Ogniwo paliwowe to konwerter chemicznej energii potencjalnej (energii wiązań molekularnych) na energię elektryczną. Urządzenie zawiera ogniwo robocze, w którym paliwem jest gazowy wodór (H2) i tlen (O2). Produktami reakcji zachodzącej wewnątrz ogniwa są woda, prąd i ciepło. Technologicznie ogniwa paliwowe należy uznać za układy bardziej zaawansowane w porównaniu z silnikami spalinowymi, elektrowniami węglowymi, a nawet elektrowniami jądrowymi, których działaniu towarzyszy wydzielanie szkodliwych produktów ubocznych.

Ponieważ tlen występuje w atmosferze w dużych ilościach, pozostaje jedynie dodać wodór do ogniwa paliwowego. Substancję tę dość łatwo otrzymuje się w procesie elektrolizy w aparacie o tej samej nazwie, zwanym elektrolizerem.

Co to jest elektrolizer i jak działa?

Urządzenie elektrochemiczne wykorzystujące prąd elektryczny do rozdzielania cząsteczek na atomy składowe. Elektrolizery są szeroko stosowane do rozdzielania wody na wodór i tlen.

Technika elektrolizy jest najbardziej obiecującą metodą wytwarzania wodoru o bardzo wysokiej czystości (99,999%) ze względu na wysoką wydajność i szybką reakcję dynamiczną w porównaniu z niektórymi innymi metodami.

Wodór wytwarzany w procesie elektrolizy jest jakościowo czysty i dlatego doskonale nadaje się do stosowania w ogniwach paliwowych.

Jakie konstrukcje elektrolizerów opracowano?

Podobnie jak ogniwa paliwowe, elektrolizery zbudowane są w oparciu o dwie elektrody i elektrolit przewodzący jony umieszczony pomiędzy elektrodami. Urządzenia takie różnią się rodzajem użytego elektrolitu.

Schemat strukturalny elektrolizera i wygląd jednej z opcji przemysłowych: 1 – warstwa katalizatora; 2 – warstwa dyfuzyjna gazu; 3 – płytka bipolarna; 4 – membrana do wymiany protonów; 5 - pieczęć

Opracowano kilka różnych typów elektrolizerów, stosowanych już w praktyce lub będących na etapie wdrażania. Dwa najpopularniejsze typy elektrolizerów wytwarzających wodór to:

1. Elektrolizer alkaliczny.
2. Elektrolizer membranowy.

Elektrolizer alkaliczny

Tego typu urządzenia działają na ciekłym, żrącym elektrolicie (zwykle 30% KOH). Elektrolizery alkaliczne zbudowane są na niedrogich metalach (), które działają jak katalizatory i mają dość niezawodną strukturę.

Elektrolizery alkaliczne wytwarzają wodór o czystości 99,8%, pracują w stosunkowo niskich temperaturach i charakteryzują się wysoką wydajnością. Ciśnienie robocze w instalacjach może sięgać 30 ATI. Podczas pracy utrzymywana jest niska gęstość prądu.

Elektrolizer z membraną do wymiany protonów (POM).

Katalizator ma porowatą strukturę, dzięki czemu powierzchnia platyny jest maksymalnie wystawiona na działanie wodoru lub tlenu. Strona katalizatora pokryta platyną jest zwrócona w stronę POM.

Jak działa ogniwo paliwowe?

„Sercem” ogniwa paliwowego jest membrana wymiany protonów (POM). Składnik ten umożliwia protonom przejście niemal bez przeszkód, ale blokuje elektrony.

Zatem, gdy wodór dostaje się do katalizatora i zostaje rozdzielony na protony i elektrony, protony są wysyłane bezpośrednio na stronę katody, a elektrony podążają przez zewnętrzny obwód elektryczny.

W związku z tym po drodze elektrony wykonują użyteczną pracę:

• zapal lampę elektryczną,
• obrócić wał silnika,
• naładować akumulator itp.

Dopiero po przejściu tej ścieżki elektrony łączą się z protonami i tlenem po drugiej stronie komórki, w wyniku czego powstaje woda.

Kompletny system kilku ogniw paliwowych: 1 – odbiornik gazu; 2 – chłodnica chłodząca z wentylatorem; 3 – sprężarka; 4 – fundament nośny; 5 – element paliwowy złożony z kilku ogniw; 6 – pośredni moduł magazynujący

Wszystkie te reakcje zachodzą w tak zwanym stosie pojedynczych komórek. W praktyce zwykle stosuje się cały system wokół głównego komponentu, jakim jest stos kilku komórek.

Stos jest wbudowany w moduł składający się z części:

• gospodarka paliwem, wodą i powietrzem,
• urządzenia chłodnicze,
• Oprogramowanie do zarządzania czynnikiem chłodniczym.

Moduł ten jest następnie integrowany w kompletny system, który można wykorzystać do różnych zastosowań.

Ze względu na wysoką zawartość energii w wodorze oraz wysoką sprawność ogniw paliwowych (55%) technologia ta może znaleźć zastosowanie w różnych dziedzinach.

Na przykład jako źródło zasilania rezerwowego do produkcji energii elektrycznej w przypadku zakłóceń w głównej sieci elektrycznej.

Oczywiste zalety tej technologii

Przekształcając energię potencjalną chemiczną bezpośrednio w energię elektryczną, ogniwa paliwowe eliminują powstawanie wąskich gardeł termicznych (2. zasada termodynamiki).

Dlatego też technologia ta ze swej natury jest postrzegana jako bardziej wydajna niż konwencjonalne silniki spalinowe.

Zatem obwód silnika spalinowego początkowo przekształca energię potencjalną chemiczną w ciepło, a dopiero potem uzyskuje się pracę mechaniczną.

Bezpośrednie emisje z ogniw paliwowych to po prostu woda i część ciepła. Jest tu znaczna poprawa w porównaniu do tych samych silników spalinowych, które m.in. emitują także gazy cieplarniane.

Ogniwa paliwowe charakteryzują się brakiem ruchomych części. Takie konstrukcje zawsze charakteryzowały się zwiększoną niezawodnością w porównaniu do tradycyjnych silników.

Wodór produkowany jest w sposób przyjazny dla środowiska, natomiast wydobycie i rafinacja produktów naftowych jest bardzo niebezpieczna z technologicznego punktu widzenia produkcji.

Ogniwo paliwowe to urządzenie, które wydajnie wytwarza ciepło i prąd stały w drodze reakcji elektrochemicznej i wykorzystuje paliwo bogate w wodór. Zasada działania jest podobna do zasady działania baterii. Strukturalnie ogniwo paliwowe jest reprezentowane przez elektrolit. Co w tym takiego specjalnego? W przeciwieństwie do akumulatorów, wodorowe ogniwa paliwowe nie magazynują energii elektrycznej, nie wymagają prądu do ładowania i nie rozładowują się. Ogniwa nadal wytwarzają energię elektryczną, dopóki mają dopływ powietrza i paliwa.

Osobliwości

Różnica między ogniwami paliwowymi a innymi generatorami prądu polega na tym, że nie spalają one paliwa podczas pracy. Dzięki tej funkcji nie wymagają wirników wysokociśnieniowych i nie emitują głośnego hałasu ani wibracji. Energia elektryczna w ogniwach paliwowych wytwarzana jest w wyniku cichej reakcji elektrochemicznej. Energia chemiczna paliwa w takich urządzeniach zamieniana jest bezpośrednio na wodę, ciepło i energię elektryczną.

Ogniwa paliwowe są bardzo wydajne i nie wytwarzają dużych ilości gazów cieplarnianych. Produktem emisji podczas pracy ogniwa jest niewielka ilość wody w postaci pary wodnej i dwutlenku węgla, która nie jest uwalniana w przypadku stosowania jako paliwa czystego wodoru.

Historia wyglądu

W latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych rosnące zapotrzebowanie NASA na źródła energii na potrzeby długoterminowych misji kosmicznych spowodowało jedno z najważniejszych wyzwań dla istniejących wówczas ogniw paliwowych. Ogniwa alkaliczne wykorzystują jako paliwo tlen i wodór, które w wyniku reakcji elektrochemicznej przekształcają się w produkty uboczne przydatne podczas lotów kosmicznych – energię elektryczną, wodę i ciepło.

Ogniwa paliwowe odkryto po raz pierwszy na początku XIX wieku – w 1838 roku. W tym samym czasie pojawiły się pierwsze informacje o ich skuteczności.

Prace nad ogniwami paliwowymi wykorzystującymi elektrolity alkaliczne rozpoczęły się pod koniec lat trzydziestych XX wieku. Ogniwa z niklowanymi elektrodami pracującymi pod wysokim ciśnieniem wynaleziono dopiero w 1939 roku. Podczas II wojny światowej dla brytyjskich łodzi podwodnych opracowano ogniwa paliwowe składające się z ogniw alkalicznych o średnicy około 25 centymetrów.

Zainteresowanie nimi wzrosło w latach 50.-80. XX wieku, charakteryzujących się niedoborem paliwa naftowego. Kraje na całym świecie zaczęły zajmować się kwestiami zanieczyszczenia powietrza i środowiska, starając się opracować przyjazną dla środowiska technologię produkcji ogniw paliwowych, która obecnie znajduje się w fazie aktywnego rozwoju.

Zasada działania

Ciepło i prąd powstają w ogniwach paliwowych w wyniku reakcji elektrochemicznej z udziałem katody, anody i elektrolitu.

Katoda i anoda są oddzielone elektrolitem przewodzącym protony. Gdy tlen dostanie się do katody, a wodór do anody, rozpoczyna się reakcja chemiczna, w wyniku której powstaje ciepło, prąd i woda.

Dysocjuje na katalizatorze anodowym, co prowadzi do utraty elektronów. Jony wodoru przedostają się do katody przez elektrolit, natomiast elektrony przechodzą przez zewnętrzną sieć elektryczną i wytwarzają prąd stały, który służy do zasilania sprzętu. Cząsteczka tlenu na katalizatorze katodowym łączy się z elektronem i przychodzącym protonem, ostatecznie tworząc wodę, która jest jedynym produktem reakcji.

Typy

Wybór konkretnego typu ogniwa paliwowego zależy od jego zastosowania. Wszystkie ogniwa paliwowe dzielą się na dwie główne kategorie – wysokotemperaturowe i niskotemperaturowe. Te ostatnie wykorzystują jako paliwo czysty wodór. Urządzenia takie zazwyczaj wymagają przetworzenia paliwa pierwotnego na czysty wodór. Proces odbywa się przy użyciu specjalnego sprzętu.

Wysokotemperaturowe ogniwa paliwowe tego nie potrzebują, ponieważ przetwarzają paliwo w podwyższonych temperaturach, eliminując potrzebę infrastruktury wodorowej.

Zasada działania wodorowych ogniw paliwowych opiera się na przemianie energii chemicznej w energię elektryczną bez nieefektywnych procesów spalania oraz przemianie energii cieplnej w energię mechaniczną.

Pojęcia ogólne

Wodorowe ogniwa paliwowe to urządzenia elektrochemiczne wytwarzające energię elektryczną w drodze wysoce wydajnego „zimnego” spalania paliwa. Istnieje kilka rodzajów takich urządzeń. Za najbardziej obiecującą technologię uważa się ogniwa paliwowe wodorowo-powietrzne wyposażone w membranę do wymiany protonów PEMFC.

Membrana polimerowa przewodząca protony ma na celu oddzielenie dwóch elektrod - katody i anody. Każdy z nich jest reprezentowany przez matrycę węglową z osadzonym na niej katalizatorem. dysocjuje na katalizatorze anodowym, oddając elektrony. Kationy są przewodzone do katody przez membranę, ale elektrony są przenoszone do obwodu zewnętrznego, ponieważ membrana nie jest zaprojektowana do przenoszenia elektronów.

Cząsteczka tlenu na katalizatorze katodowym łączy się z elektronem z obwodu elektrycznego i przychodzącym protonem, ostatecznie tworząc wodę, która jest jedynym produktem reakcji.

Wodorowe ogniwa paliwowe służą do produkcji zespołów membranowo-elektrodowych, które pełnią rolę głównych elementów wytwórczych systemu energetycznego.

Zalety wodorowych ogniw paliwowych

Wśród nich są:

• Zwiększona pojemność cieplna właściwa.
• Szeroki zakres temperatur pracy.
• Żadnych wibracji, hałasu i plam cieplnych.
• Niezawodność zimnego rozruchu.
• Brak samorozładowania, co zapewnia długotrwałe magazynowanie energii.
• Nieograniczona autonomia dzięki możliwości regulacji energochłonności poprzez zmianę ilości wkładów paliwowych.
• Zapewnienie praktycznie dowolnej energochłonności poprzez zmianę pojemności magazynowania wodoru.
• Długa żywotność.
• Cicha i przyjazna dla środowiska praca.
• Wysoki poziom energochłonności.
• Tolerancja na obce zanieczyszczenia w wodorze.

Obszar zastosowań

Ze względu na wysoką wydajność wodorowe ogniwa paliwowe znajdują zastosowanie w różnych dziedzinach:

• Przenośne ładowarki.
• Systemy zasilania bezzałogowych statków powietrznych.
• Zasilacze bezprzerwowe.
• Inne urządzenia i sprzęt.

Perspektywy energetyki wodorowej

Powszechne zastosowanie ogniw paliwowych na nadtlenek wodoru będzie możliwe dopiero po stworzeniu skutecznej metody produkcji wodoru. Aby technologia mogła zostać aktywnie wykorzystana, potrzebne są nowe pomysły, przy czym duże nadzieje pokłada się w koncepcji ogniw biopaliwowych i nanotechnologii. Niektóre firmy stosunkowo niedawno wypuściły na rynek skuteczne katalizatory na bazie różnych metali, jednocześnie pojawiła się informacja o stworzeniu ogniw paliwowych bez membran, co pozwoliło znacznie obniżyć koszty produkcji i uprościć konstrukcję tego typu urządzeń. Zalety i właściwości wodorowych ogniw paliwowych nie przeważają nad ich główną wadą - wysokim kosztem, szczególnie w porównaniu z urządzeniami węglowodorowymi. Na utworzenie jednej elektrowni wodorowej potrzeba minimum 500 tys. dolarów.

Jak złożyć wodorowe ogniwo paliwowe?

Ogniwo paliwowe małej mocy możesz samodzielnie stworzyć w zwykłym domowym lub szkolnym laboratorium. Wykorzystane materiały to stara maska ​​gazowa, kawałki plexi, wodny roztwór alkoholu etylowego i zasady.

Korpus wodorowego ogniwa paliwowego jest tworzony własnymi rękami z plexi o grubości co najmniej pięciu milimetrów. Przegrody między przedziałami mogą być cieńsze - około 3 milimetry. Pleksiglas skleja się specjalnym klejem na bazie chloroformu lub dichloroetanu i wiórami plexi. Wszystkie prace są wykonywane tylko przy pracującym kapturze.

W zewnętrznej ścianie obudowy wierci się otwór o średnicy 5-6 centymetrów, w który wkłada się gumowy korek i szklaną rurkę spustową. Węgiel aktywny z maski gazowej wlewany jest do drugiej i czwartej komory obudowy ogniwa paliwowego – posłuży on jako elektroda.

W pierwszej komorze paliwo będzie krążyć, natomiast piąta wypełniona będzie powietrzem, z którego będzie dostarczany tlen. Elektrolit wlany pomiędzy elektrody jest impregnowany roztworem parafiny i benzyny, aby zapobiec przedostawaniu się go do komory powietrznej. Na warstwę węgla układane są miedziane płytki z przylutowanymi do nich drutami, przez które będzie odprowadzany prąd.

Zmontowane wodorowe ogniwo paliwowe ładuje się wódką rozcieńczoną wodą w stosunku 1:1. Do powstałej mieszaniny ostrożnie dodaje się żrący potas: 70 gramów potasu rozpuścić w 200 gramach wody.

Przed badaniem wodorowego ogniwa paliwowego do pierwszej komory wlewa się paliwo, a do trzeciej elektrolit. Wskazania woltomierza podłączonego do elektrod powinny wahać się od 0,7 do 0,9 wolta. Aby zapewnić ciągłą pracę elementu, należy usunąć zużyte paliwo, a nowe przelać przez gumową rurkę. Naciskając rurkę reguluje się ilość podawanego paliwa. Takie wodorowe ogniwa paliwowe, montowane w domu, mają niewielką moc.

Z punktu widzenia „zielonej” energii wodorowe ogniwa paliwowe charakteryzują się niezwykle wysoką sprawnością sięgającą 60%. Dla porównania: sprawność najlepszych silników spalinowych wynosi 35-40%. W przypadku elektrowni słonecznych współczynnik wynosi tylko 15-20%, ale jest w dużym stopniu zależny od warunków pogodowych. Sprawność najlepszych farm wiatrowych wirnikowych sięga 40% i jest porównywalna z wytwornicami pary, ale turbiny wiatrowe również wymagają odpowiednich warunków atmosferycznych i kosztownej konserwacji.

Jak widać, pod względem tego parametru energia wodorowa jest najatrakcyjniejszym źródłem energii, jednak nadal istnieje szereg problemów, które uniemożliwiają jej masowe wykorzystanie. Najważniejszym z nich jest proces produkcji wodoru.

Problemy górnictwa

Energia wodorowa jest przyjazna dla środowiska, ale nie autonomiczna. Do działania ogniwo paliwowe wymaga wodoru, który w czystej postaci nie występuje na Ziemi. Wodór trzeba produkować, ale wszystkie obecnie istniejące metody są albo bardzo drogie, albo nieskuteczne.

Za najbardziej efektywną metodę pod względem ilości wytworzonego wodoru na jednostkę zużytej energii uważa się metodę reformingu parowego gazu ziemnego. Metan łączy się z parą wodną pod ciśnieniem 2 MPa (około 19 atmosfer, czyli ciśnienie na głębokości około 190 m) i temperaturze około 800 stopni, w wyniku czego powstaje gaz przetworzony o zawartości wodoru 55-75%. Reforming parowy wymaga ogromnych instalacji, które można wykorzystać wyłącznie w produkcji.

Piec rurowy do parowego reformingu metanu nie jest najbardziej ergonomicznym sposobem produkcji wodoru. Źródło: CTK-Euro

Wygodniejszą i prostszą metodą jest elektroliza wody. Kiedy prąd elektryczny przepływa przez uzdatnianą wodę, zachodzi szereg reakcji elektrochemicznych, w wyniku których powstaje wodór. Istotną wadą tej metody jest duże zużycie energii potrzebnej do przeprowadzenia reakcji. Czyli powstaje nieco dziwna sytuacja: do uzyskania energii wodorowej potrzebna jest... energia. Aby uniknąć niepotrzebnych kosztów podczas elektrolizy i zachować cenne zasoby, niektóre firmy starają się opracować systemy pełnego cyklu „prąd – wodór – prąd”, w których produkcja energii staje się możliwa bez zewnętrznego ładowania. Przykładem takiego systemu jest rozwój Toshiby H2One.

Mobilna elektrownia Toshiba H2One

Opracowaliśmy mobilną minielektrownię H2One, która zamienia wodę w wodór, a wodór w energię. Aby utrzymać elektrolizę, wykorzystuje panele słoneczne, a nadmiar energii jest magazynowany w akumulatorach, co zapewnia działanie systemu przy braku światła słonecznego. Powstały wodór jest albo bezpośrednio dostarczany do ogniw paliwowych, albo wysyłany do przechowywania w zintegrowanym zbiorniku. W ciągu godziny elektrolizer H2One wytwarza do 2 m 3 wodoru, a na wyjściu zapewnia moc do 55 kW. Do wyprodukowania 1 m 3 wodoru stacja potrzebuje aż 2,5 m 3 wody.

O ile stacja H2One nie jest w stanie dostarczyć prądu ani dużemu przedsiębiorstwu, ani całemu miastu, o tyle jej energia będzie w zupełności wystarczająca do funkcjonowania małych obszarów czy organizacji. Dzięki swojej przenośności może służyć również jako rozwiązanie tymczasowe podczas klęsk żywiołowych lub awaryjnych przerw w dostawie prądu. Ponadto, w przeciwieństwie do generatora diesla, który do prawidłowego działania potrzebuje paliwa, elektrownia wodorowa potrzebuje jedynie wody.

Obecnie Toshiba H2One jest używana tylko w kilku miastach w Japonii – dostarcza np. prąd i ciepłą wodę do stacji kolejowej w mieście Kawasaki.

Instalacja systemu H2One w Kawasaki

Przyszłość wodoru

Obecnie wodorowe ogniwa paliwowe dostarczają energię do przenośnych powerbanków, autobusów miejskich i transportu kolejowego. (Więcej o zastosowaniu wodoru w przemyśle motoryzacyjnym napiszemy w kolejnym poście). Wodorowe ogniwa paliwowe nieoczekiwanie okazały się doskonałym rozwiązaniem dla quadkopterów – przy podobnej masie do akumulatora, zasilanie wodorem zapewnia nawet pięciokrotnie dłuższy czas lotu. Jednakże mróz w żaden sposób nie wpływa na wydajność. Do zdjęć z Igrzysk Olimpijskich w Soczi wykorzystano eksperymentalne drony na ogniwa paliwowe rosyjskiej firmy AT Energy.

Wiadomo było, że podczas zbliżających się Igrzysk Olimpijskich w Tokio wodór będzie wykorzystywany w samochodach, do produkcji prądu i ciepła, a także stanie się głównym źródłem energii dla wioski olimpijskiej. W tym celu na zlecenie firmy Toshiba Energy Systems & Solutions Corp. W japońskim mieście Namie powstaje jedna z największych na świecie stacji produkcji wodoru. Stacja będzie zużywać do 10 MW energii pozyskiwanej z „zielonych” źródeł, wytwarzając w procesie elektrolizy do 900 ton wodoru rocznie.

Energia wodorowa jest naszą „rezerwą na przyszłość”, kiedy trzeba będzie całkowicie zrezygnować z paliw kopalnych, a odnawialne źródła energii nie będą w stanie zaspokoić potrzeb ludzkości. Według prognozy Markets&Markets wolumen światowej produkcji wodoru, który obecnie wynosi 115 miliardów dolarów, wzrośnie do 154 miliardów dolarów do 2022 roku. Jednak masowe wdrożenie tej technologii w najbliższej przyszłości jest mało prawdopodobne Nadal należy rozwiązać kwestię produkcji i eksploatacji elektrowni specjalnych oraz zmniejszyć ich koszty. Kiedy pokonane zostaną bariery technologiczne, energia wodorowa osiągnie nowy poziom i może być tak powszechna, jak dzisiejsza tradycyjna czy wodna energetyka.

Już od dawna chciałem opowiedzieć Wam o innym kierunku rozwoju firmy Alfaintek. Jest to rozwój, sprzedaż i serwis wodorowych ogniw paliwowych. Chciałbym od razu wyjaśnić sytuację z tymi ogniwami paliwowymi w Rosji.

Ze względu na dość wysoki koszt i całkowity brak stacji wodorowych do ładowania tych ogniw paliwowych, nie przewiduje się ich sprzedaży w Rosji. Niemniej jednak w Europie, zwłaszcza w Finlandii, ogniwa paliwowe z roku na rok zyskują na popularności. Jaki jest sekret? Przyjrzyjmy się. Urządzenie jest przyjazne dla środowiska, łatwe w obsłudze i skuteczne. Przychodzi z pomocą osobie, która potrzebuje energii elektrycznej. Możesz go zabrać ze sobą w podróż, na wędrówkę lub wykorzystać w wiejskim domu lub mieszkaniu jako autonomiczne źródło prądu.

Energia elektryczna w ogniwie paliwowym wytwarzana jest w wyniku reakcji chemicznej wodoru ze zbiornika z wodorkiem metalu i tlenem z powietrza. Butla nie jest wybuchowa i można ją przechowywać w szafie latami, czekając na rozwinięcie. Jest to być może jedna z głównych zalet tej technologii magazynowania wodoru. To właśnie magazynowanie wodoru jest jednym z głównych problemów rozwoju paliwa wodorowego. Unikalne, nowe, lekkie ogniwa paliwowe, które bezpiecznie, cicho i bezemisyjnie przekształcają wodór w konwencjonalną energię elektryczną.

Ten rodzaj energii elektrycznej można wykorzystać w miejscach, w których nie ma centralnego prądu, lub jako awaryjne źródło zasilania.

W przeciwieństwie do konwencjonalnych akumulatorów, które podczas ładowania wymagają ładowania i odłączania od odbiornika elektrycznego, ogniwo paliwowe działa jak „inteligentne” urządzenie. Technologia ta zapewnia nieprzerwane zasilanie przez cały okres użytkowania dzięki unikalnej funkcji oszczędzania energii przy zmianie zbiornika paliwa, która pozwala użytkownikowi nigdy nie wyłączać odbiornika. W zamkniętej obudowie ogniwa paliwowe można przechowywać nawet kilka lat bez utraty objętości wodoru i zmniejszenia ich mocy.

Ogniwo paliwowe jest przeznaczone dla naukowców i badaczy, organów ścigania, służb ratowniczych, właścicieli łodzi i marin oraz wszystkich innych osób, które potrzebują niezawodnego źródła zasilania w sytuacji awaryjnej.
Możesz uzyskać napięcie 12 lub 220 woltów i wtedy będziesz miał dość energii, aby uruchomić telewizor, sprzęt stereo, lodówkę, ekspres do kawy, czajnik, odkurzacz, wiertarkę, kuchenkę mikrofalową i inne urządzenia elektryczne.

Ogniwa paliwowe Hydrocell mogą być sprzedawane pojedynczo lub w bateriach zawierających 2-4 ogniwa. Można połączyć dwa lub cztery elementy, aby zwiększyć moc lub natężenie prądu.

CZAS PRACY URZĄDZEŃ AGD Z Ogniwami PALIWOWYMI

	Urządzenia elektryczne	Czas pracy dziennie (min.)	Wymagany moc na dzień (Wh)	Czas pracy z ogniwami paliwowymi
	Czajnik elektryczny
	Ekspres do kawy
	Mikropłyta
	telewizja
	1 żarówka o mocy 60W
	1 żarówka 75W
	3 żarówki 60W
	Komputerowy laptop
	Lodówka
	Lampa energooszczędna

* - praca ciągła

Ogniwa paliwowe są w pełni ładowane na specjalnych stacjach wodorowych. Co jednak w sytuacji, gdy podróżujesz daleko od nich i nie masz możliwości doładowania? Specjalnie na takie przypadki specjaliści Alfaintek opracowali butle do magazynowania wodoru, dzięki którym ogniwa paliwowe będą pracować znacznie dłużej.

Produkowane są dwa typy cylindrów: NS-MN200 i NS-MN1200.
Złożony NS-MH200 jest nieco większy od puszki Coca-Coli, mieści 230 litrów wodoru, co odpowiada 40 Ah (12 V) i waży zaledwie 2,5 kg.
Butla z wodorkiem metalu NS-MN1200 mieści 1200 litrów wodoru, co odpowiada 220Ah (12V). Waga cylindra wynosi 11 kg.

Technika wodorków metali to bezpieczny i łatwy sposób przechowywania, transportu i wykorzystania wodoru. Wodór przechowywany w postaci wodorku metalu występuje w postaci związku chemicznego, a nie w postaci gazowej. Metoda ta pozwala na uzyskanie odpowiednio dużej gęstości energii. Zaletą stosowania wodorku metalu jest to, że ciśnienie wewnątrz cylindra wynosi tylko 2-4 bary.

Butla nie jest wybuchowa i można ją przechowywać latami bez zmniejszania objętości substancji. Ponieważ wodór magazynowany jest w postaci wodorku metalu, czystość wodoru uzyskiwanego z butli jest bardzo wysoka – 99,999%. Butle do przechowywania wodoru z wodorkiem metalu można stosować nie tylko w ogniwach paliwowych HC 100,200,400, ale także w innych przypadkach, gdzie potrzebny jest czysty wodór. Butle można łatwo podłączyć do ogniwa paliwowego lub innego urządzenia za pomocą szybkozłącza i elastycznego węża.

Szkoda, że ​​te ogniwa paliwowe nie są sprzedawane w Rosji. Ale wśród naszej populacji jest tak wielu ludzi, którzy ich potrzebują. Cóż, poczekamy i zobaczymy, a zobaczysz, będziemy mieć trochę. W międzyczasie będziemy kupować narzucone przez państwo żarówki energooszczędne.

P.S. Wygląda na to, że temat wreszcie odszedł w zapomnienie. Tyle lat od napisania tego artykułu nic z niego nie wyszło. Może nie szukam oczywiście wszędzie, ale to, co rzuca mi się w oczy, wcale nie jest przyjemne. Technologia i pomysł są dobre, ale nie znalazły jeszcze żadnego rozwoju.

Ogniwo paliwowe to elektrochemiczne urządzenie do konwersji energii, które w wyniku reakcji chemicznej przekształca wodór i tlen w energię elektryczną. W wyniku tego procesu powstaje woda i wydziela się duża ilość ciepła. Ogniwo paliwowe przypomina akumulator, który można naładować, a następnie wykorzystać zmagazynowaną energię elektryczną.
Za wynalazcę ogniwa paliwowego uważa się Williama R. Grove'a, który wynalazł je już w 1839 roku. W tym ogniwie paliwowym jako elektrolit zastosowano roztwór kwasu siarkowego, a jako paliwo wodór, który w połączeniu z tlenem środek utleniający. Należy zaznaczyć, że do niedawna ogniwa paliwowe były stosowane wyłącznie w laboratoriach i na statkach kosmicznych.
W przyszłości ogniwa paliwowe będą mogły konkurować z wieloma innymi systemami konwersji energii (m.in. z turbinami gazowymi w elektrowniach), silnikami spalinowymi w samochodach czy akumulatorami elektrycznymi w urządzeniach przenośnych. Silniki spalinowe spalają paliwo i wykorzystują ciśnienie powstałe w wyniku rozprężania gazów spalinowych do wykonywania pracy mechanicznej. Baterie przechowują energię elektryczną, a następnie przekształcają ją w energię chemiczną, którą w razie potrzeby można ponownie przekształcić w energię elektryczną. Ogniwa paliwowe są potencjalnie bardzo wydajne. Już w 1824 roku francuski uczony Carnot udowodnił, że cykle sprężania i rozprężania silnika spalinowego nie mogą zapewnić sprawności konwersji energii cieplnej (czyli energii chemicznej spalania paliwa) na energię mechaniczną powyżej 50%. Ogniwo paliwowe nie ma ruchomych części (przynajmniej nie w samym ogniwie) i dlatego nie podlega prawu Carnota. Naturalnie będą miały sprawność większą niż 50% i są szczególnie skuteczne przy małych obciążeniach. Zatem pojazdy napędzane ogniwami paliwowymi mogą stać się (i już okazały się) bardziej oszczędne pod względem zużycia paliwa niż pojazdy konwencjonalne w rzeczywistych warunkach jazdy.
Ogniwo paliwowe wytwarza prąd elektryczny o stałym napięciu, który można wykorzystać do napędzania silnika elektrycznego, oświetlenia i innych układów elektrycznych w pojeździe. Istnieje kilka rodzajów ogniw paliwowych, różniących się zastosowanymi procesami chemicznymi. Ogniwa paliwowe są zwykle klasyfikowane według rodzaju stosowanego elektrolitu. Niektóre typy ogniw paliwowych są obiecujące w napędzie elektrowni, inne zaś mogą być przydatne w małych urządzeniach przenośnych lub do zasilania samochodów.
Alkaliczne ogniwo paliwowe jest jednym z pierwszych opracowanych ogniw. Są wykorzystywane w amerykańskim programie kosmicznym od lat 60. XX wieku. Takie ogniwa paliwowe są bardzo podatne na zanieczyszczenia i dlatego wymagają bardzo czystego wodoru i tlenu. Są również bardzo drogie, więc tego typu ogniwa paliwowe prawdopodobnie nie znajdą szerokiego zastosowania w samochodach.
Ogniwa paliwowe na bazie kwasu fosforowego mogą znaleźć zastosowanie w instalacjach stacjonarnych małej mocy. Pracują w dość wysokich temperaturach, dlatego nagrzewają się długo, co również czyni je nieskutecznymi w zastosowaniu w samochodach.
Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem lepiej nadają się do dużych stacjonarnych generatorów prądu, które mogłyby dostarczać energię do fabryk lub społeczności. Ten typ ogniwa paliwowego pracuje w bardzo wysokich temperaturach (około 1000°C). Wysoka temperatura pracy stwarza pewne problemy, ale z drugiej strony ma zaletę – parę wytwarzaną przez ogniwo paliwowe można przesłać do turbin, aby wygenerować więcej energii elektrycznej. Ogólnie rzecz biorąc, poprawia to ogólną wydajność systemu.
Jednym z najbardziej obiecujących systemów jest ogniwo paliwowe z membraną do wymiany protonów (PEMFC – Protone Exchange Membrane Fuel Cell). Obecnie ten rodzaj ogniw paliwowych jest najbardziej obiecujący, ponieważ może zasilać samochody osobowe, autobusy i inne pojazdy.

Procesy chemiczne w ogniwie paliwowym

Ogniwa paliwowe wykorzystują proces elektrochemiczny do łączenia wodoru z tlenem uzyskanym z powietrza. Podobnie jak baterie, ogniwa paliwowe wykorzystują elektrody (stałe przewodniki elektryczne) umieszczone w elektrolicie (ośrodku przewodzącym prąd elektryczny). Kiedy cząsteczki wodoru stykają się z elektrodą ujemną (anodą), ta ostatnia zostaje rozdzielona na protony i elektrony. Protony przechodzą przez membranę do wymiany protonów (POEM) do elektrody dodatniej (katody) ogniwa paliwowego, wytwarzając energię elektryczną. Następuje chemiczne połączenie cząsteczek wodoru i tlenu, w wyniku czego powstaje woda jako produkt uboczny tej reakcji. Jedynym rodzajem emisji z ogniwa paliwowego jest para wodna.
Energia elektryczna wytwarzana przez ogniwa paliwowe może zostać wykorzystana w elektrycznym układzie napędowym pojazdu (składającym się z przetwornika mocy i silnika indukcyjnego prądu przemiennego) w celu zapewnienia energii mechanicznej do napędzania pojazdu. Zadaniem przetwornicy energii elektrycznej jest konwersja prądu stałego wytwarzanego przez ogniwa paliwowe na prąd przemienny napędzający silnik trakcyjny pojazdu.

Schemat ogniwa paliwowego z membraną do wymiany protonów:
1 - anoda;
2 - membrana do wymiany protonów (PEM);
3 - katalizator (czerwony);
4 - katoda

Ogniwo paliwowe z membraną do wymiany protonów (PEMFC) wykorzystuje jedną z najprostszych reakcji występujących w każdym ogniwie paliwowym.

Jednoogniwowe ogniwo paliwowe

Przyjrzyjmy się, jak działa ogniwo paliwowe. Anoda, biegun ujemny ogniwa paliwowego, przewodzi elektrony uwolnione od cząsteczek wodoru, dzięki czemu można je wykorzystać w zewnętrznym obwodzie elektrycznym. W tym celu wygrawerowane są w nim kanały, które równomiernie rozprowadzają wodór na całej powierzchni katalizatora. Katoda (biegun dodatni ogniwa paliwowego) ma wytrawione kanały, które rozprowadzają tlen po powierzchni katalizatora. Przewodzi także elektrony z powrotem z zewnętrznej pętli (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 ma zdolność przepuszczania dodatnio naładowanych jonów i blokowania przejścia elektronów.
Katalizator to specjalny materiał ułatwiający reakcję tlenu z wodorem. Katalizator jest zwykle wykonany z proszku platyny nałożonego bardzo cienką warstwą na kalkę lub tkaninę. Katalizator musi być szorstki i porowaty, aby jego powierzchnia mogła mieć maksymalny kontakt z wodorem i tlenem. Strona katalizatora pokryta platyną znajduje się przed membraną do wymiany protonów (PEM).
Wodór (H2) jest dostarczany do ogniwa paliwowego pod ciśnieniem z anody. Kiedy cząsteczka H2 wchodzi w kontakt z platyną na katalizatorze, dzieli się na dwie części, dwa jony (H+) i dwa elektrony (e–). Elektrony są prowadzone przez anodę, gdzie przechodzą przez zewnętrzną pętlę (obwód), wykonując pożyteczną pracę (taką jak napędzanie silnika elektrycznego) i wracają po stronie katody ogniwa paliwowego.
Tymczasem po stronie katody ogniwa paliwowego gazowy tlen (O2) przechodzi przez katalizator, gdzie tworzy dwa atomy tlenu. Każdy z tych atomów ma silny ładunek ujemny, który przyciąga dwa jony H+ przez membranę, gdzie łączą się z atomem tlenu i dwoma elektronami z obwodu zewnętrznego, tworząc cząsteczkę wody (H 2 O).
Ta reakcja w pojedynczym ogniwie paliwowym wytwarza około 0,7 W mocy. Aby podnieść moc do wymaganego poziomu, należy połączyć wiele pojedynczych ogniw paliwowych, tworząc stos ogniw paliwowych.
Ogniwa paliwowe POM działają w stosunkowo niskich temperaturach (około 80°C), co oznacza, że ​​można je szybko doprowadzić do temperatury roboczej i nie wymagają drogich systemów chłodzenia. Ciągłe udoskonalanie technologii i materiałów stosowanych w tych ogniwach zbliżyło ich moc do punktu, w którym bateria takich ogniw paliwowych, zajmująca niewielką część bagażnika samochodu, jest w stanie zapewnić energię potrzebną do napędzania samochodu.
W ciągu ostatnich lat większość wiodących producentów samochodów na świecie poczyniła znaczne inwestycje w rozwój konstrukcji pojazdów wykorzystujących ogniwa paliwowe. Wiele z nich zademonstrowało już pojazdy napędzane ogniwami paliwowymi o zadowalającej mocy i osiągach, chociaż były dość drogie.
Udoskonalanie konstrukcji takich samochodów jest bardzo intensywne.

Pojazd zasilany ogniwami paliwowymi wykorzystuje elektrownię umieszczoną pod podłogą pojazdu

NECAR V bazuje na samochodzie Mercedes-Benz klasy A, a cały zespół napędowy wraz z ogniwami paliwowymi znajduje się pod podłogą samochodu. Takie rozwiązanie konstrukcyjne umożliwia przewożenie w samochodzie czterech pasażerów i bagażu. Tutaj jako paliwo do samochodu wykorzystywany jest nie wodór, ale metanol. Metanol za pomocą reformera (urządzenia przekształcającego metanol w wodór) przekształca się w wodór niezbędny do zasilania ogniwa paliwowego. Zastosowanie reformera na pokładzie samochodu umożliwia wykorzystanie jako paliwa niemal dowolnych węglowodorów, co pozwala na tankowanie samochodu zasilanego ogniwami paliwowymi przy wykorzystaniu istniejącej sieci stacji benzynowych. Teoretycznie ogniwa paliwowe wytwarzają jedynie energię elektryczną i wodę. Przekształcenie paliwa (benzyny lub metanolu) w wodór potrzebny do ogniw paliwowych nieco zmniejsza atrakcyjność ekologiczną takiego samochodu.
Honda, która zajmuje się ogniwami paliwowymi od 1989 r., w 2003 r. wyprodukowała małą partię pojazdów Honda FCX-V4 wyposażonych w ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów firmy Ballard. Ogniwa te generują 78 kW mocy elektrycznej, a do napędu kół napędowych służą elektryczne silniki trakcyjne o mocy 60 kW i momencie obrotowym 272 Nm. Samochód na ogniwa paliwowe w porównaniu do samochodu tradycyjnego waży ok 40% mniej, co zapewnia mu doskonałą dynamikę, a zasilanie sprężonym wodorem pozwala na przejechanie nawet 355 km.

Honda FCX do jazdy wykorzystuje energię elektryczną wytwarzaną przez ogniwa paliwowe.
Honda FCX to pierwszy na świecie pojazd napędzany ogniwami paliwowymi, który otrzymał certyfikat rządowy w Stanach Zjednoczonych. Samochód posiada certyfikat zgodny ze standardami ZEV - Zero Emission Vehicle (pojazd o zerowej emisji zanieczyszczeń). Honda nie zamierza jeszcze sprzedawać tych samochodów, ale leasinguje około 30 sztuk na sztukę. Kalifornia i Tokio, gdzie istnieje już infrastruktura do tankowania wodoru.

Pojazd koncepcyjny General Motors Hy Wire jest wyposażony w układ napędowy z ogniwami paliwowymi

General Motors prowadzi szeroko zakrojone badania nad rozwojem i tworzeniem pojazdów napędzanych ogniwami paliwowymi.

Podwozie samochodu Hy Wire

Na samochód koncepcyjny GM Hy Wire wydano 26 patentów. Podstawą samochodu jest funkcjonalna platforma o grubości 150 mm. Wewnątrz platformy znajdują się zbiorniki wodoru, układ napędowy oparty na ogniwach paliwowych oraz systemy sterowania pojazdem wykorzystujące najnowsze technologie drive-by-wire. Podwozie pojazdu Hy Wire to cienka platforma, w której znajdują się wszystkie główne elementy konstrukcyjne pojazdu: zbiorniki wodoru, ogniwa paliwowe, akumulatory, silniki elektryczne i układy sterowania. Takie podejście do projektowania umożliwia zmianę karoserii w trakcie eksploatacji. Firma testuje także prototypowe samochody marki Opel na ogniwa paliwowe oraz projektuje instalację do ich produkcji.

Projekt „bezpiecznego” zbiornika paliwa na skroplony wodór:
1 - urządzenie napełniające;
2 - zbiornik zewnętrzny;
3 - podpory;
4 - czujnik poziomu;
5 - zbiornik wewnętrzny;
6 - linia napełniania;
7 - izolacja i próżnia;
8 - grzejnik;
9 - skrzynka montażowa

BMW przywiązuje dużą wagę do problemu wykorzystania wodoru jako paliwa do samochodów osobowych. Wspólnie z firmą Magna Steyer, znaną z prac nad wykorzystaniem skroplonego wodoru w eksploracji kosmosu, BMW opracowało zbiornik paliwa na skroplony wodór, który można zastosować w samochodach.

Badania potwierdziły bezpieczeństwo stosowania zbiornika paliwa ciekłego wodoru

Firma przeprowadziła szereg badań bezpieczeństwa konstrukcji standardowymi metodami i potwierdziła jej niezawodność.
W 2002 roku na targach motoryzacyjnych we Frankfurcie nad Menem (Niemcy) zaprezentowano Mini Cooper Hydrogen, który jako paliwo wykorzystuje skroplony wodór. Zbiornik paliwa w tym samochodzie zajmuje tyle samo miejsca, co zwykły zbiornik paliwa. Wodór w tym samochodzie nie jest wykorzystywany do ogniw paliwowych, ale jako paliwo do silnika spalinowego.

Pierwszy na świecie samochód produkcyjny z ogniwem paliwowym zamiast akumulatora

W 2003 roku BMW ogłosiło produkcję pierwszego seryjnego samochodu z ogniwem paliwowym – BMW 750 hl. Zamiast tradycyjnego akumulatora zastosowano akumulator z ogniwami paliwowymi. Samochód ten wyposażony jest w 12-cylindrowy silnik spalinowy zasilany wodorem, a ogniwo paliwowe stanowi alternatywę dla konwencjonalnego akumulatora, umożliwiając działanie klimatyzatora i innych odbiorników energii elektrycznej, gdy samochód jest zaparkowany przez dłuższy czas bez włączonego silnika.

Napełnianie wodorem odbywa się za pomocą robota, w proces ten nie jest zaangażowany kierowca

Ta sama firma BMW opracowała także zrobotyzowane dystrybutory paliwa, które zapewniają szybkie i bezpieczne tankowanie samochodów skroplonym wodorem.
Pojawienie się w ostatnich latach dużej liczby osiągnięć mających na celu tworzenie samochodów wykorzystujących paliwa alternatywne i alternatywne układy napędowe sugeruje, że silniki spalinowe, które dominowały w samochodach przez ostatnie stulecie, ostatecznie ustąpią miejsca czystszym, bardziej ekologicznym i cichym konstrukcjom . Ich powszechne przyjęcie jest obecnie ograniczone nie względami technicznymi, ale raczej problemami gospodarczymi i społecznymi. Do ich powszechnego stosowania konieczne jest stworzenie określonej infrastruktury dla rozwoju produkcji paliw alternatywnych, tworzenia i dystrybucji nowych stacji benzynowych oraz pokonanie szeregu barier psychologicznych. Stosowanie wodoru jako paliwa do pojazdów będzie wymagało rozwiązania kwestii związanych z magazynowaniem, dostawą i dystrybucją przy zastosowaniu poważnych środków bezpieczeństwa.
Wodór jest teoretycznie dostępny w nieograniczonych ilościach, jednak jego produkcja jest bardzo energochłonna. Ponadto, aby przerobić samochody na paliwo wodorowe, należy dokonać dwóch dużych zmian w systemie zasilania: po pierwsze, przełączenie jego pracy z benzyny na metanol, a następnie, z czasem, na wodór. Minie trochę czasu, zanim ten problem zostanie rozwiązany.