Ogniwo paliwowe zrób to sam w domu. Elementy paliwowe. Generatory elektrochemiczne. Aplikacja

Jak istnienie różne rodzaje silników spalinowych istnieją różne rodzaje ogniw paliwowych – wybór odpowiedniego rodzaju ogniwa paliwowego zależy od jego zastosowania.

ogniwa paliwowe dzieli się na wysoką temperaturę i niską temperaturę. Niskotemperaturowe ogniwa paliwowe wymagają względnie czystego wodoru jako paliwa. Często oznacza to, że przetwarzanie paliwa jest wymagane w celu przekształcenia paliwa podstawowego (takiego jak gaz ziemny) w czysty wodór. Proces ten zużywa dodatkową energię i wymaga specjalnego sprzętu. Wysokotemperaturowe ogniwa paliwowe nie potrzebuję tego dodatkowa procedura, ponieważ mogą przeprowadzać „wewnętrzną konwersję” paliwa o godz podwyższonych temperaturach, co oznacza brak konieczności inwestowania w infrastrukturę wodorową.

Ogniwa paliwowe na stopionym węglanie (MCFC)

Ogniwa paliwowe ze stopionym elektrolitem węglanowym to wysokotemperaturowe ogniwa paliwowe. Wysoka temperatura pracy pozwala na bezpośrednie wykorzystanie gazu ziemnego bez procesora paliwowego oraz niskokalorycznego gazu opałowego z paliw procesowych i innych źródeł. Proces ten został opracowany w połowie lat 60. Od tego czasu technologia produkcji, wydajność i niezawodność zostały udoskonalone.

Działanie RCFC różni się od innych ogniw paliwowych. Ogniwa te wykorzystują elektrolit z mieszaniny stopionych soli węglanowych. Obecnie stosuje się dwa rodzaje mieszanin: węglan litu i węglan potasu lub węglan litu i węglan sodu. Aby stopić sole węglanowe i osiągnąć wysoki stopień 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 przewodnikami dla jonów węglanowych (CO 3 2-). Jony te przechodzą z katody do anody, gdzie łączą się z wodorem, tworząc wodę, dwutlenek węgla i wolne elektrony. Te elektrony są wysyłane wzdłuż zewnętrznej obwód elektryczny z powrotem do katody podczas generowania Elektryczność i ciepło jako produkt uboczny.

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

Wysokie temperatury pracy ogniw paliwowych ze stopionym elektrolitem węglanowym mają pewne zalety. W wysokich temperaturach następuje wewnętrzne reformowanie gazu ziemnego, co eliminuje potrzebę stosowania procesora paliwa. Dodatkowo do zalet można zaliczyć możliwość zastosowania standardowych materiałów konstrukcyjnych, takich jak blacha ze stali nierdzewnej oraz katalizator niklowy na elektrodach. Ciepło odpadowe można wykorzystać do wytwarzania pary pod wysokim ciśnieniem do różnych zastosowań przemysłowych i handlowych.

Wysokie temperatury reakcji w elektrolicie mają również swoje zalety. Przy zastosowaniu wysokich temperatur osiągnięcie optymalnych warunków pracy zajmuje dużo czasu, a system wolniej reaguje na zmiany zużycia energii. Te właściwości pozwalają na stosowanie systemów ogniw paliwowych ze stopionym elektrolitem węglanowym w warunkach stałej mocy. Wysokie temperatury zapobiegają uszkodzeniu ogniwa paliwowego przez tlenek węgla, „zatruciu” itp.

Ogniwa paliwowe ze stopionego węglanu nadają się do stosowania w dużych instalacjach stacjonarnych. Przemysłowo produkowane elektrownie cieplne z mocą energia elektryczna 2,8 MW. Rozwijane są elektrownie o mocy do 100 MW.

Ogniwa paliwowe z kwasem fosforowym (PFC)

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

Ogniwa paliwowe oparte na kwasie fosforowym (ortofosforowym) wykorzystują elektrolit na bazie Kwas fosforowy(H 3 PO 4) o stężeniu do 100%. Przewodnictwo jonowe kwasu fosforowego jest niskie przy niskie temperatury, z tego powodu te ogniwa paliwowe są używane w temperaturach do 150–220°C.

Nośnik ładunku w ogniwach paliwowych tego typu oznacza wodór (H + , proton). Podobny proces zachodzi w ogniwach paliwowych z membraną do wymiany protonów (MEFC), w których wodór dostarczany do anody jest rozdzielany na protony i elektrony. Protony przechodzą przez elektrolit i łączą się z tlenem z powietrza na katodzie, tworząc wodę. Elektrony są kierowane wzdłuż zewnętrznego obwodu elektrycznego i generowany jest prąd elektryczny. Poniżej przedstawiono reakcje generujące energię elektryczną i ciepło.

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

Sprawność ogniw paliwowych opartych na kwasie fosforowym (ortofosforowym) podczas generowania wynosi ponad 40%. energia elektryczna. W skojarzonej produkcji ciepła i energii elektrycznej ogólna sprawność wynosi około 85%. Ponadto, przy określonych temperaturach roboczych, ciepło odpadowe może być wykorzystywane do podgrzewania wody i wytwarzania pary o ciśnieniu atmosferycznym.

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

Elektrownie cieplne o mocy elektrycznej do 400 kW są produkowane przemysłowo. Odpowiednie testy przeszły instalacje o mocy 11 MW. Rozwijane są elektrownie o mocy do 100 MW.

Ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów (PME)

Za najbardziej uważane są ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów najlepszy typ ogniwa paliwowe do generowania mocy pojazdu, która może zastąpić benzynę i silniki Diesla wewnętrzne spalanie. Te ogniwa paliwowe zostały po raz pierwszy użyte przez NASA w programie Gemini. Obecnie opracowywane i demonstrowane są instalacje na MOPFC o mocy od 1 W do 2 kW.

Te ogniwa paliwowe jako elektrolit wykorzystują stałą membranę polimerową (cienką folię z tworzywa sztucznego). Impregnowany wodą polimer przepuszcza protony, ale nie przewodzi elektronów.

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

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

W porównaniu z innymi typami ogniw paliwowych, ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów wytwarzają więcej mocy przy danej objętości lub wadze ogniwa paliwowego. Ta cecha sprawia, że są kompaktowe i lekkie. Dodatkowo temperatura pracy jest niższa niż 100°C, co pozwala na szybkie rozpoczęcie pracy. Te cechy, a także możliwość szybkiej zmiany mocy wyjściowej, to tylko niektóre z cech, które czynią te ogniwa paliwowe najlepszymi kandydatami do zastosowania w pojazdy.

Inną zaletą jest to, że elektrolit jest substancją stałą, a nie płynną. Utrzymywanie gazów na katodzie i anodzie jest łatwiejsze w przypadku stałego elektrolitu, dlatego takie ogniwa paliwowe są tańsze w produkcji. W porównaniu z innymi elektrolitami zastosowanie elektrolitu stałego nie stwarza problemów takich jak orientacja, jest mniej problemów związanych z występowaniem korozji, co prowadzi do dłuższej żywotności ogniwa i jego elementów.

Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC)

Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem to ogniwa paliwowe o najwyższej temperaturze roboczej. Temperatura pracy może wahać się od 600°C do 1000°C, co pozwala na stosowanie różnych rodzajów paliw bez specjalnej obróbki wstępnej. Aby poradzić sobie z tymi wysokimi temperaturami, stosowanym elektrolitem jest cienki stały tlenek metalu na bazie ceramiki, często stop itru i cyrkonu, który jest przewodnikiem jonów tlenu (O 2 -). Technologia wykorzystania ogniw paliwowych ze stałym tlenkiem rozwija się od końca lat pięćdziesiątych XX wieku. i ma dwie konfiguracje: płaską i rurową.

Stały elektrolit zapewnia hermetyczne przejście gazu z jednej elektrody do drugiej, podczas gdy ciekłe elektrolity znajdują się w porowatym podłożu. Nośnikiem ładunku w ogniwach paliwowych tego typu jest jon tlenu (O 2 -). Na katodzie cząsteczki tlenu są rozdzielane z powietrza na jon tlenu i cztery elektrony. Jony tlenu przechodzą przez elektrolit i łączą się z wodorem, tworząc cztery wolne elektrony. Elektrony są kierowane przez zewnętrzny obwód elektryczny, generując prąd elektryczny i ciepło odpadowe.

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

Sprawność generowanej energii elektrycznej jest najwyższa ze wszystkich ogniw paliwowych - około 60%. Ponadto wysokie temperatury robocze pozwalają na łączne wytwarzanie ciepła i energii elektrycznej w celu wytworzenia pary pod wysokim ciśnieniem. Połączenie wysokotemperaturowego ogniwa paliwowego z turbiną tworzy hybrydowe ogniwo paliwowe, które zwiększa wydajność wytwarzania energii elektrycznej nawet o 70%.

Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem pracują w bardzo wysokich temperaturach (600°C-1000°C), co skutkuje długim czasem do osiągnięcia optymalnych warunków pracy, a system wolniej reaguje na zmiany poboru mocy. Przy tak wysokich temperaturach roboczych nie jest wymagany konwerter do odzyskiwania wodoru z paliwa, co pozwala elektrociepłowni pracować ze stosunkowo zanieczyszczonymi paliwami ze zgazowania węgla lub gazów odlotowych i tym podobnych. Ponadto to ogniwo paliwowe doskonale nadaje się do pracy duża moc, w tym przemysłowych i dużych elektrowni centralnych. Przemysłowo produkowane moduły o wyjściowej mocy elektrycznej 100 kW.

Ogniwa paliwowe z bezpośrednim utlenianiem metanolu (DOMTE)

Technologia wykorzystania ogniw paliwowych z bezpośrednim utlenianiem metanolu przechodzi okres aktywnego rozwoju. Z powodzeniem ugruntowała swoją pozycję w dziedzinie żywienia telefony komórkowe, laptopów, a także do tworzenia przenośnych źródeł energii elektrycznej. jaki jest cel przyszłego zastosowania tych elementów.

Budowa ogniw paliwowych z bezpośrednim utlenianiem metanolu jest podobna do ogniw paliwowych z membraną do wymiany protonów (MOFEC), tj. polimer jest używany jako elektrolit, a jon wodoru (proton) jako nośnik ładunku. Jednak ciekły metanol (CH 3 OH) utlenia się w obecności wody na anodzie, uwalniając CO 2 , jony wodoru i elektrony, które są kierowane przez zewnętrzny obwód elektryczny i generowany jest prąd elektryczny. Jony wodoru przechodzą przez elektrolit i reagują z tlenem z powietrza i elektronami z obwodu zewnętrznego, tworząc wodę na anodzie.

Reakcja na anodzie: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Reakcja na katodzie: 3 / 2 O 2 + 6H + + 6e - => 3H 2 O
Ogólna reakcja elementarna: CH 3 OH + 3/2 O 2 => CO 2 + 2H 2 O

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

Elementy te zostały przetestowane w zakresie temperatur 50-120°C. Dzięki niskim temperaturom roboczym i braku potrzeby stosowania konwertera ogniwa paliwowe zasilane metanolem są najlepszym kandydatem do wielu zastosowań, od telefonów komórkowych i innych produktów konsumenckich po silniki samochodowe. Zaletą tego typu ogniw paliwowych są ich niewielkie rozmiary, wynikające z zastosowania paliwa płynnego oraz brak konieczności stosowania konwertera.

Alkaliczne ogniwa paliwowe (AFC)

Alkaliczne ogniwa paliwowe (ALFC) są jedną z najczęściej badanych technologii i są stosowane od połowy lat 60. XX wieku. przez NASA w programach Apollo i Space Shuttle. Na pokładzie tych statków kosmicznych ogniwa paliwowe wytwarzają energię elektryczną i wodę pitną. Alkaliczne ogniwa paliwowe są jednymi z najwydajniejszych elementów wykorzystywanych do wytwarzania energii elektrycznej, a ich sprawność wytwarzania energii dochodzi do 70%.

Alkaliczne ogniwa paliwowe wykorzystują elektrolit, tj. roztwór wodny wodorotlenek potasu zawarty w porowatej stabilizowanej matrycy. Stężenie wodorotlenku potasu może zmieniać się w zależności od temperatury pracy ogniwa paliwowego, która waha się od 65°C do 220°C. Nośnikiem ładunku w SFC jest jon wodorotlenkowy (OH-) przemieszczający się z katody do anody, gdzie reaguje z wodorem, tworząc wodę i elektrony. Woda wytwarzana na anodzie wraca do katody, ponownie wytwarzając tam jony wodorotlenkowe. W wyniku tej serii reakcji zachodzących w ogniwie paliwowym powstaje energia elektryczna, a jako produkt uboczny ciepło:

Reakcja na anodzie: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reakcja na katodzie: O 2 + 2H 2 O + 4e - \u003d\u003e 4OH -
Ogólna reakcja układu: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Zaletą SFC jest to, że te ogniwa paliwowe są najtańsze w produkcji, ponieważ katalizatorem potrzebnym na elektrodach może być dowolna substancja, która jest tańsza niż te stosowane jako katalizatory w innych ogniwach paliwowych. Ponadto SCFC działają w relatywnie niskiej temperaturze i należą do najbardziej wydajnych ogniw paliwowych – taka charakterystyka może odpowiednio przyczynić się do szybszego wytwarzania energii i wysokiej efektywności paliwowej.

Jeden z charakterystyczne cechy SHTE - wysoka wrażliwość na CO 2, który może być zawarty w paliwie lub powietrzu. CO 2 reaguje z elektrolitem, szybko go zatruwa i znacznie zmniejsza wydajność ogniwa paliwowego. Dlatego użycie SFC jest ograniczone do przestrzeni zamkniętych, takich jak pojazdy kosmiczne i podwodne, muszą one działać na czystym wodorze i tlenie. Co więcej, molekuły takie jak CO, H 2 O i CH 4 , które są bezpieczne dla innych ogniw paliwowych, a nawet paliwo dla niektórych z nich, są szkodliwe dla SFC.

Ogniwa paliwowe z elektrolitem polimerowym (PETE)

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

Ogniwa paliwowe na kwas stały (SCFC)

W kwasowych ogniwach paliwowych elektrolit (C s HSO 4 ) nie zawiera wody. Temperatura robocza wynosi zatem 100-300°C. Rotacja anionów SO 4 2-oksy umożliwia ruch protonów (kolor czerwony), jak pokazano na rysunku. Zwykle kwasowe ogniwo paliwowe to kanapka, w której bardzo cienka warstwa związku stałego kwasu jest umieszczona pomiędzy dwiema mocno ściśniętymi elektrodami, aby zapewnić dobry kontakt. Po podgrzaniu składnik organiczny odparowuje, wydostając się przez pory w elektrodach, zachowując zdolność do licznych kontaktów między paliwem (lub tlenem na drugim końcu ogniwa), elektrolitem i elektrodami.

Typ ogniwa paliwowego	Temperatura pracy	Efektywność wytwarzania energii	Typ paliwa	Obszar zastosowań
RKTE	550–700°C	50-70%		Średnie i duże instalacje
FKTE	100–220°C	35-40%	czysty wodór	Duże instalacje
MOPTE	30-100°C	35-50%	czysty wodór	Małe instalacje
SOFC	450–1000°C	45-70%	Większość paliw węglowodorowych	Małe, średnie i duże instalacje
POMTE	20-90°C	20-30%	metanol	Jednostki przenośne
SHTE	50–200°C	40-65%	czysty wodór	badanie przestrzeni kosmicznej
PETE	30-100°C	35-50%	czysty wodór	Małe instalacje

Sir William Grove dużo wiedział o elektrolizie, więc postawił hipotezę, że w procesie (który rozkłada wodę na składowy wodór i tlen poprzez przewodzenie przez nią elektryczności) mógłby wytworzyć, gdyby został odwrócony. Po obliczeniach na papierze przeszedł do etapu eksperymentalnego i zdołał udowodnić swoje pomysły. Udowodniona hipoteza została opracowana przez naukowców Ludwiga Monda i jego asystenta Charlesa Langre, udoskonaliła technologię iw 1889 r. nadała jej nazwę zawierającą dwa słowa - „ogniwo paliwowe”.

Teraz to zdanie ugruntowało się w codziennym życiu kierowców. Z pewnością nie raz słyszałeś termin „ogniwo paliwowe”. W wiadomościach w Internecie, w telewizji coraz częściej pojawiają się nowomodne słowa. Zwykle odnoszą się do opowieści o najnowszych pojazdach hybrydowych lub programach rozwoju tych pojazdów hybrydowych.

Na przykład 11 lat temu w USA uruchomiono program „The Hydrogen Fuel Initiative”. Program koncentrował się na opracowaniu technologii wodorowych ogniw paliwowych i infrastruktury potrzebnych do uczynienia pojazdów napędzanych ogniwami paliwowymi praktycznymi i ekonomicznie opłacalnymi do 2020 r. Nawiasem mówiąc, w tym czasie na program przeznaczono ponad 1 miliard dolarów, co wskazuje na poważny zakład, na który postawiły władze USA.

Po drugiej stronie oceanu producenci samochodów również byli w pogotowiu, rozpoczynając lub kontynuując badania nad samochodami napędzanymi ogniwami paliwowymi. , a nawet kontynuował prace nad budową solidnej technologii ogniw paliwowych.

Największy sukces w tej dziedzinie wśród wszystkich światowych producentów samochodów odniosło dwóch japońskich producentów samochodów i. Ich modele z ogniwami paliwowymi są już w pełnej produkcji, a ich konkurenci są tuż za nimi.

Dlatego ogniwa paliwowe w przemyśle motoryzacyjnym już tu zostaną. Rozważ zasady tej technologii i jej zastosowanie w nowoczesnych samochodach.

Zasada działania ogniwa paliwowego

Faktycznie, . Z punkt techniczny Z punktu widzenia ogniwo paliwowe można zdefiniować jako urządzenie elektrochemiczne służące do przetwarzania energii. Przekształca cząsteczki wodoru i tlenu w wodę, wytwarzając przy tym prąd stały.

Istnieje wiele rodzajów ogniw paliwowych, niektóre są już stosowane w samochodach, inne są testowane w badaniach. Większość z nich wykorzystuje wodór i tlen jako główne pierwiastki chemiczne potrzebne do konwersji.

Podobna procedura odbywa się w konwencjonalna bateria, z tą tylko różnicą, że posiada już wszystkie niezbędne chemikalia potrzebne do konwersji "na pokładzie", zaś ogniwo paliwowe może być "naładowane" z zewnętrznego źródła, tak aby proces "produkcji" elektryczności mógł być kontynuowany. Oprócz pary wodnej i energii elektrycznej, kolejnym produktem ubocznym zabiegu jest wytwarzane ciepło.

Wodorowo-tlenowe ogniwo paliwowe z membraną do wymiany protonów zawiera polimerową membranę przewodzącą protony, która oddziela dwie elektrody, anodę i katodę. Każda elektroda jest zwykle płytką węglową (matrycą) z osadzonym katalizatorem - platyną lub stopem platynoidów i innymi kompozycjami.

Na katalizatorze anodowym wodór cząsteczkowy dysocjuje i traci elektrony. Kationy wodoru przechodzą przez membranę do katody, ale elektrony są oddawane do obwodu zewnętrznego, ponieważ membrana nie przepuszcza elektronów.

Na katalizatorze katodowym cząsteczka tlenu łączy się z elektronem (który jest dostarczany z komunikacji zewnętrznej) i nadchodzącym protonem i tworzy wodę, która jest jedynym produktem reakcji (w postaci pary i/lub cieczy).

wikipedia.org

Zastosowanie w samochodach

Spośród wszystkich rodzajów ogniw paliwowych, ogniwa paliwowe oparte na membranach do wymiany protonów lub, jak się je nazywa na Zachodzie, ogniwa paliwowe z membraną do wymiany polimerów (PEMFC), stały się najlepszymi kandydatami do zastosowania w pojazdach. Głównym tego powodem jest duża gęstość mocy i stosunkowo niska temperatura pracy, co z kolei oznacza, że uruchomienie ogniw paliwowych nie zajmuje dużo czasu. Szybko się rozgrzeją i zaczną produkować wymagana ilość Elektryczność. Wykorzystuje również jedną z najprostszych reakcji ze wszystkich rodzajów ogniw paliwowych.

Pierwszy pojazd z tą technologią powstał w 1994 roku, kiedy to Mercedes-Benz wprowadził model MB100 oparty na modelu NECAR1 (nowy samochód elektryczny 1). Oprócz małej mocy wyjściowej (tylko 50 kilowatów) największą wadą tej koncepcji było to, że ogniwo paliwowe zajmowało całą objętość przedział ładunkowy awangarda.

Co więcej, z punktu widzenia bezpieczeństwo bierne, to był okropny pomysł produkcja masowa, biorąc pod uwagę konieczność zainstalowania na pokładzie masywnego zbiornika wypełnionego łatwopalnym wodorem pod ciśnieniem.

W ciągu następnej dekady technologia ewoluowała i jedna z najnowszych koncepcji ogniw paliwowych Mercedesa miała moc wyjściową 115 KM. (85 kW) i zasięg około 400 kilometrów przed tankowaniem. Oczywiście Niemcy nie byli jedynymi pionierami w rozwoju ogniw paliwowych przyszłości. Nie zapomnij o dwóch Japończykach, Toyocie i . Jednym z największych graczy motoryzacyjnych była Honda, która wprowadziła samochód produkcyjny elektrownia na wodorowych ogniwach paliwowych. Leasingowa sprzedaż FCX Clarity w Stanach Zjednoczonych rozpoczęła się latem 2008 roku; nieco później sprzedaż samochodu przeniosła się do Japonii.

Toyota poszła jeszcze dalej z Mirai, którego zaawansowany system wodorowych ogniw paliwowych najwyraźniej jest w stanie zapewnić futurystycznemu samochodowi zasięg 520 km na jednym zbiorniku, który można zatankować w mniej niż pięć minut, podobnie jak konwencjonalny. Dane dotyczące zużycia paliwa zadziwią każdego sceptyka, są niewiarygodne nawet jak na samochód z klasyczną elektrownią, zużywa 3,5 litra, niezależnie od tego, czy samochód jest używany w mieście, na autostradzie, czy w cyklu mieszanym.

Minęło osiem lat. Honda dobrze wykorzystała ten czas. Drugi generacji Hondy FCX Clarity jest już w sprzedaży. Stosy ogniw paliwowych są o 33% bardziej kompaktowe niż w pierwszym modelu, a gęstość mocy wzrosła o 60%. Honda zapewnia, że ogniwo paliwowe i zintegrowane jednostka mocy Ogniwo paliwowe Clarity jest porównywalne wielkością do silnika V6, pozostawiając wystarczająco dużo miejsca we wnętrzu dla pięciu pasażerów i ich bagażu.

Szacunkowy zasięg to 500 km, a cenę wywoławczą nowych elementów należy ustalić na 60 000 USD. Kosztowny? Wręcz przeciwnie, jest bardzo tani. Na początku 2000 roku samochody z tymi technologiami kosztowały 100 000 dolarów.

Ogniwa paliwowe (generatory elektrochemiczne) to bardzo wydajna, trwała, niezawodna i przyjazna dla środowiska metoda wytwarzania energii. Początkowo stosowane były tylko w przemyśle kosmicznym, jednak obecnie generatory elektrochemiczne są coraz częściej wykorzystywane w różnych dziedzinach: są to zasilacze do telefonów komórkowych i laptopów, silniki pojazdów, autonomiczne zasilacze budynków, elektrownie stacjonarne. Część z tych urządzeń pracuje jako prototypy laboratoryjne, część służy do celów demonstracyjnych lub przechodzi testy przedseryjne. Jednak wiele modeli jest już wykorzystywanych w projektach komercyjnych i jest produkowanych masowo.

Urządzenie

Ogniwa paliwowe to urządzenia elektrochemiczne zdolne do zapewnienia wysokiego stopnia konwersji istniejącej energii chemicznej na energię elektryczną.

Urządzenie na ogniwo paliwowe składa się z trzech głównych części:

Sekcja Energetyki;
PROCESOR;
Transformator napięcia.

Główną częścią ogniwa paliwowego jest sekcja wytwarzania energii, którą stanowi bateria zbudowana z pojedynczych ogniw paliwowych. Katalizator platynowy jest zawarty w strukturze elektrod ogniwa paliwowego. Za pomocą tych ogniw powstaje stały prąd elektryczny.

Jedno z tych urządzeń ma następujące cechy: przy napięciu 155 woltów wydawane jest 1400 amperów. Wymiary baterii to 0,9 m szerokości i wysokości oraz 2,9 m długości. Proces elektrochemiczny odbywa się w nim w temperaturze 177°C, co wymaga nagrzania akumulatora w momencie rozruchu, a także odprowadzania ciepła w trakcie jego pracy. W tym celu w skład ogniwa paliwowego wchodzi oddzielny obieg wody, w tym akumulator wyposażony jest w specjalne płyty chłodzące.

Proces paliwowy przekształca gaz ziemny w wodór, który jest niezbędny do reakcji elektrochemicznej. Głównym elementem procesora paliwa jest reformer. W nim gaz ziemny (lub inne paliwo zawierające wodór) oddziałuje pod wysokim ciśnieniem i w wysokiej temperaturze (około 900 ° C) z parą wodną pod działaniem katalizatora niklowego.

Jest palnik do utrzymania wymaganej temperatury reformera. Para potrzebna do reformingu jest generowana z kondensatu. W stosie ogniw paliwowych wytwarzany jest niestabilny prąd stały, a do jego konwersji używany jest konwerter napięcia.

Również w jednostce przetwornicy napięcia znajdują się:

urządzenia sterujące.
Obwody blokady bezpieczeństwa, które wyłączają ogniwo paliwowe w przypadku różnych usterek.

Zasada działania

Najprostszy element z membraną do wymiany protonów składa się z polimerowej membrany, która znajduje się pomiędzy anodą i katodą oraz katalizatorów katodowych i anodowych. Membrana polimerowa jest stosowana jako elektrolit.

Membrana do wymiany protonów wygląda jak cienki stały związek organiczny o małej grubości. Membrana ta działa jak elektrolit, w obecności wody rozdziela substancję na jony naładowane ujemnie i dodatnio.
Utlenianie rozpoczyna się na anodzie, a redukcja zachodzi na katodzie. Katoda i anoda w ogniwie PEM wykonane są z porowatego materiału, będącego mieszaniną cząstek platyny i węgla. Platyna działa jak katalizator, który sprzyja reakcji dysocjacji. Katoda i anoda są porowate, dzięki czemu tlen i wodór mogą swobodnie przez nie przechodzić.
Anoda i katoda znajdują się pomiędzy dwiema metalowymi płytkami, dostarczają tlen i wodór do katody i anody oraz odprowadzają energię elektryczną, ciepło i wodę.
Poprzez kanały w płytce cząsteczki wodoru wchodzą do anody, gdzie cząsteczki ulegają rozkładowi na atomy.
W wyniku chemisorpcji, pod wpływem katalizatora, atomy wodoru przekształcają się w dodatnio naładowane jony wodoru H +, czyli protony.
Protony dyfundują do katody przez membranę, a strumień elektronów trafia do katody przez specjalny zewnętrzny obwód elektryczny. Podłączone jest do niego obciążenie, czyli odbiorca energii elektrycznej.
Tlen, który jest dostarczany do katody, po odsłonięciu wchodzi w reakcję chemiczną z elektronami z zewnętrznego obwodu elektrycznego i jonami wodoru z membrany wymiany protonów. Wynikiem tej reakcji chemicznej jest woda.

Reakcja chemiczna zachodząca w innych typach ogniw paliwowych (np kwaśny elektrolit w postaci kwasu fosforowego H3PO4) jest całkowicie identyczna z reakcją urządzenia z membraną do wymiany protonów.

Rodzaje

Obecnie znanych jest kilka rodzajów ogniw paliwowych, różniących się składem zastosowanego elektrolitu:

Ogniwa paliwowe na bazie kwasu ortofosforowego lub fosforowego (PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cells).
Urządzenia z membraną do wymiany protonów (PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cells).
Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC, ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem).
Generatory elektrochemiczne na bazie stopionego węglanu (MCFC, Molten Carbonate Fuel Cells).

W tej chwili generatory elektrochemiczne wykorzystujące technologię PAFC stały się bardziej rozpowszechnione.

Aplikacja

Obecnie ogniwa paliwowe są wykorzystywane w „ prom kosmiczny”, statek kosmiczny wielokrotnego użytku. Używają jednostek 12W. Wytwarzają całą energię elektryczną statek kosmiczny. Woda, która powstaje podczas reakcji elektrochemicznej, jest wykorzystywana do picia, w tym do chłodzenia urządzeń.

Generatory elektrochemiczne były również używane do zasilania radzieckiego Burana, statku wielokrotnego użytku.

Ogniwa paliwowe są również wykorzystywane w sektorze cywilnym.

Instalacje stacjonarne o mocy 5–250 kW i większej. Stosowane są jako autonomiczne źródła zasilania w ciepło i energię obiektów przemysłowych, użyteczności publicznej i mieszkalnych, zasilacze awaryjne i rezerwowe, zasilacze bezprzerwowe.
Jednostki przenośne o mocy 1–50 kW. Są używane w satelitach kosmicznych i statkach. Tworzone są instancje dla wózków golfowych, wózków inwalidzkich, lodówek kolejowych i towarowych, znaków drogowych.
Jednostki mobilne o mocy 25–150 kW. Zaczynają być stosowane w okrętach wojennych i łodziach podwodnych, w tym w samochodach i innych pojazdach. Powstały już takie prototypy gigantów motoryzacyjnych jak Renault, Neoplan, Toyota, Volkswagen, Hyundai, Nissan, VAZ, General Motors, Honda, Ford i inne.
Mikrourządzenia o mocy 1–500 W. Znajdują zastosowanie w zaawansowanych komputerach podręcznych, laptopach, gospodarstwach domowych urządzenia elektryczne ach, telefony komórkowe, nowoczesne urządzenia wojskowe.

Osobliwości

Część energii reakcji chemicznej w każdym ogniwie paliwowym jest uwalniana w postaci ciepła. Wymagane chłodzenie. W obwodzie zewnętrznym przepływ elektronów wytwarza prąd stały wykorzystywany do wykonania pracy. Zatrzymanie ruchu jonów wodorowych lub otwarcie obwodu zewnętrznego prowadzi do przerwania reakcji chemicznej.
Ilość energii elektrycznej wytwarzanej przez ogniwa paliwowe zależy od ciśnienia gazu, temperatury, wymiarów geometrycznych i typu ogniwa paliwowego. Aby zwiększyć ilość energii elektrycznej wytwarzanej w reakcji, można zwiększyć rozmiar ogniw paliwowych, ale w praktyce stosuje się kilka elementów, które są łączone w baterie.
Proces chemiczny w niektórych typach ogniw paliwowych można odwrócić. Oznacza to, że po przyłożeniu różnicy potencjałów do elektrod woda może zostać rozłożona na tlen i wodór, które zostaną zebrane na porowatych elektrodach. Przy włączeniu obciążenia takie ogniwo paliwowe będzie generować energię elektryczną.

horyzont

Obecnie generatory elektrochemiczne do wykorzystania jako główne źródło energii wymagają dużych kosztów początkowych. Wraz z wprowadzeniem bardziej stabilnych membran o wysokiej przewodności, wydajnych i tanich katalizatorów, alternatywnych źródeł wodoru, ogniwa paliwowe staną się wysoce atrakcyjne ekonomicznie i będą wprowadzane wszędzie.

Samochody będą napędzane ogniwami paliwowymi, w ogóle nie będą miały silników spalinowych. Jako źródło energii zostanie wykorzystana woda lub wodór w stanie stałym. Tankowanie będzie łatwe i bezpieczne, a jazda ekologiczna – generowana będzie tylko para wodna.
Wszystkie budynki będą miały własne przenośne generatory prądu na ogniwa paliwowe.
Generatory elektrochemiczne zastąpią wszystkie baterie i znajdą się w każdym sprzęcie RTV i AGD.

Zalety i wady

Każdy rodzaj ogniw paliwowych ma swoje zalety i wady. Niektórzy żądają wysoka jakość paliwa, inne mają złożoną strukturę, wymagają wysokiej temperatury pracy.

Ogólnie można wskazać następujące zalety ogniw paliwowych:

bezpieczeństwo dla środowiska;
generatory elektrochemiczne nie wymagają ładowania;
generatory elektrochemiczne mogą wytwarzać energię w sposób ciągły, nie przejmują się warunkami zewnętrznymi;
elastyczność pod względem skali i przenośności.

Wśród wad są:

trudności techniczne z magazynowaniem i transportem paliw;
niedoskonałe elementy urządzenia: katalizatory, membrany itp.

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

Ogniwo paliwowe to urządzenie, które wydajnie 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. Ponownie, podobnie jak akumulator, ogniwo paliwowe zawiera anodę, katodę i elektrolit. Jednak w przeciwieństwie do akumulatorów, ogniwa paliwowe nie mogą magazynować energii elektrycznej, nie rozładowują się i nie wymagają ładowania energii elektrycznej. Ogniwa paliwowe mogą stale wytwarzać energię elektryczną, o ile mają zapas paliwa i powietrza. Właściwym terminem opisującym działające ogniwo paliwowe jest system ogniw, ponieważ do prawidłowego funkcjonowania wymaga on pewnych systemów pomocniczych.

W przeciwieństwie do innych generatorów prądu, takich jak silniki spalinowe czy turbiny zasilane gazem, węglem, ropą itp., ogniwa paliwowe nie spalają paliwa. Oznacza to brak hałaśliwych wirników wysokociśnieniowych, głośnego wydechu, brak wibracji. Ogniwa paliwowe wytwarzają energię elektryczną poprzez cichą reakcję elektrochemiczną. Inną cechą ogniw paliwowych jest to, że przekształcają 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 przez ogniwa paliwowe są woda w postaci pary oraz niewielka ilość dwutlenku węgla, który nie jest emitowany w ogóle, jeśli jako paliwo stosuje się czysty wodór. Ogniwa paliwowe są łączone w zespoły, a następnie w poszczególne moduły funkcjonalne.

Zasada działania ogniw paliwowych

Ogniwa paliwowe wytwarzają energię elektryczną i ciepło w wyniku zachodzącej reakcji elektrochemicznej z udziałem elektrolitu, katody i anody.

Anoda i katoda są oddzielone elektrolitem, który przewodzi 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 wodoru (protony) przechodzą 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 (który jest dostarczany z komunikacji zewnętrznej) i nadchodzącym protonem i tworzy wodę, która jest jedynym produktem reakcji (w postaci pary i/lub cieczy).

Poniżej odpowiednia reakcja:

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

Rodzaje ogniw paliwowych

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

Często oznacza to, że przetwarzanie paliwa jest wymagane w celu przekształcenia paliwa podstawowego (takiego jak gaz ziemny) w czysty wodór. Proces ten zużywa dodatkową energię i wymaga specjalnego sprzętu. Wysokotemperaturowe ogniwa paliwowe nie wymagają tej dodatkowej procedury, ponieważ mogą „wewnętrznie przetwarzać” paliwo w podwyższonej temperaturze, co oznacza, że nie ma potrzeby inwestowania w infrastrukturę wodorową.

Elementy paliwowe na stopionym węglanie (MCFC).

Po podgrzaniu do temperatury 650°C sole stają się przewodnikami dla jonów węglanowych (CO32-). Jony te przechodzą z katody do anody, gdzie łączą się z wodorem, tworząc wodę, dwutlenek węgla i wolne elektrony. Te elektrony są przesyłane przez zewnętrzny obwód elektryczny z powrotem do katody, generując prąd elektryczny i ciepło jako produkt uboczny.

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

Wysokie temperatury pracy ogniw paliwowych ze stopionym elektrolitem węglanowym mają pewne zalety. W wysokich temperaturach gaz ziemny jest wewnętrznie przekształcany, co eliminuje potrzebę stosowania procesora paliwa. Dodatkowo do zalet można zaliczyć możliwość zastosowania standardowych materiałów konstrukcyjnych, takich jak blacha ze stali nierdzewnej oraz katalizator niklowy na elektrodach. Ciepło odpadowe można wykorzystać do wytwarzania pary pod wysokim ciśnieniem do różnych zastosowań przemysłowych i handlowych.

Ogniwa paliwowe ze stopionego węglanu nadają się do stosowania w dużych instalacjach stacjonarnych. Przemysłowo produkowane są elektrociepłownie o mocy elektrycznej 2,8 MW. Rozwijane są elektrownie o mocy do 100 MW.

Ogniwa paliwowe na bazie kwasu fosforowego (PFC).

Ogniwa paliwowe oparte na kwasie fosforowym (ortofosforowym) wykorzystują elektrolit na bazie kwasu ortofosforowego (H3PO4) o stężeniu do 100%. Przewodnictwo jonowe kwasu fosforowego jest niskie w niskich temperaturach, dlatego te ogniwa paliwowe są używane w temperaturach do 150-220°C.

Nośnikiem ładunku w tego typu ogniwach paliwowych jest wodór (H+, proton). Podobny proces zachodzi w ogniwach paliwowych z membraną do wymiany protonów (MEFC), w których wodór dostarczany do anody jest rozdzielany na protony i elektrony. Protony przechodzą przez elektrolit i łączą się z tlenem z powietrza na katodzie, tworząc wodę. Elektrony są kierowane wzdłuż zewnętrznego obwodu elektrycznego i generowany jest prąd elektryczny. Poniżej przedstawiono reakcje generujące energię elektryczną i ciepło.

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

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

Wysoka wydajność elektrowni cieplnych na ogniwach paliwowych opartych na kwasie fosforowym (ortofosforowym) w skojarzonej produkcji ciepła i energii elektrycznej jest jedną z zalet tego typu ogniw paliwowych. Rośliny wykorzystują tlenek węgla w stężeniu około 1,5%, co znacznie poszerza wybór paliwa. Ponadto CO2 nie ma wpływu na elektrolit i działanie ogniwa paliwowego, ogniwo tego typu pracuje z reformowanym paliwem naturalnym. Prosta konstrukcja, niska lotność elektrolitu i zwiększona stabilność to także zalety tego typu ogniw paliwowych.

Elektrownie cieplne o mocy elektrycznej do 400 kW są produkowane przemysłowo. Odpowiednie testy przeszły instalacje o mocy 11 MW. Rozwijane są elektrownie o mocy do 100 MW.

Ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów (PME)

Ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów są uważane za najlepszy typ ogniw paliwowych do wytwarzania energii w pojazdach, który może zastąpić silniki spalinowe benzynowe i wysokoprężne. Te ogniwa paliwowe zostały po raz pierwszy użyte przez NASA w programie Gemini. Obecnie opracowywane i demonstrowane są instalacje na MOPFC o mocy od 1 W do 2 kW.

Te ogniwa paliwowe jako elektrolit wykorzystują stałą membranę polimerową (cienką folię z tworzywa sztucznego). Impregnowany wodą polimer przepuszcza protony, ale nie przewodzi elektronów.

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

W porównaniu z innymi typami ogniw paliwowych, ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów wytwarzają więcej mocy przy danej objętości lub wadze ogniwa paliwowego. Ta cecha sprawia, że są kompaktowe i lekkie. Dodatkowo temperatura pracy jest niższa niż 100°C, co pozwala na szybkie rozpoczęcie pracy. Te cechy, a także możliwość szybkiej zmiany mocy wyjściowej, to tylko niektóre z cech, które sprawiają, że te ogniwa paliwowe są najlepszym kandydatem do zastosowania w pojazdach.

Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC)

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

Stały elektrolit zapewnia hermetyczne przejście gazu z jednej elektrody do drugiej, podczas gdy ciekłe elektrolity znajdują się w porowatym podłożu. Nośnikiem ładunku w tego typu ogniwach paliwowych jest jon tlenu (О2-). Na katodzie cząsteczki tlenu są rozdzielane z powietrza na jon tlenu i cztery elektrony. Jony tlenu przechodzą przez elektrolit i łączą się z wodorem, tworząc cztery wolne elektrony. Elektrony są kierowane przez zewnętrzny obwód elektryczny, generując prąd elektryczny i ciepło odpadowe.

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

Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem pracują w bardzo wysokich temperaturach (600°C-1000°C), co skutkuje długim czasem do osiągnięcia optymalnych warunków pracy, a system wolniej reaguje na zmiany poboru mocy. Przy tak wysokich temperaturach roboczych nie jest wymagany konwerter do odzyskiwania wodoru z paliwa, co pozwala elektrociepłowni pracować 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 elektrowni centralnych. Przemysłowo produkowane moduły o wyjściowej mocy elektrycznej 100 kW.

Ogniwa paliwowe z bezpośrednim utlenianiem metanolu (DOMTE)

Technologia wykorzystania ogniw paliwowych z bezpośrednim utlenianiem metanolu przechodzi okres aktywnego rozwoju. Z powodzeniem sprawdził się w dziedzinie zasilania telefonów komórkowych, laptopów, a także tworzenia przenośnych źródeł zasilania. jaki jest cel przyszłego zastosowania tych elementów.

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

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

Alkaliczne ogniwa paliwowe (AFC)

Alkaliczne ogniwa paliwowe wykorzystują elektrolit, czyli wodny roztwór wodorotlenku potasu, zawarty w porowatej, stabilizowanej matrycy. Stężenie wodorotlenku potasu może zmieniać się w zależności od temperatury pracy ogniwa paliwowego, która waha się od 65°C do 220°C. Nośnikiem ładunku w SFC jest jon wodorotlenkowy (OH-) przemieszczający się z katody do anody, gdzie reaguje z wodorem, tworząc wodę i elektrony. Woda wytwarzana na anodzie wraca do katody, ponownie wytwarzając tam jony wodorotlenkowe. W wyniku tej serii reakcji zachodzących w ogniwie paliwowym powstaje energia elektryczna, a jako produkt uboczny ciepło:

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

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

Ogniwa paliwowe z elektrolitem polimerowym (PETE)

W przypadku ogniw paliwowych z elektrolitem polimerowym membrana polimerowa składa się z włókien polimerowych z obszarami wodnymi, w których przewodnictwo jonów wody H2O+ (proton, czerwień) jest przyłączone do cząsteczki wody. Cząsteczki wody stanowią problem ze względu na powolną wymianę jonową. Dlatego wymagane jest wysokie stężenie wody zarówno w paliwie, jak i na elektrodach wydechowych, co ogranicza temperaturę pracy do 100°C.

Ogniwa paliwowe na kwas stały (SCFC)

Zwykle ogniwo paliwowe na kwas stały to kanapka, w której bardzo cienka warstwa stałego związku kwasowego jest umieszczona pomiędzy dwiema mocno ściśniętymi elektrodami, aby zapewnić dobry kontakt. Po podgrzaniu składnik organiczny odparowuje, wydostając się przez pory w elektrodach, zachowując zdolność do licznych kontaktów między paliwem (lub tlenem na drugim końcu ogniwa), elektrolitem i elektrodami.opublikowano

Typ ogniwa paliwowego	Temperatura pracy	Efektywność wytwarzania energii	Typ paliwa	Obszar zastosowań
RKTE	550–700°C	50-70%		Średnie i duże instalacje
FKTE	100–220°C	35-40%	czysty wodór	Duże instalacje
MOPTE	30-100°C	35-50%	czysty wodór	Małe instalacje
SOFC	450–1000°C	45-70%	Większość paliw węglowodorowych	Małe, średnie i duże instalacje
POMTE	20-90°C	20-30%	metanol	Jednostki przenośne
SHTE	50–200°C	40-65%	czysty wodór	badanie przestrzeni kosmicznej
PETE	30-100°C	35-50%	czysty wodór	Małe instalacje

Dołącz do nas o godz

Część 1

W niniejszym artykule szerzej omówiono zasadę działania ogniw paliwowych, ich budowę, klasyfikację, zalety i wady, zakres, wydajność, historię powstania oraz współczesne perspektywy wykorzystania. W drugiej części artykułu, który ukaże się w kolejnym numerze magazynu ABOK, podaje przykłady obiektów, w których zastosowano różnego rodzaju ogniwa paliwowe jako źródła ciepła i energii elektrycznej (lub tylko energii elektrycznej).

Wstęp

Ogniwa paliwowe są bardzo wydajnym, niezawodnym, trwałym i przyjaznym dla środowiska sposobem wytwarzania energii.

Początkowo stosowane tylko w przemyśle kosmicznym, obecnie coraz częściej wykorzystywane są w różnych dziedzinach – jako elektrownie stacjonarne, autonomiczne źródła ciepła i prądu dla budynków, silniki pojazdów, zasilacze do laptopów i telefonów komórkowych. Część z tych urządzeń to prototypy laboratoryjne, część przechodzi testy przedseryjne lub służy do celów demonstracyjnych, ale wiele modeli jest produkowanych masowo i wykorzystywanych w projektach komercyjnych.

Ogniwo paliwowe (generator elektrochemiczny) to urządzenie przetwarzające energię chemiczną paliwa (wodoru) na energię elektryczną bezpośrednio w procesie reakcji elektrochemicznej, w przeciwieństwie do tradycyjnych technologii wykorzystujących spalanie paliw stałych, ciekłych i gazowych. Bezpośrednia elektrochemiczna konwersja paliwa jest bardzo wydajna i atrakcyjna z ekologicznego punktu widzenia, ponieważ podczas eksploatacji wydziela się minimalna ilość zanieczyszczeń i nie ma głośne dźwięki i wibracje.

Z praktycznego punktu widzenia ogniwo paliwowe przypomina konwencjonalną baterię galwaniczną. Różnica polega na tym, że początkowo akumulator jest naładowany, czyli napełniony „paliwem”. Podczas pracy zużywane jest „paliwo” i rozładowywany jest akumulator. W przeciwieństwie do akumulatora, ogniwo paliwowe wykorzystuje paliwo dostarczane z zewnętrznego źródła do wytwarzania energii elektrycznej (rys. 1).

Do produkcji energii elektrycznej można wykorzystać nie tylko czysty wodór, ale także inne surowce zawierające wodór, takie jak gaz ziemny, amoniak, metanol czy benzyna. Zwykłe powietrze służy jako źródło tlenu, który jest również niezbędny do reakcji.

Gdy jako paliwo stosuje się czysty wodór, produktami reakcji oprócz energii elektrycznej są ciepło i woda (lub para wodna), czyli do atmosfery nie są emitowane żadne gazy powodujące zanieczyszczenie powietrza lub efekt cieplarniany. Jeżeli jako paliwo zostanie użyty surowiec zawierający wodór, taki jak gaz ziemny, produktem ubocznym reakcji będą inne gazy, takie jak tlenki węgla i azotu, ale ich ilość będzie znacznie mniejsza niż przy spalaniu tego samego ilość gazu ziemnego.

Proces chemicznej konwersji paliwa w celu wytworzenia wodoru nazywamy reformingiem, a odpowiadające mu urządzenie reformerem.

Wady i zalety ogniw paliwowych

Ogniwa paliwowe są bardziej energooszczędne niż silniki spalinowe, ponieważ nie ma termodynamicznych ograniczeń efektywności energetycznej ogniw paliwowych. Współczynnik pożyteczna akcja ogniw paliwowych wynosi 50%. Sprawność silnika spalanie wewnętrzne wynosi 12-15%, a sprawność elektrowni z turbiną parową nie przekracza 40%. Wykorzystanie ciepła i wody jeszcze bardziej zwiększa wydajność ogniw paliwowych.

W przeciwieństwie np. do silników spalinowych, wydajność ogniw paliwowych pozostaje bardzo wysoka nawet wtedy, gdy nie pracują one z pełną mocą. Dodatkowo moc ogniw paliwowych można zwiększyć po prostu dodając osobne bloki, przy czym wydajność się nie zmienia, czyli duże instalacje są tak samo wydajne jak małe. Okoliczności te pozwalają na bardzo elastyczny dobór składu wyposażenia zgodnie z życzeniem klienta i ostatecznie prowadzą do obniżenia kosztów wyposażenia.

Ważną zaletą ogniw paliwowych jest ich przyjazność dla środowiska. Emisje do powietrza z ogniw paliwowych są tak niskie, że w niektórych częściach Stanów Zjednoczonych ich nie wymagają specjalne pozwolenie od agencji rządowych, które kontrolują jakość środowiska powietrza.

Ogniwa paliwowe można umieścić bezpośrednio w budynku, zmniejszając w ten sposób straty przesyłu energii, a ciepło powstałe w wyniku reakcji można wykorzystać do dostarczenia ciepła lub ciepłej wody do budynku. Autonomiczne źródła ciepła i energii elektrycznej mogą być bardzo korzystne na obszarach oddalonych i w regionach, które charakteryzują się niedoborem energii elektrycznej i jej wysoka cena, ale jednocześnie istnieją rezerwy surowców zawierających wodór (ropa naftowa, gaz ziemny).

Zaletami ogniw paliwowych są również dostępność paliwa, niezawodność (w ogniwie paliwowym nie ma żadnych ruchomych części), trwałość i łatwość obsługi.

Jedną z głównych wad dzisiejszych ogniw paliwowych jest ich stosunkowo wysoki koszt, ale tę wadę można już wkrótce przezwyciężyć – wszystko więcej firm produkowane są komercyjne ogniwa paliwowe, są one stale udoskonalane, a ich koszt maleje.

Najbardziej efektywne wykorzystanie czystego wodoru jako paliwa będzie jednak wymagało stworzenia specjalnej infrastruktury do jego produkcji i transportu. Obecnie wszystkie projekty komercyjne wykorzystują gaz ziemny i podobne paliwa. Pojazdy mechaniczne mogą korzystać ze zwykłej benzyny, co pozwoli na utrzymanie istniejącej, rozbudowanej sieci stacji benzynowych. Stosowanie takiego paliwa prowadzi jednak do szkodliwych emisji do atmosfery (choć bardzo niskich) oraz komplikuje (a co za tym idzie zwiększa koszt) ogniwa paliwowego. W przyszłości rozważa się możliwość wykorzystania przyjaznych dla środowiska odnawialnych źródeł energii (np. energii słonecznej czy wiatrowej) do rozkładu wody na wodór i tlen w drodze elektrolizy, a następnie przekształcenia powstałego paliwa w ogniwie paliwowym. Takie połączone elektrownie pracujące w obiegu zamkniętym mogą być całkowicie przyjaznym dla środowiska, niezawodnym, trwałym i wydajnym źródłem energii.

Kolejną cechą ogniw paliwowych jest to, że są one najbardziej wydajne, gdy jednocześnie wykorzystują energię elektryczną i cieplną. Jednak nie w każdym obiekcie dostępna jest możliwość wykorzystania energii cieplnej. W przypadku wykorzystania ogniw paliwowych wyłącznie do wytwarzania energii elektrycznej ich sprawność spada, choć przewyższa sprawność „tradycyjnych” instalacji.

Historia i współczesne zastosowania ogniw paliwowych

Zasada działania ogniw paliwowych została odkryta w 1839 roku. Angielski naukowiec William Grove (1811-1896) odkrył, że proces elektrolizy - rozkładu wody na wodór i tlen za pomocą prądu elektrycznego - jest odwracalny, tzn. wodór i tlen można połączyć w cząsteczki wody bez spalania, ale z uwalnianie ciepła i prądu elektrycznego. Grove nazwał urządzenie, w którym przeprowadzono taką reakcję, „baterią gazową”, która była pierwszym ogniwem paliwowym.

Aktywny rozwój technologii ogniw paliwowych rozpoczął się po drugiej wojnie światowej i jest związany z przemysłem lotniczym. W tym czasie prowadzono poszukiwania wydajnego i niezawodnego, ale jednocześnie dość kompaktowego źródła energii. W latach 60. XX wieku specjaliści z NASA (National Aeronautics and Space Administration, NASA) wybrali ogniwa paliwowe jako źródło zasilania statków kosmicznych programów Apollo (załogowych lotów na Księżyc), Apollo-Sojuz, Gemini i Skylab. . Apollo wykorzystywał trzy jednostki o mocy 1,5 kW (moc szczytowa 2,2 kW) wykorzystujące kriogeniczny wodór i tlen do produkcji energii elektrycznej, ciepła i wody. Masa każdej instalacji wynosiła 113 kg. Te trzy ogniwa pracowały równolegle, ale energia generowana przez jedną jednostkę wystarczyła na bezpieczny powrót. Podczas 18 lotów ogniwa paliwowe przepracowały łącznie 10 000 godzin bez żadnych awarii. Obecnie ogniwa paliwowe stosowane są w promie kosmicznym „Space Shuttle”, który wykorzystuje trzy jednostki o mocy 12 W, które wytwarzają całą energię elektryczną na pokładzie statku kosmicznego (rys. 2). Woda uzyskana w wyniku reakcji elektrochemicznej wykorzystywana jest jako woda pitna, a także do chłodzenia urządzeń.

W naszym kraju trwały również prace nad stworzeniem ogniw paliwowych do wykorzystania w astronautyce. Na przykład ogniwa paliwowe były używane do zasilania radzieckiego promu kosmicznego Buran.

Rozwój metod komercyjnego wykorzystania ogniw paliwowych rozpoczął się w połowie lat 60. XX wieku. Zmiany te były częściowo finansowane przez organizacje rządowe.

Obecnie rozwój technologii wykorzystania ogniw paliwowych przebiega w kilku kierunkach. Jest to tworzenie stacjonarnych elektrowni na ogniwa paliwowe (zarówno dla scentralizowanego, jak i zdecentralizowanego zasilania w energię), elektrowni pojazdów (m.in. w naszym kraju powstały próbki samochodów i autobusów na ogniwach paliwowych) (ryc. 3), oraz a także źródła zasilania różnych urządzenia mobilne(laptopy, telefony komórkowe itp.) (rys. 4).

Przykłady wykorzystania ogniw paliwowych w różnych dziedzinach podano w tabeli. jeden.

Jednym z pierwszych komercyjnych modeli ogniw paliwowych przeznaczonych do autonomicznego zasilania budynków w ciepło i energię był PC25 Model A produkowany przez firmę ONSI Corporation (obecnie United Technologies, Inc.). To ogniwo paliwowe o mocy nominalnej 200 kW należy do typu ogniw z elektrolitem na bazie kwasu fosforowego (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC). Cyfra „25” w nazwie modelu oznacza numer seryjny wzoru. Większość poprzednich modeli to egzemplarze eksperymentalne lub testowe, takie jak model „PC11” o mocy 12,5 kW, który pojawił się w latach 70. Nowe modele zwiększyły moc pobieraną z pojedynczego ogniwa paliwowego, a także obniżyły koszt kilowata wyprodukowanej energii. Obecnie jednym z najbardziej wydajnych komercyjnych modeli jest ogniwo paliwowe PC25 Model C. Podobnie jak model „A” jest to w pełni automatyczne ogniwo paliwowe typu PAFC o mocy 200 kW, przeznaczone do montażu bezpośrednio na obsługiwanym obiekcie jako niezależne źródło ciepła i energii elektrycznej. Takie ogniwo paliwowe można zainstalować na zewnątrz budynku. Zewnętrznie jest to równoległościan o długości 5,5 m, szerokości 3 m i wysokości 3 m, ważący 18 140 kg. W porównaniu z poprzednimi modelami różni się ulepszonym reformerem i wyższą gęstością prądu.

Tabela 1
Zakres ogniw paliwowych

Region Aplikacje	Ocenione moc	Przykłady użycia
Stacjonarny instalacje	5–250 kW i nad	Autonomiczne źródła ciepła i zasilania dla budynków mieszkalnych, użyteczności publicznej i przemysłowych, zasilacze bezprzerwowe, rezerwowe i awaryjne
Przenośny instalacje	1–50 kW	Znaki drogowe, ciężarówki chłodnie i koleje, wózki inwalidzkie, wózki golfowe, statki kosmiczne i satelity
mobilny instalacje	25–150 kW	Samochody (prototypy stworzyły np. DaimlerCrysler, FIAT, Ford, General Motors, Honda, Hyundai, Nissan, Toyota, Volkswagen, VAZ), autobusy (np. MAN, Neoplan, Renault) i inne pojazdy, okręty wojenne i łodzie podwodne
Mikrourządzenia	1-500 W	Telefony komórkowe, laptopy, PDA, różne urządzenia elektroniki użytkowej, nowoczesne urządzenia wojskowe

W niektórych typach ogniw paliwowych proces chemiczny można odwrócić: przykładając różnicę potencjałów do elektrod, wodę można rozłożyć na wodór i tlen, które gromadzą się na porowatych elektrodach. Po podłączeniu obciążenia takie regeneracyjne ogniwo paliwowe zacznie generować energię elektryczną.

Obiecującym kierunkiem wykorzystania ogniw paliwowych jest ich wykorzystanie w połączeniu z odnawialnymi źródłami energii, takimi jak panele fotowoltaiczne czy turbiny wiatrowe. Technologia ta pozwala całkowicie uniknąć zanieczyszczenia powietrza. podobny układ planowane do utworzenia 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 z NASA powstał projekt wykorzystania paneli fotowoltaicznych do produkcji wodoru i tlenu z wody na drodze elektrolizy. Wodór jest następnie wykorzystywany w ogniwach paliwowych do wytwarzania energii elektrycznej i ciepłej wody. Pozwoli to zachować wydajność wszystkich systemów budynku w pochmurne dni iw nocy.

Zasada działania ogniw paliwowych

Rozważmy na przykładzie zasadę działania ogniwa paliwowego z wykorzystaniem najprostszego elementu z membraną do wymiany protonów (Proton Exchange Membrane, PEM). Element taki składa się z polimerowej membrany umieszczonej pomiędzy anodą (elektroda dodatnia) i katodą (elektroda ujemna) wraz z katalizatorami anodowym i katodowym. Jako elektrolit zastosowano membranę polimerową. Schemat elementu PEM pokazano na ryc. 5.

Membrana do wymiany protonów (PEM) to cienki (około 2-7 arkuszy zwykłego papieru grubości) stały związek organiczny. Ta membrana działa jak elektrolit: rozdziela materię na dodatnio i ujemnie naładowane jony w obecności wody.

Na anodzie zachodzi proces utleniania, a na katodzie proces redukcji. Anoda i katoda w ogniwie PEM wykonane są z porowatego materiału będącego mieszaniną cząstek węgla i platyny. Platyna działa jak katalizator, który sprzyja reakcji dysocjacji. Anoda i katoda są porowate, aby umożliwić swobodny przepływ odpowiednio wodoru i tlenu.

Anoda i katoda są umieszczone między dwiema metalowymi płytkami, które dostarczają wodór i tlen do anody i katody oraz odprowadzają ciepło i wodę, a także energię elektryczną.

Cząsteczki wodoru przechodzą przez kanały w płytce do anody, gdzie cząsteczki rozkładają się na pojedyncze atomy (rys. 6).

	Rysunek 5 () Schemat ideowy ogniwa paliwowego z membraną do wymiany protonów (PEM).
	Rysunek 6 () Cząsteczki wodoru przez kanały w płytce wchodzą do anody, gdzie cząsteczki ulegają rozkładowi na pojedyncze atomy
	Rysunek 7 () W wyniku chemisorpcji w obecności katalizatora atomy wodoru przekształcane są w protony
	Cyfra 8 () Dodatnio naładowane jony wodoru dyfundują przez membranę do katody, a przepływ elektronów jest kierowany do katody przez zewnętrzny obwód elektryczny, do którego podłączone jest obciążenie.
	Rysunek 9 () Tlen dostarczony do katody w obecności katalizatora wchodzi w reakcję chemiczną z jonami wodoru z membrany wymiany protonów i elektronami z zewnętrznego obwodu elektrycznego. Woda powstaje w wyniku reakcji chemicznej

Następnie, w wyniku chemisorpcji w obecności katalizatora, atomy wodoru, z których każdy oddaje jeden elektron e - , przekształcane są w dodatnio naładowane jony wodoru H +, czyli protony (Rys. 7).

Dodatnio naładowane jony wodoru (protony) dyfundują przez membranę do katody, a strumień elektronów kierowany jest do katody przez zewnętrzny obwód elektryczny, do którego podłączone jest obciążenie (odbiornik energii elektrycznej) (rys. 8).

Tlen dostarczony do katody w obecności katalizatora wchodzi w reakcję chemiczną z jonami wodoru (protonami) z membrany protonowymiennej i elektronami z zewnętrznego obwodu elektrycznego (rys. 9). W wyniku reakcji chemicznej powstaje woda.

Reakcja chemiczna w ogniwie paliwowym innego typu (na przykład z kwaśnym elektrolitem, którym jest roztwór kwasu fosforowego H 3 PO 4) jest absolutnie identyczna z reakcją chemiczną w ogniwie paliwowym z membraną do wymiany protonów.

W każdym ogniwie paliwowym część energii reakcji chemicznej jest uwalniana w postaci ciepła.

Przepływ elektronów w obwodzie zewnętrznym jest prądem stałym, który służy do wykonania pracy. Otwarcie obwodu zewnętrznego lub zatrzymanie ruchu jonów wodorowych zatrzymuje reakcję chemiczną.

Ilość energii elektrycznej wytwarzanej przez ogniwo paliwowe zależy od typu ogniwa, wymiarów geometrycznych, temperatury, ciśnienia gazu. Pojedyncze ogniwo paliwowe zapewnia EMF poniżej 1,16 V. Możliwe jest zwiększenie rozmiarów ogniw paliwowych, ale w praktyce stosuje się kilka ogniw połączonych w baterie (rys. 10).

Urządzenie z ogniwami paliwowymi

Rozważmy urządzenie na ogniwa paliwowe na przykładzie modelu PC25 Model C. Schemat ogniwa paliwowego pokazano na ryc. jedenaście.

Ogniwo paliwowe „PC25 Model C” składa się z trzech głównych części: procesora paliwowego, właściwej sekcji wytwarzania energii oraz przetwornicy napięcia.

Główną częścią ogniwa paliwowego - sekcją wytwarzania energii - jest stos składający się z 256 pojedynczych ogniw paliwowych. Skład elektrod ogniw paliwowych obejmuje katalizator platynowy. Przez te ogniwa generowany jest stały prąd elektryczny o natężeniu 1400 amperów przy napięciu 155 woltów. Wymiary baterii to około 2,9 m długości oraz 0,9 m szerokości i wysokości.

Ponieważ proces elektrochemiczny odbywa się w temperaturze 177°C, konieczne jest podgrzanie akumulatora w momencie rozruchu i odprowadzanie z niego ciepła podczas pracy. W tym celu ogniwo paliwowe zawiera oddzielny obieg wody, a akumulator jest wyposażony w specjalne płyty chłodzące.

Procesor paliwa umożliwia konwersję gazu ziemnego na wodór, który jest niezbędny do reakcji elektrochemicznej. Ten proces nazywa się reformowaniem. Głównym elementem procesora paliwa jest reformer. W reformerze gaz ziemny (lub inne paliwo zawierające wodór) reaguje z parą wodną w wysokiej temperaturze (900°C) i pod wysokim ciśnieniem w obecności katalizatora niklowego. Zachodzą następujące reakcje chemiczne:

CH4 (metan) + H2O3H2 + CO

(reakcja endotermiczna, z absorpcją ciepła);

CO + H 2 O H 2 + CO 2

(reakcja jest egzotermiczna, z wydzielaniem ciepła).

Ogólną reakcję wyraża równanie:

CH4 (metan) + 2H2O4H2 + CO2

(reakcja endotermiczna, z absorpcją ciepła).

Aby zapewnić wysoką temperaturę wymaganą do konwersji gazu ziemnego, część zużytego paliwa ze stosu ogniw paliwowych kierowana jest do palnika, który utrzymuje reformer w wymaganej temperaturze.

Para potrzebna do reformingu jest generowana z kondensatu powstającego podczas pracy ogniwa paliwowego. W tym przypadku wykorzystywane jest ciepło odebrane z stosu ogniw paliwowych (rys. 12).

Stos ogniw paliwowych generuje przerywany prąd stały, który się różni niskonapięciowy i dużym prądem. Aby przekonwertować go na prąd przemienny, który spełnia normy branżowe, zastosowano przetwornicę napięcia. Ponadto jednostka przetwornicy napięcia zawiera różne urządzenia sterujące i obwody blokad bezpieczeństwa, które umożliwiają wyłączenie ogniwa paliwowego w przypadku różnych awarii.

W takim ogniwie paliwowym około 40% energii zawartej w paliwie można przekształcić w energię elektryczną. W przybliżeniu taką samą ilość, około 40% energii paliwa, można przekształcić w energię cieplną, która jest następnie wykorzystywana jako źródło ciepła do ogrzewania, dostarczania ciepłej wody i podobnych celów. Zatem całkowita wydajność takiej instalacji może osiągnąć 80%.

Istotną zaletą takiego źródła ciepła i energii elektrycznej jest możliwość jego automatycznej pracy. W przypadku konserwacji właściciele obiektu, na którym zainstalowane jest ogniwo paliwowe, nie muszą utrzymywać specjalnie przeszkolonego personelu - konserwację okresową mogą wykonywać pracownicy organizacji obsługującej.

Rodzaje ogniw paliwowych

Obecnie znanych jest kilka rodzajów ogniw paliwowych, różniących się składem zastosowanego elektrolitu. Najbardziej rozpowszechnione są następujące cztery typy (tabela 2):

1. Ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC).

2. Ogniwa paliwowe na bazie kwasu ortofosforowego (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC).

3. Ogniwa paliwowe na bazie stopionego węglanu (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).

4. Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC). Obecnie największa flota ogniw paliwowych budowana jest w oparciu o technologię PAFC.

Jeden z kluczowe cechy różne rodzaje ogniwo paliwowe ma temperaturę roboczą. Pod wieloma względami to temperatura określa zakres ogniw paliwowych. Na przykład wysokie temperatury mają krytyczne znaczenie dla laptopów, dlatego dla tego segmentu rynku opracowywane są ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów o niskich temperaturach roboczych.

Do autonomicznego zasilania budynków wymagane są ogniwa paliwowe o dużej mocy zainstalowanej, a jednocześnie istnieje możliwość wykorzystania energii cieplnej, dlatego do tych celów można zastosować inne typy ogniw paliwowych.

Ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów (PEMFC)

Te ogniwa paliwowe działają w stosunkowo niskich temperaturach roboczych (60-160°C). Charakteryzują się dużą gęstością mocy, pozwalają na szybką regulację mocy wyjściowej, a także można je szybko włączyć. Wadą tego typu elementów są wysokie wymagania co do jakości paliwa, ponieważ zanieczyszczone paliwo może uszkodzić membranę. Nominalna moc ogniw paliwowych tego typu wynosi 1-100 kW.

Ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów zostały pierwotnie opracowane przez General Electric Corporation w latach 60. XX wieku dla NASA. Ten typ ogniwa paliwowego wykorzystuje elektrolit polimerowy w stanie stałym zwany membraną wymiany protonów (PEM). Protony mogą przechodzić przez membranę wymiany protonów, ale elektrony nie mogą przez nią przechodzić, co powoduje różnicę potencjałów między katodą a anodą. Ze względu na swoją prostotę i niezawodność takie ogniwa paliwowe zostały wykorzystane jako źródło zasilania w załogowym statku kosmicznym Gemini.

Ten typ ogniwa paliwowego jest wykorzystywany jako źródło zasilania dla szerokiej gamy różnych urządzeń, w tym prototypów i prototypów, od telefonów komórkowych po autobusy i stacjonarne systemy zasilania. Niska temperatura pracy pozwala na wykorzystanie takich ogniw do zasilania różnego rodzaju skomplikowanych urządzeń elektronicznych. Mniej efektywne jest ich wykorzystanie jako źródła ciepła i zasilania budynków użyteczności publicznej i przemysłowych, gdzie wymagane są duże ilości energii cieplnej. Jednocześnie takie elementy są obiecujące jako autonomiczne źródło zasilania dla małych budynków mieszkalnych, takich jak domki letniskowe budowane w regionach o gorącym klimacie.

Tabela 2
Rodzaje ogniw paliwowych

Typ przedmiotu	pracownicy temperatura, °C	wydajność wyjściowa elektryczny energia), %	Całkowity Efektywność, %
Ogniwa paliwowe z membrana wymiany protonów (PEMFC)	60–160	30–35	50–70
ogniwa paliwowe na bazie ortofosforowej kwas (fosforowy) (PAFC)	150–200	35	70–80
Oparte na ogniwach paliwowych stopiony węglan (MCFC)	600–700	45–50	70–80
Tlenek w stanie stałym ogniwa paliwowe (SOFC)	700–1 000	50–60	70–80

Ogniwa paliwowe z kwasem fosforowym (PAFC)

Testy ogniw paliwowych tego typu prowadzono już na początku lat 70-tych. Zakres temperatur pracy - 150-200°C. Głównym obszarem zastosowania są autonomiczne źródła ciepła i zasilania średniej mocy (około 200 kW).

Elektrolit stosowany w tych ogniwach paliwowych jest roztworem kwasu fosforowego. Elektrody wykonane są z papieru powlekanego węglem, w którym rozproszony jest katalizator platynowy.

Sprawność elektryczna ogniw paliwowych PAFC wynosi 37-42%. Ponieważ jednak te ogniwa paliwowe pracują w odpowiednio wysokiej temperaturze, możliwe jest wykorzystanie pary powstającej w wyniku ich pracy. W takim przypadku ogólna wydajność może osiągnąć 80%.

Aby wytworzyć energię, surowiec zawierający wodór musi zostać przekształcony w czysty wodór w procesie reformingu. Na przykład, jeśli jako paliwo stosuje się benzynę, należy usunąć związki siarki, ponieważ siarka może uszkodzić katalizator platynowy.

Ogniwa paliwowe PAFC były pierwszymi komercyjnymi ogniwami paliwowymi, które miały uzasadnienie ekonomiczne. Najpopularniejszym modelem było ogniwo paliwowe PC25 o mocy 200 kW produkowane przez firmę ONSI Corporation (obecnie United Technologies, Inc.) (rys. 13). Na przykład elementy te są wykorzystywane jako źródło ciepła i elektryczności na posterunku policji w nowojorskim Central Parku lub jako dodatkowe źródło energii dla budynku Conde Nast i Four Times Square. Największa elektrownia tego typu jest testowana jako elektrownia o mocy 11 MW zlokalizowana w Japonii.

Ogniwa paliwowe na bazie kwasu fosforowego są również wykorzystywane jako źródło energii w pojazdach. Na przykład w 1994 roku firma H-Power Corp., Uniwersytet Georgetown i Departament Energii Stanów Zjednoczonych wyposażyła autobus w elektrownię o mocy 50 kW.

Ogniwa paliwowe ze stopionego węglanu (MCFC)

Ogniwa paliwowe tego typu pracują w bardzo wysokich temperaturach - 600-700°C. Te temperatury robocze pozwalają na wykorzystanie paliwa bezpośrednio w samym ogniwie, bez potrzeby stosowania oddzielnego reformera. Proces ten nazywany jest „reformacją wewnętrzną”. Pozwala to znacznie uprościć konstrukcję ogniwa paliwowego.

Ogniwa paliwowe oparte na stopionym węglanie wymagają znacznego czasu rozruchu i nie pozwalają na szybkie dostosowanie mocy wyjściowej, dlatego ich głównym obszarem zastosowania są duże stacjonarne źródła ciepła i energii elektrycznej. Wyróżnia je jednak wysoka sprawność konwersji paliwa - sprawność elektryczna 60% i sprawność ogólna do 85%.

W tego typu ogniwach paliwowych elektrolit składa się z soli węglanu potasu i węglanu litu podgrzanych do około 650°C. W tych warunkach sole są w stanie stopionym, tworząc elektrolit. Na anodzie wodór oddziałuje z jonami CO 3, tworząc wodę, dwutlenek węgla i uwalniając elektrony, które są wysyłane do obwodu zewnętrznego, a na katodzie tlen oddziałuje z dwutlenkiem węgla i elektronami z obwodu zewnętrznego, ponownie tworząc jony CO 3.

Próbki laboratoryjne ogniw paliwowych tego typu stworzyli pod koniec lat 50. XX wieku holenderscy naukowcy G. H. J. Broers i J. A. A. Ketelaar. W latach 60. inżynier Francis T. Bacon, potomek słynnego XVII-wiecznego angielskiego pisarza i naukowca, pracował z tymi pierwiastkami, dlatego ogniwa paliwowe MCFC są czasami określane jako elementy Bacona. Programy NASA Apollo, Apollo-Sojuz i Scylab wykorzystywały właśnie takie ogniwa paliwowe jako źródło zasilania (ryc. 14). W tych samych latach departament wojskowy USA przetestował kilka próbek ogniw paliwowych MCFC wyprodukowanych przez firmę Texas Instruments, w których jako paliwo zastosowano benzynę wojskową. W połowie lat siedemdziesiątych Departament Energii Stanów Zjednoczonych rozpoczął badania mające na celu opracowanie stacjonarnego ogniwa paliwowego ze stopionego węglanu, nadającego się do zastosowań praktycznych. W latach 90. uruchomiono szereg komercyjnych jednostek o mocy do 250 kW, na przykład w US Naval Air Station Miramar w Kalifornii. W 1996 roku firma FuelCell Energy, Inc. uruchomiła przedseryjną elektrownię o mocy 2 MW w Santa Clara w Kalifornii.

Ogniwa paliwowe na bazie tlenków stałych (SOFC)

Stałe tlenkowe ogniwa paliwowe są proste w konstrukcji i działają w bardzo wysokich temperaturach - 700-1000 °C. Tak wysokie temperatury pozwalają na stosowanie stosunkowo „brudnego”, nierafinowanego paliwa. Te same cechy, co w ogniwach paliwowych opartych na stopionym węglanie, determinują podobny obszar zastosowania – duże stacjonarne źródła ciepła i energii elektrycznej.

Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem różnią się strukturalnie od ogniw paliwowych opartych na technologiach PAFC i MCFC. Anoda, katoda i elektrolit są wykonane ze specjalnych gatunków ceramiki. Najczęściej jako elektrolit stosuje się mieszaninę tlenku cyrkonu i tlenku wapnia, ale można stosować inne tlenki. Elektrolit tworzy sieć krystaliczną pokrytą z obu stron porowatym materiałem elektrody. Konstrukcyjnie takie elementy wykonane są w postaci rurek lub płaskich płyt, co umożliwia wykorzystanie w ich produkcji technologii szeroko stosowanych w przemyśle elektronicznym. Dzięki temu tlenkowe ogniwa paliwowe w stanie stałym mogą pracować w bardzo wysokich temperaturach, dzięki czemu mogą być wykorzystywane zarówno do produkcji energii elektrycznej, jak i cieplnej.

W wysokich temperaturach roboczych na katodzie tworzą się jony tlenu, które migrują przez sieć krystaliczną do anody, gdzie oddziałują z jonami wodoru, tworząc wodę i uwalniając wolne elektrony. W tym przypadku wodór jest uwalniany z gazu ziemnego bezpośrednio w ogniwie, czyli nie ma potrzeby stosowania osobnego reformera.

Teoretyczne podstawy do stworzenia tlenkowych ogniw paliwowych w stanie stałym zostały położone pod koniec lat 30. XX wieku, kiedy szwajcarscy naukowcy Bauer (Emil Bauer) i Preis (H. Preis) eksperymentowali z cyrkonem, itrem, cerem, lantanem i wolframem, używając ich jako elektrolity.

Pierwsze prototypy takich ogniw paliwowych powstały pod koniec lat pięćdziesiątych XX wieku w wielu firmach amerykańskich i holenderskich. Większość z tych firm szybko zrezygnowała z dalszych badań ze względu na trudności technologiczne, ale jedna z nich, Westinghouse Electric Corp. (obecnie „Siemens Westinghouse Power Corporation”), kontynuowano prace. Obecnie firma przyjmuje wstępne zamówienia na komercyjny model ogniwa paliwowego ze stałym tlenkiem o topologii rurowej, który spodziewany jest w tym roku (Rysunek 15). Segmentem rynku takich elementów są stacjonarne instalacje do produkcji ciepła i energii elektrycznej o mocy od 250 kW do 5 MW.

Ogniwa paliwowe typu SOFC wykazały bardzo wysoką niezawodność. Na przykład prototyp ogniwa paliwowego Siemens Westinghouse przepracował 16 600 godzin i nadal działa, co oznacza najdłuższą nieprzerwaną żywotność ogniwa paliwowego na świecie.

Tryb pracy ogniwa paliwowego SOFC, z wysoką temperaturą i wysokim ciśnieniem, pozwala na tworzenie instalacji hybrydowych, w których emisje z ogniw paliwowych obracają się Turbiny gazowe wykorzystywane do wytwarzania energii elektrycznej. Pierwszy taki roślina hybrydowa pracuje w Irvine w Kalifornii. Moc znamionowa tej elektrowni wynosi 220 kW, z czego 200 kW pochodzi z ogniwa paliwowego, a 20 kW z generatora mikroturbinowego.

Ogniwa paliwowe na stopionym węglanie (MCFC)

Ogniwa paliwowe z kwasem fosforowym (PFC)

Ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów (PME)

Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC)

Ogniwa paliwowe z bezpośrednim utlenianiem metanolu (DOMTE)

Alkaliczne ogniwa paliwowe (AFC)

Ogniwa paliwowe z elektrolitem polimerowym (PETE)

Ogniwa paliwowe na kwas stały (SCFC)

Zasada działania ogniwa paliwowego

Zastosowanie w samochodach

Urządzenie

Urządzenie na ogniwo paliwowe składa się z trzech głównych części:

Również w jednostce przetwornicy napięcia znajdują się:

Zasada działania

Rodzaje

Obecnie znanych jest kilka rodzajów ogniw paliwowych, różniących się składem zastosowanego elektrolitu:

Aplikacja

Ogniwa paliwowe są również wykorzystywane w sektorze cywilnym.

Osobliwości

horyzont

Zalety i wady

Ogólnie można wskazać następujące zalety ogniw paliwowych:

Wśród wad są:

Zasada działania ogniw paliwowych

Część 1

Wstęp

Wady i zalety ogniw paliwowych

Historia i współczesne zastosowania ogniw paliwowych

Zasada działania ogniw paliwowych

Urządzenie z ogniwami paliwowymi

Rodzaje ogniw paliwowych

Ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów (PEMFC)

Ogniwa paliwowe z kwasem fosforowym (PAFC)

Ogniwa paliwowe ze stopionego węglanu (MCFC)

Ogniwa paliwowe na bazie tlenków stałych (SOFC)

Przeczytaj także