelítőleg akkora, mint egy kamion utánfutó.

Alkalmazások

Az üzemanyagcellák helyhez kötött és mobil eszközökben is használhatók. Az Egyesült Államok szigorodó károsanyag-kibocsátási szabályozására válaszul az autógyártók, köztük a DaimlerChrysler, a Toyota, a Ford, a General Motors, a Volkswagen, a Honda és a Nissan megkezdték az üzemanyagcellás járművek kísérletezését és bemutatását. Az első kereskedelmi üzemanyagcellás járművek várhatóan 2004-ben vagy 2005-ben jelennek meg az utakon.

A tüzelőanyagcellás technológia fejlesztésének egyik fő mérföldköve volt a Ballard Power System kísérleti, 32 láb hosszú, 90 kilowattos hidrogén-üzemanyagcellás motorral hajtott városi buszának 1993. júniusi bemutatója. Azóta számos különböző típusú és különböző generációs üzemanyagcellás személygépkocsit fejlesztettek ki és helyeztek üzembe, különböző típusú üzemanyaggal. 1996 vége óta három hidrogén üzemanyagcellás golfkocsit használnak a kaliforniai Palm Desertben. Az Illinois állambeli Chicago útjain; Brit Columbia, Vancouver; és a norvégiai Oslóban az üzemanyagcellás városi buszokat tesztelik. Lúgos üzemanyagcellákkal hajtott taxikat tesztelnek London utcáin.

Az üzemanyagcellás technológiát alkalmazó helyhez kötött létesítményeket is bemutatják, de kereskedelmi forgalomban még nem használják széles körben. A First National Bank of Omaha Nebraska államban üzemanyagcellás rendszert használ számítógépei áramellátására, mivel a rendszer megbízhatóbb, mint a régi rendszer, amely tartalék akkumulátorral működött a fő hálózatról. A világ legnagyobb, 1,2 MW-os kereskedelmi üzemanyagcellás rendszerét hamarosan beépítik egy alaszkai levélfeldolgozó központba. Az üzemanyagcellás hordozható hordozható számítógépek, a szennyvíztisztító telepeken használt vezérlőrendszerek és az automaták tesztelése és bemutatása is folyamatban van.

"Érvek és ellenérvek"

Az üzemanyagcelláknak számos előnye van. Míg a modern belsőégésű motorok csak 12-15%-os, addig az üzemanyagcellák 50%-os. Az üzemanyagcellák hatásfoka meglehetősen magas maradhat akkor is, ha nem teljes névleges teljesítményen használják őket, ami komoly előny a benzinmotorokhoz képest.

Az üzemanyagcellák moduláris felépítése azt jelenti, hogy az üzemanyagcellás erőmű teljesítménye egyszerűen több fokozat hozzáadásával növelhető. Ez biztosítja a kapacitás kihasználatlanságának minimalizálását, ami lehetővé teszi a kereslet és a kínálat jobb összehangolását. Mivel az üzemanyagcella-köteg hatékonyságát az egyes cellák teljesítménye határozza meg, a kis tüzelőanyagcellás erőművek ugyanolyan hatékonyan működnek, mint a nagyok. Ezenkívül a helyhez kötött üzemanyagcellás rendszerek hulladékhője felhasználható víz- és helyiségfűtésre, tovább növelve az energiahatékonyságot.

Az üzemanyagcellák használatakor gyakorlatilag nincs káros kibocsátás. Amikor egy motor tiszta hidrogénnel működik, csak hő és tiszta vízgőz keletkezik melléktermékként. Tehát az űrhajókon az űrhajósok vizet isznak, amely a fedélzeti üzemanyagcellák működése eredményeként keletkezik. A kibocsátások összetétele a hidrogénforrás természetétől függ. A metanol nulla nitrogén-oxid- és szén-monoxid-kibocsátással és csak kis szénhidrogén-kibocsátással jár. A kibocsátás növekszik, ahogy a hidrogénről a metanolra és a benzinre vált, bár a kibocsátás még benzin esetén is meglehetősen alacsony marad. Mindenesetre, ha a mai hagyományos belső égésű motorokat üzemanyagcellákkal cserélnénk le, az összességében csökkentené a CO2- és nitrogén-oxid-kibocsátást.

Az üzemanyagcellák alkalmazása rugalmasságot biztosít az energetikai infrastruktúra számára, további lehetőségeket teremtve a decentralizált villamosenergia-termelés számára. A decentralizált energiaforrások sokasága lehetővé teszi a villamosenergia-átvitel során fellépő veszteségek csökkentését és az energiapiacok fejlesztését (ami különösen fontos a távoli és vidéki területeken, ahol nincs távvezetéki hozzáférés). Az üzemanyagcellák segítségével az egyes lakók vagy városrészek saját maguk biztosíthatják villamos energiájuk nagy részét, és ezáltal jelentősen növelhetik az energiahatékonyságot.

Az üzemanyagcellák kiváló minőségű energiát és fokozott megbízhatóságot kínálnak. Strapabíróak, nincsenek mozgó alkatrészeik, és állandó mennyiségű energiát termelnek.

Az üzemanyagcellás technológiát azonban tovább kell fejleszteni a teljesítmény javítása, a költségek csökkentése, és ezáltal az üzemanyagcellák más energiatechnológiákkal szembeni versenyképessége érdekében. Meg kell jegyezni, hogy az energiatechnológiák költségjellemzőinek figyelembe vételekor az összehasonlításokat az összes alkatrésztechnológiai jellemző alapján kell elvégezni, beleértve a tőkeműködési költségeket, a szennyezőanyag-kibocsátást, az energiaminőséget, a tartósságot, a leszerelést és a rugalmasságot.

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

A fosszilis tüzelőanyag-ellátó rendszerekkel ellentétben a nap- és szélenergia rendszerek (amelyek vízből hidrogént és oxigént állítanak elő elektromos árammal) és a közvetlen fotokonverziós rendszerek (félvezető anyagokat vagy enzimeket használnak a hidrogén előállítására) képesek hidrogénellátást biztosítani reformálási lépés nélkül, és így a kibocsátások a metanol vagy benzin üzemanyagcellák használatakor megfigyelhető káros anyagok elkerülhetők. A hidrogén tárolható és szükség szerint elektromos árammá alakítható az üzemanyagcellában. Előretekintve, az üzemanyagcellák és az ilyen típusú megújuló energiaforrások párosítása valószínűleg hatékony stratégia lesz a produktív, környezetbarát és sokoldalú energiaforrás biztosítására.

Az IEER ajánlásai szerint a helyi, szövetségi és tartományi kormányok közlekedési beszerzési költségvetésük egy részét üzemanyagcellás járművekre, valamint helyhez kötött üzemanyagcellás rendszerekre fordítsák, hogy hőt és energiát biztosítsanak egyes jelentős vagy új épületeik számára. Ez elősegíti a létfontosságú technológia fejlődését és csökkenti az üvegházhatású gázok kibocsátását.