Alkoholna goriva ćelija izrađena od otpadnog materijala. Instalacije gorivih ćelija. DIY gorive ćelije kod kuće. Gorivne ćelije koriste se iu civilnom sektoru

Pripremite sve što vam treba. Za izradu jednostavne gorive ćelije trebat će vam 12 inča platine ili žice presvučene platinom, štapić za sladoled, baterija od 9 volti i držač baterije, prozirna traka, čaša vode, kuhinjska sol (po izboru), tanki metal šipka i voltmetar.

9-voltna baterija i držač baterije mogu se kupiti u trgovini elektroničkom opremom ili hardverom.

Izrežite dva komada duljine 15 centimetara od platine ili žice presvučene platinom. Platinasta žica koristi se za posebne namjene i može se kupiti u trgovini elektroničkom opremom. On će poslužiti kao katalizator reakcije.

Omotajte komade žice oko tanke metalne šipke kako biste stvorili oblik opruga. To će biti elektrode gorive ćelije. Uhvatite kraj žice i čvrsto je omotajte oko šipke kako biste stvorili zavojnu oprugu. Uklonite prvu žicu sa šipke i namotajte drugi komad žice.

Možete koristiti čavao, žičanu vješalicu ili sondu za ispitivanje kao šipku za namatanje žice.

Prerežite žice držača baterije na pola. Uzmite rezače žice, prerežite obje žice pričvršćene na držač na pola i uklonite izolaciju s njih. Te ćete gole žice pričvrstiti na elektrode.

Pomoću odgovarajućeg dijela rezača žice skinite izolaciju s krajeva žice. Skinite izolaciju s krajeva žica koje ste odrezali s držača baterije.
Režite žice pod nadzorom odraslih.

Pričvrstite krajeve žica bez izolacije na elektrode. Spojite žice na elektrode tako da zatim možete spojiti izvor napajanja (držač baterije) i voltmetar kako biste odredili koliki napon proizvodi goriva ćelija.

Uvrnite crvenu žicu držača baterije i odrezanu crvenu žicu oko gornjeg kraja jednog od namotaja žice, ostavljajući veći dio slobodnim.
Omotajte gornji kraj druge zavojnice crnom žicom držača baterije i odrezanom crnom žicom.

Pričvrstite elektrode na štapić za sladoled ili drvenu šipku.Štapić za sladoled trebao bi biti dulji od grla čaše s vodom kako bi mogao ležati na njemu. Zalijepite elektrode tako da vise sa štapića i padnu u vodu.

Možete koristiti prozirnu traku ili električnu traku. Glavna stvar je da su elektrode sigurno pričvršćene na štap.

Ulijte vodu iz slavine ili slanu vodu u čašu. Da bi došlo do reakcije, voda mora sadržavati elektrolite. Destilirana voda nije prikladna za to, jer ne sadrži nečistoće koje mogu poslužiti kao elektroliti. Da bi se kemijska reakcija odvijala normalno, sol ili sodu bikarbonu možete otopiti u vodi.

Obična voda iz slavine također sadrži mineralne nečistoće, pa se može koristiti kao elektrolit ako nemate sol pri ruci.
Dodajte sol ili sodu bikarbonu u količini od jedne žlice (20 grama) na čašu vode. Miješajte vodu dok se sol ili soda bikarbona potpuno ne otope.

Stavite štapić s elektrodama na grlo čaše s vodom. U tom slučaju elektrode u obliku žičane opruge trebaju biti uronjene u vodu većim dijelom svoje duljine, s izuzetkom dodira sa žicama držača baterije. Pod vodom bi trebala biti samo platinasta žica.

Ako je potrebno, učvrstite štapić trakom kako biste elektrode zadržali u vodi.

Spojite žice koje dolaze od elektroda na voltmetar ili LED žarulju. Pomoću voltmetra možete odrediti napon koji proizvodi aktivirana goriva ćelija. Spojite crvenu žicu na pozitivni terminal, a crnu žicu na negativni terminal voltmetra.

U ovoj fazi, voltmetar može pokazati malu vrijednost, na primjer 0,01 volta, iako bi napon na njemu trebao biti nula.
Također možete spojiti malu žarulju, poput svjetiljke ili LED.

Vodikove gorivne ćelije pretvaraju kemijsku energiju goriva u električnu, zaobilazeći neučinkovite procese izgaranja i pretvaranja toplinske energije u mehaničku energiju, koji uključuju velike gubitke. Vodikova goriva ćelija je elektrokemijski Uređaj izravno proizvodi električnu energiju kao rezultat visoko učinkovitog "hladnog" izgaranja goriva. Gorivna ćelija s protonskom izmjenom membrane vodik-zrak (PEMFC) jedna je od tehnologija gorivih ćelija koje najviše obećavaju.

Prije osam godina u zapadnoj Europi otkriveno je šest pumpi za tekući dizel; moraju biti dvije stotine prije kraja. Daleko smo od tisuća terminala za brzo punjenje koji niču posvuda kako bi potaknuli širenje električnog pogona. I tu trljanje boli. I bolje da najavimo grafen.

Baterije nisu rekle svoju posljednju riječ

To je nešto više od autonomije, zbog čega ograničavanje vremena punjenja usporava usvajanje električnih vozila. Međutim, podsjetio je u bilješci ovog mjeseca svojim kupcima da baterije imaju ograničenje, ograničeno na ovu vrstu sondi na vrlo visokim naponima. Thomasu Brachmanu će se reći da još treba izgraditi distribucijsku mrežu vodika. Argument je da zamahuje rukom, podsjećajući da je umnožavanje terminala za brzo punjenje također vrlo skupo, zbog velikog presjeka visokonaponskih bakrenih kabela. "Lakše je i jeftinije transportirati ukapljeni vodik kamionima iz ukopanih spremnika u blizini proizvodnih mjesta."

Polimerna membrana koja vodi proton odvaja dvije elektrode — anodu i katodu. Svaka elektroda je karbonska ploča (matrica) obložena katalizatorom. Na anodnom katalizatoru molekularni vodik disocira i otpušta elektrone. Vodikovi kationi se provode kroz membranu do katode, ali elektroni se daju u vanjski krug, budući da membrana ne dopušta prolazak elektrona.

Vodik još nije čisti vektor električne energije

Što se tiče same cijene baterije, koja je vrlo osjetljiv podatak, Thomas Brachmann ne sumnja da se ona može značajno smanjiti kako se učinkovitost povećava. "Platina je element koji košta više." Nažalost, gotovo sav vodik dolazi iz fosilnih izvora energije. Štoviše, dihidrogen je samo vektor energije, a ne izvor iz kojeg se nezanemariv dio troši tijekom njegove proizvodnje, njegovog ukapljivanja, a potom i pretvaranja u električnu energiju.

Na katodnom katalizatoru, molekula kisika spaja se s elektronom (koji se dovodi iz električnog kruga) i nadolazećim protonom te tvori vodu, koja je jedini produkt reakcije (u obliku pare i/ili tekućine).

Membransko-elektrodne jedinice, koje su ključni generatorski element energetskog sustava, izrađene su od vodikovih gorivih ćelija.

Automobil budućnosti ponaša se kao pravi

Balans baterije je otprilike tri puta veći, unatoč gubicima zbog topline u drajverima. Nažalost, čudo od automobila neće stići na naše ceste osim u sklopu javnih demonstracija. Brachmanna, koji nas podsjeća da prirodna tišina električnog automobila pojačava dojam života u bučnom svijetu. Unatoč svim poteškoćama, papučica upravljača i kočnice pružaju prirodnu postojanost.

Minijaturna baterija s poboljšanim performansama

Gadget je vidljiv, središnji zaslon raspršuje slike kamere postavljene u desnom zrcalu čim se uključi pokazivač smjera. Većina naših američkih kupaca više ne traži, a to nam omogućuje da držimo niske cijene - opravdava se glavni inženjer koji nudi nižu tarifu od. Zapravo vrijedi razgovarati o nizu gorivih ćelija budući da ih ima 358 koje rade zajedno. Glavni spremnik, kapaciteta 117 litara, pritisnut je uz stražnju stijenku klupe, sprječavajući njeno preklapanje, a drugi - 24 litre, skriven je ispod sjedala.

Prednosti vodikovih gorivih ćelija u usporedbi s tradicionalnim rješenjima:

- povećani specifični energetski intenzitet (500 ÷ 1000 Wh/kg),

- prošireni raspon radne temperature (-40 0 C / +40 0 C),

- odsustvo toplinske točke, buke i vibracija,

- pouzdanost pri hladnom startu,

- praktički neograničeno razdoblje skladištenja energije (bez samopražnjenja),

Prva dvotaktna goriva ćelija

Unatoč svojoj kompaktnoj veličini, ova nova goriva ćelija pretvara dihidrogen u električnu struju brže i bolje od svog prethodnika. Isporučuje kisik elementima pilota brzinom koja se prije smatrala nekompatibilnom s njihovom izdržljivošću. Višak vode koji je prije ograničavao protok najbolje je evakuirati. Kao rezultat toga, snaga po elementu povećava se za pola, a učinkovitost doseže 60%.

To je zbog prisutnosti litij-ionske baterije od 1,7 kWh - smještene ispod prednjih sjedala, koja omogućuje isporuku dodatne struje pri jakim ubrzanjima. Ili je predviđena autonomija 460 km, idealno u skladu s onim što proizvođač tvrdi.

- mogućnost promjene energetskog intenziteta sustava promjenom broja uložaka goriva, što omogućuje gotovo neograničenu autonomiju,

Mogućnost pružanja gotovo bilo kojeg razumnog energetskog intenziteta sustava promjenom kapaciteta skladištenja vodika,

- visok energetski intenzitet,

- otpornost na nečistoće u vodiku,

Ali tisuću dijelova olakšava protok zraka i optimizira hlađenje. Još više nego njegov prethodnik, ovaj električni automobil pokazuje da je goriva ćelija ispred i u sredini. Veliki izazov za industriju i naše vođe. U međuvremenu, vrlo je pametno tko će znati koja će goriva ćelija ili baterija prevladati.

Gorivna ćelija je elektrokemijski uređaj za pretvorbu energije koji može proizvesti električnu energiju u obliku istosmjerne struje kombiniranjem goriva i oksidatora u kemijskoj reakciji da bi se proizveo otpadni proizvod, obično oksid goriva.

- dug radni vijek,

- ekološki prihvatljivost i tih rad.

Sustavi napajanja temeljeni na vodikovim gorivim ćelijama za UAV:

Ugradnja gorivih ćelija na bespilotna vozila umjesto tradicionalnih baterija, višestruko povećava trajanje leta, težinu nosivost, omogućuje vam povećanje pouzdanosti zrakoplova, proširenje temperaturnog raspona lansiranja i rada UAV-a, smanjujući granicu na -40 0C. U usporedbi s motorima s unutarnjim izgaranjem, sustavi temeljeni na gorivim ćelijama su tihi, bez vibracija, rade na niskim temperaturama, teško ih je otkriti tijekom leta, ne proizvode štetne emisije i mogu učinkovito obavljati zadatke od videonadzora do dostave korisnog tereta.

Svaka goriva ćelija ima dvije elektrode, jednu pozitivnu i drugu negativnu, a reakcija koja proizvodi elektricitet događa se na elektrodama u prisutnosti elektrolita, koji prenosi nabijene čestice od elektrode do elektrode, dok elektroni cirkuliraju u vanjskim žicama koje se nalaze između elektroda. za stvaranje električne energije.

Gorivna ćelija može kontinuirano proizvoditi električnu energiju sve dok se održava potreban protok goriva i oksidatora. Neke gorivne ćelije proizvode samo nekoliko vata, dok druge mogu proizvesti nekoliko stotina kilovata, dok se manje baterije vjerojatno mogu naći u prijenosnim računalima i mobitelima, ali gorivne ćelije su preskupe da bi postale mali generatori koji se koriste za proizvodnju električne energije za domove i tvrtke.

Sastav sustava napajanja za UAV:

Ekonomske dimenzije gorivih ćelija

Korištenje vodika kao izvora goriva podrazumijeva značajne troškove. Zbog toga je vodik sada neekonomičan izvor, posebice zato što se mogu koristiti drugi jeftiniji izvori. Troškovi proizvodnje vodika mogu varirati budući da odražavaju cijenu resursa iz kojih se ekstrahira.

Baterijski izvori goriva

Gorivne ćelije općenito se klasificiraju u sljedeće kategorije: vodikove gorivne ćelije, organske gorivne ćelije, metalne gorivne ćelije i redoks baterije. Kada se vodik koristi kao izvor goriva, kemijska energija se pretvara u električnu tijekom procesa obrnute hidrolize da bi se kao otpad proizvela samo voda i toplina. Vodikova gorivna ćelija ima vrlo nisku razinu proizvodnje vodika, ali može biti više ili manje visoka, posebno ako se proizvodi iz fosilnih goriva.

- baterija gorivih ćelija,
- Li-Po pufer baterija za pokrivanje kratkotrajnih vršnih opterećenja,
- elektronička kontrolni sustav ,
- sustav goriva koji se sastoji od cilindra sa stlačenim vodikom ili čvrstim izvorom vodika.

Sustav goriva koristi lagane cilindre i reduktore visoke čvrstoće kako bi se osigurala maksimalna opskrba komprimiranim vodikom u vozilu. Dopuštena je uporaba različitih veličina cilindara (od 0,5 do 25 litara) s reduktorima koji osiguravaju potrebnu potrošnju vodika.

Vodikove baterije dijele se u dvije kategorije: baterije niske temperature i baterije visoke temperature, pri čemu baterije visoke temperature također mogu izravno koristiti fosilna goriva. Potonji se sastoje od ugljikovodika poput nafte ili benzina, alkohola ili biomase.

Ostali izvori goriva u baterijama uključuju, ali nisu ograničeni na, alkohole, cink, aluminij, magnezij, ionske otopine i mnoge ugljikovodike. Ostala oksidacijska sredstva uključuju, ali nisu ograničena na, zrak, klor i klor dioksid. Trenutno postoji nekoliko vrsta gorivih ćelija.

Karakteristike sustava napajanja za UAV:

Prijenosni punjači na bazi vodikovih gorivih ćelija:

Prijenosni punjači bazirani na vodikovim gorivim ćelijama su kompaktni uređaji, po težini i dimenzijama usporedivi s postojećim punjačima baterija koji se aktivno koriste u svijetu.

Sveprisutnu prijenosnu tehnologiju u modernom svijetu potrebno je redovito puniti. Tradicionalni prijenosni sustavi praktički su beskorisni na niskim temperaturama, a nakon obavljanja svoje funkcije zahtijevaju i dopunu putem (električne mreže), što također smanjuje njihovu učinkovitost i autonomiju uređaja.

Svaka molekula dihidrogena dobiva 2 elektrona. H ion se kreće od anode do katode i uzrokuje električnu struju prijenosom elektrona. Kako bi mogle izgledati gorivne ćelije za avione? Danas se provode testovi na zrakoplovima kako bi se njima pokušalo upravljati pomoću litij-ionske hibridne baterije gorivih ćelija. Prava prednost gorive ćelije leži u njezinoj maloj težini: lakša je, što pomaže smanjiti težinu zrakoplova, a time i potrošnju goriva.

Ali za sada letenje zrakoplovom s gorivnim ćelijama nije moguće jer još uvijek ima mnogo nedostataka. Slika gorivne ćelije. Koji su nedostaci gorive ćelije? Prije svega, kad bi vodik bio uobičajen, njegova uporaba u velikim količinama bila bi problematična. Doista, dostupan je ne samo na Zemlji. Nalazi se u vodi koja sadrži kisik i amonijaku. Stoga je za njezino dobivanje vodu potrebno elektrolizirati, a to još nije raširena metoda.

Sustavi s vodikovim gorivim ćelijama zahtijevaju samo zamjenu kompaktnog uloška goriva, nakon čega je uređaj odmah spreman za upotrebu.

Značajke prijenosnih punjača:

Neprekidni izvori napajanja temeljeni na vodikovim gorivim ćelijama:

Sustavi zajamčenog napajanja temeljeni na vodikovim gorivim ćelijama dizajnirani su za organiziranje rezervnog napajanja i privremenog napajanja. Zajamčeni sustavi napajanja temeljeni na vodikovim gorivim ćelijama nude značajne prednosti u odnosu na tradicionalna rješenja za organiziranje privremenog i rezervnog napajanja, korištenjem baterija i dizel generatora.

Vodik je plin, što otežava njegovo zadržavanje i transport. Još jedan rizik povezan s uporabom vodika je rizik od eksplozije, jer je to zapaljivi plin. ono što opskrbljuje bateriju za njezinu proizvodnju u velikim razmjerima zahtijeva drugi izvor energije, bilo da je to nafta, plin ili ugljen, ili nuklearna energija, što čini njezinu ekološku ravnotežu znatno lošijom od kerozina i čini gomilu, platinu, metal koji je još rjeđi i skuplji od zlata.

Gorivna ćelija daje energiju oksidacijom goriva na anodi i redukcijom oksidatora na katodi. Za otkriće principa gorivih ćelija i prve primjene u laboratoriju korištenjem sumporne kiseline kao elektrolita zaslužan je kemičar William Grove.

Karakteristike sustava neprekidnog napajanja:

Goriva ćelija je elektrokemijski uređaj sličan galvanskom članku, ali se od njega razlikuje po tome što mu se tvari za elektrokemijsku reakciju dovode izvana – za razliku od ograničene količine energije pohranjene u galvanskom članku ili bateriji.

Doista, gorive ćelije imaju neke prednosti: one koje koriste dihidrogen i dioksid emitiraju samo vodenu paru: to je stoga čista tehnologija. Postoji nekoliko vrsta gorivih ćelija, ovisno o prirodi elektrolita, prirodi goriva, izravnoj ili neizravnoj oksidaciji i radnoj temperaturi.

Sljedeća tablica sažima glavne karakteristike ovih različitih uređaja. Nekoliko europskih programa razmatra druge polimere, poput derivata polibenzimidazola, koji su stabilniji i jeftiniji. Kompaktnost baterije također je stalni izazov s membranama reda veličine 15-50 mikrona, poroznim ugljičnim anodama i bipolarnim pločama od nehrđajućeg čelika. Očekivani životni vijek također se može poboljšati jer su, s jedne strane, tragovi ugljikovog monoksida reda veličine nekoliko ppm u vodiku pravi otrov za katalizator, as druge strane, kontrola vode u polimeru je obavezna.

Riža. 1. Neke gorivne ćelije

Gorivne ćelije pretvaraju kemijsku energiju goriva u električnu, zaobilazeći neučinkovite procese izgaranja koji se odvijaju uz velike gubitke. Oni pretvaraju vodik i kisik u električnu energiju putem kemijske reakcije. Kao rezultat ovog procesa nastaje voda i oslobađa se velika količina topline. Gorivna ćelija vrlo je slična bateriji koja se može puniti i zatim koristiti pohranjenu električnu energiju. Izumiteljem gorive ćelije smatra se William R. Grove, koji ju je izumio davne 1839. godine. Ova goriva ćelija koristila je otopinu sumporne kiseline kao elektrolit i vodik kao gorivo, koji je bio spojen s kisikom u oksidacijskom sredstvu. Donedavno su se gorivne ćelije koristile samo u laboratorijima i na svemirskim letjelicama.

Za razliku od drugih generatora energije, kao što su motori s unutarnjim izgaranjem ili turbine na plin, ugljen, loživo ulje itd., gorivne ćelije ne izgaraju gorivo. To znači da nema bučnih visokotlačnih rotora, nema glasne buke ispušnih plinova, nema vibracija. Gorivne ćelije proizvode električnu energiju putem tihe elektrokemijske reakcije. Još jedna značajka gorivih ćelija je da pretvaraju kemijsku energiju goriva izravno u električnu energiju, toplinu i vodu.

Gorivne ćelije su vrlo učinkovite i ne proizvode velike količine stakleničkih plinova kao što su ugljikov dioksid, metan i dušikov oksid. Jedine emisije iz gorivih ćelija su voda u obliku pare i mala količina ugljičnog dioksida, koji se uopće ne oslobađa ako se kao gorivo koristi čisti vodik. Gorivne ćelije se sklapaju u sklopove, a zatim u pojedinačne funkcionalne module.

Gorivne ćelije nemaju pokretnih dijelova (barem ne unutar same ćelije) i stoga ne poštuju Carnotov zakon. To jest, imat će učinkovitost veću od 50% i posebno su učinkoviti pri niskim opterećenjima. Stoga vozila s gorivnim ćelijama mogu postati (i već su se pokazala) učinkovitija u potrošnji goriva od konvencionalnih vozila u stvarnim uvjetima vožnje.

Gorivna ćelija proizvodi električnu struju Istosmjerni napon, koji se može koristiti za pogon elektromotora, rasvjete i drugih električnih sustava u vozilu.

Postoji nekoliko vrsta gorivih ćelija koje se razlikuju po korištenim kemijskim procesima. Gorivne ćelije obično se klasificiraju prema vrsti elektrolita koji koriste.

Neki tipovi gorivih ćelija obećavaju za pogon elektrana, dok su drugi obećavajući za prijenosne uređaje ili za pogon automobila.

1. Alkalne gorivne ćelije (ALFC)

Alkalna goriva ćelija- Ovo je jedan od prvih razvijenih elemenata. Alkalne gorivne ćelije (AFC) jedna su od najproučavanijih tehnologija, koju koristi NASA od sredine 60-ih godina 20. stoljeća u programima Apollo i Space Shuttle. U tim letjelicama gorivne ćelije proizvode električnu energiju i pitku vodu.

Alkalne gorivne ćelije jedne su od najučinkovitijih ćelija koje se koriste za proizvodnju električne energije, s učinkovitošću proizvodnje električne energije koja doseže do 70%.

Alkalne gorive ćelije koriste elektrolit, vodenu otopinu kalijevog hidroksida, sadržanu u poroznoj, stabiliziranoj matrici. Koncentracija kalijevog hidroksida može varirati ovisno o radnoj temperaturi gorive ćelije, koja se kreće od 65°C do 220°C. Nositelj naboja u SHTE je hidroksilni ion (OH-), koji se kreće od katode do anode, gdje reagira s vodikom, proizvodeći vodu i elektrone. Voda proizvedena na anodi vraća se natrag na katodu, ponovno tamo stvarajući hidroksilne ione. Kao rezultat ovog niza reakcija koje se odvijaju u gorivnoj ćeliji, proizvodi se električna energija i, kao nusprodukt, toplina:

Reakcija na anodi: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e

Reakcija na katodi: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH

Opća reakcija sustava: 2H2 + O2 => 2H2O

Prednost SHTE je u tome što su te gorivne ćelije najjeftinije za proizvodnju, budući da katalizator potreban na elektrodama može biti bilo koja od tvari koje su jeftinije od onih koje se koriste kao katalizatori za druge gorivne ćelije. Osim toga, SHTE rade na relativno niskim temperaturama i među najučinkovitijima su.

Jedna od karakterističnih značajki SHTE je njegova visoka osjetljivost na CO2, koji se može nalaziti u gorivu ili zraku. CO2 reagira s elektrolitom, brzo ga truje i uvelike smanjuje učinkovitost gorivne ćelije. Stoga je uporaba SHTE ograničena na zatvorene prostore, kao što su svemirska i podvodna vozila; oni rade na čistom vodiku i kisiku.

2. Gorivne ćelije rastaljenog karbonata (MCFC)

Gorivne ćelije s rastaljenim karbonatnim elektrolitom su visokotemperaturne gorive ćelije. Visoka radna temperatura omogućuje izravnu upotrebu prirodnog plina bez procesora goriva i gorivog plina niske kalorijske vrijednosti iz industrijskih procesa i drugih izvora. Ovaj proces razvijen je sredinom 60-ih godina dvadesetog stoljeća. Od tada su proizvodna tehnologija, performanse i pouzdanost poboljšani.

Rad RCFC-a razlikuje se od ostalih gorivih ćelija. Ove ćelije koriste elektrolit napravljen od mješavine rastaljenih karbonatnih soli. Trenutno se koriste dvije vrste smjesa: litijev karbonat i kalijev karbonat ili litijev karbonat i natrijev karbonat. Za topljenje karbonatnih soli i postizanje visokog stupnja pokretljivosti iona u elektrolitu, gorivne ćelije s rastaljenim karbonatnim elektrolitom rade na visokim temperaturama (650°C). Učinkovitost varira između 60-80%.

Kada se zagriju na temperaturu od 650°C, soli postaju vodič za karbonatne ione (CO32-). Ti ioni prelaze s katode na anodu, gdje se spajaju s vodikom u vodu, ugljični dioksid i slobodne elektrone. Ti se elektroni šalju kroz vanjski električni krug natrag na katodu, generirajući električnu struju i toplinu kao nusproizvod.

Reakcija na anodi: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e

Reakcija na katodi: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-

Opća reakcija elementa: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(katoda) => H2O(g) + CO2(anoda)

Visoke radne temperature gorivih ćelija s rastaljenim karbonatnim elektrolitom imaju određene prednosti. Prednost je mogućnost korištenja standardnih materijala (plemeni nehrđajući čelik i katalizator nikal na elektrodama). Otpadna toplina može se koristiti za proizvodnju pare pod visokim pritiskom. Visoke reakcijske temperature u elektrolitu također imaju svoje prednosti. Korištenje visokih temperatura zahtijeva dugo vremena za postizanje optimalnih radnih uvjeta, a sustav sporije reagira na promjene u potrošnji energije. Ove karakteristike dopuštaju korištenje instalacija gorivih ćelija s rastaljenim karbonatnim elektrolitom u uvjetima konstantne snage. Visoke temperature sprječavaju oštećenje gorive ćelije ugljičnim monoksidom, "trovanjem" itd.

Gorivne ćelije s rastaljenim karbonatnim elektrolitom prikladne su za korištenje u velikim stacionarnim instalacijama. Komercijalno se proizvode termoelektrane s električnom izlaznom snagom od 2,8 MW. Razvijaju se postrojenja izlazne snage do 100 MW.

3. Gorivne ćelije s fosfornom kiselinom (PAFC)

Gorivne ćelije na bazi fosforne (ortofosforne) kiseline postala prva goriva ćelija za komercijalnu upotrebu. Ovaj proces je razvijen sredinom 60-ih godina dvadesetog stoljeća, testovi se provode od 70-ih godina 20. stoljeća. Rezultat je povećana stabilnost i performanse te smanjeni troškovi.

Gorivne ćelije fosforne (ortofosforne) kiseline koriste elektrolit na bazi ortofosforne kiseline (H3PO4) u koncentracijama do 100%. Ionska vodljivost fosforne kiseline je niska na niskim temperaturama, pa se ove gorive ćelije koriste na temperaturama do 150-220 °C.

Nositelj naboja u gorivim ćelijama ove vrste je vodik (H+, proton). Sličan proces događa se u gorivim ćelijama s membranom za izmjenu protona (PEMFC), u kojima se vodik koji se dovodi na anodu dijeli na protone i elektrone. Protoni putuju kroz elektrolit i spajaju se s kisikom iz zraka na katodi stvarajući vodu. Elektroni se šalju kroz vanjski električni krug, stvarajući tako električnu struju. Ispod su reakcije koje stvaraju električnu struju i toplinu.

Reakcija na anodi: 2H2 => 4H+ + 4e

Reakcija na katodi: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O

Opća reakcija elementa: 2H2 + O2 => 2H2O

Učinkovitost gorivih ćelija na bazi fosforne (ortofosforne) kiseline je veća od 40% pri proizvodnji električne energije. Uz kombiniranu proizvodnju toplinske i električne energije, ukupna učinkovitost je oko 85%. Osim toga, s obzirom na radne temperature, otpadna toplina može se koristiti za zagrijavanje vode i stvaranje pare pod atmosferskim tlakom.

Visoki učinak termoelektrana koje koriste gorivne ćelije na bazi fosforne (ortofosforne) kiseline u kombiniranoj proizvodnji toplinske i električne energije jedna je od prednosti ove vrste gorivih ćelija. Jedinice koriste ugljični monoksid s koncentracijom od oko 1,5%, što značajno proširuje izbor goriva. Jednostavan dizajn, nizak stupanj hlapljivosti elektrolita i povećana stabilnost također su prednosti takvih gorivih ćelija.

Komercijalno se proizvode termoelektrane s električnom izlaznom snagom do 400 kW. Postrojenja snage 11 MW prošla su odgovarajuća ispitivanja. Razvijaju se postrojenja izlazne snage do 100 MW.

4. Gorivne ćelije s membranom za izmjenu protona (PEMFC)

Gorivne ćelije s membranom za izmjenu protona smatraju se najboljim tipom gorivih ćelija za proizvodnju energije za vozila, koji mogu zamijeniti benzinske i dizel motore s unutarnjim izgaranjem. Ove gorivne ćelije prvi put je upotrijebila NASA za program Gemini. Razvijene su i demonstrirane instalacije temeljene na MOPFC-u snage od 1 W do 2 kW.

Elektrolit u ovim gorivim ćelijama je čvrsta polimerna membrana (tanak sloj plastike). Kada je zasićen vodom, ovaj polimer propušta protone, ali ne provodi elektrone.

Gorivo je vodik, a nositelj naboja je vodikov ion (proton). Na anodi se molekula vodika cijepa na vodikov ion (proton) i elektrone. Ioni vodika prolaze kroz elektrolit do katode, a elektroni se kreću po vanjskom krugu i proizvode električnu energiju. Kisik, koji se uzima iz zraka, dovodi se do katode i spaja se s elektronima i vodikovim ionima u vodu. Na elektrodama se odvijaju sljedeće reakcije: Reakcija na anodi: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4eReakcija na katodi: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH Ukupna reakcija ćelije: 2H2 + O2 => 2H2O U usporedbi s drugim vrstama gorive ćelije, gorive ćelije s membranom za izmjenu protona proizvode više energije za određeni volumen ili težinu gorive ćelije. Ova značajka im omogućuje da budu kompaktni i lagani. Osim toga, radna temperatura je manja od 100°C, što vam omogućuje brz početak rada. Ove karakteristike, kao i mogućnost brze promjene izlazne energije, samo su neke od njih koje ove gorivne ćelije čine glavnim kandidatima za upotrebu u vozilima.

Još jedna prednost je što je elektrolit krutina, a ne tekućina. Pomoću čvrstog elektrolita lakše je zadržati plinove na katodi i anodi, pa su takve gorivne ćelije jeftinije za proizvodnju. S čvrstim elektrolitom nema problema s orijentacijom i manje problema s korozijom, povećavajući dugovječnost ćelije i njezinih komponenti.

5. Gorivne ćelije s čvrstim oksidom (SOFC)

Gorivne ćelije s čvrstim oksidom su gorive ćelije s najvišom radnom temperaturom. Radna temperatura može varirati od 600°C do 1000°C, što omogućuje korištenje različitih vrsta goriva bez posebne prethodne obrade. Za podnošenje tako visokih temperatura korišteni elektrolit je tanki čvrsti metalni oksid na keramičkoj bazi, često legura itrija i cirkonija, koji je vodič iona kisika (O2-). Tehnologija korištenja gorivih ćelija s čvrstim oksidom razvija se od kasnih 50-ih godina 20. stoljeća i ima dvije konfiguracije: planarnu i cjevastu.

Kruti elektrolit osigurava nepropusni prijelaz plina s jedne elektrode na drugu, dok se tekući elektroliti nalaze u poroznoj podlozi. Nositelj naboja u gorivim ćelijama ovog tipa je ion kisika (O2-). Na katodi se molekule kisika iz zraka razdvajaju na ion kisika i četiri elektrona. Ioni kisika prolaze kroz elektrolit i spajaju se s vodikom, stvarajući četiri slobodna elektrona. Elektroni se šalju kroz vanjski električni krug, generirajući električnu struju i otpadnu toplinu.

Reakcija na anodi: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e

Reakcija na katodi: O2 + 4e- => 2O2-

Opća reakcija elementa: 2H2 + O2 => 2H2O

Učinkovitost proizvodnje električne energije najveća je od svih gorivih ćelija - oko 60%. Osim toga, visoke radne temperature omogućuju kombiniranu proizvodnju toplinske i električne energije za stvaranje visokotlačne pare. Kombinacija visokotemperaturne gorivne ćelije s turbinom omogućuje stvaranje hibridne gorivne ćelije za povećanje učinkovitosti proizvodnje električne energije do 70%.

Gorivne ćelije s krutim oksidom rade na vrlo visokim temperaturama (600°C-1000°C), što rezultira značajnim vremenom potrebnim za postizanje optimalnih radnih uvjeta i sporijom reakcijom sustava na promjene u potrošnji energije. Na tako visokim radnim temperaturama nije potreban pretvarač za regeneraciju vodika iz goriva, što omogućuje termoelektrani da radi s relativno nečistim gorivima koja su rezultat rasplinjavanja ugljena ili otpadnih plinova itd. Gorivne ćelije su također izvrsne za aplikacije velike snage, uključujući industrijske i velike centralne elektrane. Komercijalno se proizvode moduli s električnom izlaznom snagom od 100 kW.

6. Gorivne ćelije izravne oksidacije metanola (DOMFC)

Gorivne ćelije izravne oksidacije metanola Uspješno se koriste u području napajanja mobilnih telefona, prijenosnih računala, kao i za izradu prijenosnih izvora napajanja, čemu je i cilj buduća primjena ovakvih elemenata.

Dizajn gorivih ćelija s izravnom oksidacijom metanola sličan je dizajnu gorivih ćelija s membranom za izmjenu protona (MEPFC), tj. Kao elektrolit se koristi polimer, a kao nositelj naboja vodikov ion (proton). Ali tekući metanol (CH3OH) oksidira u prisutnosti vode na anodi, oslobađajući CO2, ione vodika i elektrone, koji se šalju kroz vanjski električni krug, stvarajući tako električnu struju. Vodikovi ioni prolaze kroz elektrolit i reagiraju s kisikom iz zraka i elektronima iz vanjskog kruga stvarajući vodu na anodi.

Reakcija na anodi: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6eReakcija na katodi: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O Opća reakcija elementa: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O Razvoj takvog gorivih ćelija provodi se od početka 90-ih godina 20. stoljeća te su im specifična snaga i učinkovitost povećani na 40%.

Ovi elementi su ispitani u temperaturnom rasponu od 50-120°C. Zbog niskih radnih temperatura i nepostojanja potrebe za pretvaračem, takve gorivne ćelije glavni su kandidati za upotrebu u mobilnim telefonima i drugim potrošačkim proizvodima, kao iu automobilskim motorima. Njihova prednost je i mala veličina.

7. Gorivne ćelije s polimernim elektrolitom (PEFC)

U slučaju gorivih ćelija s polimernim elektrolitom, polimerna membrana sastoji se od polimernih vlakana s vodenim područjima u kojima se vodljivi ioni vode H2O+ (proton, crveno) vežu za molekulu vode. Molekule vode predstavljaju problem zbog spore izmjene iona. Stoga je potrebna visoka koncentracija vode iu gorivu i na izlaznim elektrodama, što ograničava radnu temperaturu na 100°C.

8. Gorivne ćelije na krutu kiselinu (SFC)

U gorivnim ćelijama s čvrstim kiselinama elektrolit (CsHSO4) ne sadrži vodu. Radna temperatura je dakle 100-300°C. Rotacija oksianiona SO42 omogućuje kretanje protona (crveno) kao što je prikazano na slici. Obično je gorivna ćelija s čvrstom kiselinom sendvič u kojem je vrlo tanak sloj spoja s čvrstom kiselinom umetnut između dvije elektrode koje su čvrsto stisnute jedna uz drugu kako bi se osigurao dobar kontakt. Prilikom zagrijavanja organska komponenta isparava, izlazi kroz pore u elektrodama, održavajući sposobnost višestrukih kontakata između goriva (ili kisika na drugom kraju elementa), elektrolita i elektroda.

9. Usporedba najvažnijih karakteristika gorivih ćelija

Karakteristike gorivih ćelija

Vrsta gorive ćelije	Radna temperatura	Učinkovitost proizvodnje električne energije	Vrsta goriva	Opseg primjene
				Srednje i velike instalacije
			Čisti vodik	instalacije
			Čisti vodik	Male instalacije
			Većina ugljikovodičnih goriva	Male, srednje i velike instalacije
				Prijenosni instalacije
			Čisti vodik	Prostor istraživao
			Čisti vodik	Male instalacije

10. Korištenje gorivih ćelija u automobilima

Ekologija znanja. Znanost i tehnologija: Mobilna elektronika se poboljšava svake godine, postaje sve raširenija i dostupnija: PDA uređaji, prijenosna računala, mobilni i digitalni uređaji, okviri za fotografije, itd. Svi se stalno nadopunjuju

DIY gorive ćelije kod kuće

Mobilna elektronika svake godine napreduje, postaje sve raširenija i dostupnija: dlanovnici, prijenosna računala, mobilni i digitalni uređaji, okviri za fotografije itd. Svi se oni stalno ažuriraju novim funkcijama, većim monitorima, bežičnim komunikacijama, jačim procesorima, a smanjuju se u veličini . Energetske tehnologije, za razliku od tehnologije poluvodiča, ne napreduju skokovito.

Postojeće baterije i akumulatori za napajanje dostignuća industrije postaju nedostatni, pa je pitanje alternativnih izvora vrlo akutno. Gorivne ćelije daleko su najperspektivnije područje. Princip njihova rada otkrio je davne 1839. godine William Grove, koji je električnu energiju generirao mijenjajući elektrolizu vode.

Što su gorivne ćelije?

Video: dokumentarni film, gorivne ćelije za transport: prošlost, sadašnjost, budućnost

Gorivne ćelije zanimaju proizvođače automobila, a za njih su zainteresirani i dizajneri svemirskih brodova. Godine 1965. testirala ih je čak i Amerika na letjelici Gemini 5 lansiranoj u svemir, a kasnije i na Apollu. Milijuni dolara se danas ulažu u istraživanje gorivih ćelija dok problemi zagađenja i dalje postoje. okoliš, povećanje emisije stakleničkih plinova koji nastaju izgaranjem organskog goriva, čije rezerve također nisu beskonačne.

Goriva ćelija, često nazivana elektrokemijskim generatorom, radi na način opisan u nastavku.

On je, kao i akumulatori i baterije, galvanski element, ali s tom razlikom što se aktivne tvari u njemu pohranjuju odvojeno. One se dovode na elektrode kako se koriste. Na negativnoj elektrodi izgara prirodno gorivo ili bilo koja tvar dobivena iz njega, koja može biti plinovita (npr. vodik i ugljikov monoksid) ili tekuća, poput alkohola. Kisik obično reagira na pozitivnoj elektrodi.

Ali naizgled jednostavan princip rada nije lako pretočiti u stvarnost.

DIY gorive ćelije

Nažalost, nemamo fotografije kako bi ovaj gorivi element trebao izgledati, oslanjamo se na vašu maštu.

Gorivu ćeliju male snage možete napraviti vlastitim rukama čak iu školskom laboratoriju. Morate se opskrbiti starom plinskom maskom, nekoliko komada pleksiglasa, lužinom i vodenom otopinom etilnog alkohola (jednostavnije, votke), koji će poslužiti kao "gorivo" za gorivnu ćeliju.

Prije svega, potrebno je kućište za gorivnu ćeliju, koje je najbolje napraviti od pleksiglasa, debljine najmanje pet milimetara. Unutarnje pregrade (unutra ima pet odjeljaka) mogu se napraviti malo tanje - 3 cm Za lijepljenje pleksiglasa koristite ljepilo sljedećeg sastava: šest grama strugotina od pleksiglasa otopi se u sto grama kloroforma ili dikloroetana (rad je obavljen ispod haube).

Sada morate izbušiti rupu u vanjskom zidu, u koju morate umetnuti staklenu odvodnu cijev promjera 5-6 centimetara kroz gumeni čep.

Svima je poznato da su u periodnom sustavu najaktivniji metali u donjem lijevom kutu, a visoko aktivni metaloidi u gornjem desnom kutu tablice, tj. sposobnost doniranja elektrona raste od vrha prema dolje i s desna na lijevo. Elementi koji se pod određenim uvjetima mogu manifestirati kao metali ili metaloidi nalaze se u središtu tablice.

Sada ulijemo gas masku u drugi i četvrti odjeljak Aktivni ugljik(između prve i druge pregrade, kao i treće i četvrte), koje će služiti kao elektrode. Kako se ugljen ne bi izlio kroz rupe, možete ga staviti u najlonsku tkaninu (prikladne su ženske najlonske čarape).

Gorivo će cirkulirati u prvoj komori, au petoj bi trebao biti dobavljač kisika - zrak. Između elektroda će biti elektrolit, a da ne bi istjecao u zračnu komoru potrebno ga je prije punjenja natopiti otopinom parafina u benzinu (omjer 2 grama parafina na pola čaše benzina). četvrta komora s ugljikom za zračni elektrolit. Na sloj ugljena potrebno je postaviti (laganim pritiskom) bakrene ploče na koje su zalemljene žice. Kroz njih će struja biti preusmjerena s elektroda.

Ostaje samo napuniti element. Za to vam je potrebna votka, koju je potrebno razrijediti vodom u omjeru 1:1. Zatim pažljivo dodajte tristo do tristo pedeset grama kaustičnog kalija. Za elektrolit se 70 grama kalijevog hidroksida otopi u 200 grama vode.

Gorivna ćelija je spremna za testiranje. Sada morate istovremeno uliti gorivo u prvu komoru i elektrolit u treću. Voltmetar spojen na elektrode trebao bi pokazivati od 07 volti do 0,9 volti. Da bi se osigurao kontinuirani rad elementa, potrebno je odstraniti istrošeno gorivo (ocijediti u čašu) i dodati novo gorivo (kroz gumenu cijev). Brzina dodavanja se podešava stiskanjem cijevi. Ovako u laboratorijskim uvjetima izgleda rad gorive ćelije čija je snaga razumljivo mala.

Kako bi osigurali veću snagu, znanstvenici već dugo rade na ovom problemu. Aktivni čelik u razvoju sadrži metanol i gorive ćelije na etanol. Ali, nažalost, još nisu zaživjeli u praksi.

Zašto su gorive ćelije odabrane kao alternativni izvor energije

Kao alternativni izvor energije odabrana je goriva ćelija budući da je krajnji produkt izgaranja vodika u njoj voda. Jedini problem je pronaći jeftin i učinkovit način za proizvodnju vodika. Ogromna sredstva uložena u razvoj vodikovih generatora i gorivih ćelija ne mogu a da ne urode plodom, pa je tehnološki iskorak i njihova prava primjena u svakodnevnom životu samo pitanje vremena.

Već danas, čudovišta automobilske industrije: General Motors, Honda, Draimler Coyler, Ballard, demonstriraju autobuse i automobile koji rade na gorive ćelije, čija snaga doseže 50 kW. Ali problemi povezani s njihovom sigurnošću, pouzdanošću i cijenom još nisu riješeni. Kao što je već spomenuto, za razliku od tradicionalnih izvora energije - baterija i akumulatora, u ovom slučaju oksidator i gorivo se dovode izvana, a gorivna ćelija je samo posrednik u tekućoj reakciji sagorijevanja goriva i pretvaranja oslobođene energije u električnu energiju. Do “izgaranja” dolazi samo ako element napaja struju do potrošača, poput dizel elektrogeneratora, ali bez generatora i dizel motora, te također bez buke, dima i pregrijavanja. U isto vrijeme, učinkovitost je mnogo veća, budući da nema posrednih mehanizama.

Velike se nade polažu u korištenje nanotehnologije i nanomaterijala, koji će pomoći minijaturizaciji gorivih ćelija uz povećanje njihove snage. Bilo je izvješća da su stvoreni ultra-učinkoviti katalizatori, kao i dizajni za gorive ćelije koje nemaju membrane. U njima se gorivo (na primjer metan) dovodi u element zajedno s oksidatorom. Zanimljiva rješenja koriste kisik otopljen u zraku kao oksidans, a organske nečistoće koje se nakupljaju u zagađenim vodama koriste se kao gorivo. To su takozvani elementi biogoriva.

Gorivne ćelije, prema stručnjacima, mogu ući na masovno tržište u nadolazećim godinama. Objavljeno

Pridružite nam se

Želio bih vas odmah upozoriti da ova tema nije u potpunosti tema Habra, ali u komentarima na post o elementu razvijenom na MIT-u, činilo se da je ideja podržana, pa ću u nastavku opisati neka razmišljanja o biogorivu elementi.
Rad na kojem je pisana ova tema izradio sam u 11. razredu, te je zauzeo drugo mjesto na međunarodnoj konferenciji INTEL ISEF.

Gorivna ćelija je kemijski izvor struje u kojem se kemijska energija redukcijskog agensa (goriva) i oksidacionog agensa, kontinuirano i odvojeno dovedena do elektroda, izravno pretvara u električnu energiju
energije. Shematski dijagram gorive ćelije (FC) prikazan je u nastavku:

Goriva ćelija sastoji se od anode, katode, ionskog vodiča, anodne i katodne komore. Trenutačno snaga biogorivnih ćelija nije dovoljna za korištenje u industrijskim razmjerima, ali BFC-i male snage mogu se koristiti u medicinske svrhe kao osjetljivi senzori budući da je snaga struje u njima proporcionalna količini goriva koje se obrađuje.
Do danas je predložen veliki broj konstrukcijskih varijanti gorivih ćelija. U svakom konkretnom slučaju izvedba gorive ćelije ovisi o namjeni gorive ćelije, vrsti reagensa i ionskog vodiča. Posebnu skupinu čine biogorivne ćelije koje koriste biološke katalizatore. Važna značajka razlikovanja bioloških sustava je njihova sposobnost da selektivno oksidiraju različita goriva na niskim temperaturama.
U većini slučajeva u bioelektrokatalizi se koriste imobilizirani enzimi, tj. enzimi izolirani iz živih organizama i fiksirani na nosač, ali zadržavaju katalitičku aktivnost (djelomično ili potpuno), što im omogućuje ponovnu upotrebu. Razmotrimo primjer ćelije biogoriva u kojoj je enzimska reakcija spojena s reakcijom elektrode pomoću posrednika. Shema biogorivne ćelije na bazi glukoza-oksidaze:

Ćelija za biogorivo sastoji se od dvije inertne elektrode izrađene od zlata, platine ili ugljika, uronjene u pufersku otopinu. Elektrode su odvojene membranom za ionsku izmjenu: anodni odjeljak se pročišćava zrakom, katodni odjeljak dušikom. Membrana omogućuje prostorno odvajanje reakcija koje se odvijaju u elektrodnim odjeljcima ćelije, a istovremeno osigurava izmjenu protona među njima. Membrane pogodne za biosenzore različiti tipovi proizvode u Velikoj Britaniji mnoge tvrtke (VDN, VIROKT).
Uvođenje glukoze u ćeliju biogoriva koja sadrži glukoznu oksidazu i topljivi medijator na 20 °C rezultira protokom elektrona od enzima do anode kroz medijator. Elektroni putuju vanjskim strujnim krugom do katode, gdje se u idealnim uvjetima stvara voda u prisutnosti protona i kisika. Rezultirajuća struja (u nedostatku zasićenja) proporcionalna je dodatku komponente koja određuje brzinu (glukoze). Mjerenjem stacionarnih struja možete brzo (5 s) odrediti čak i niske koncentracije glukoze - do 0,1 mM. Kao senzor, opisana biogorivna ćelija ima određena ograničenja povezana s prisutnošću posrednika i određenim zahtjevima za kisikovu katodu i membranu. Potonji mora zadržati enzim i istovremeno omogućiti prolaz komponentama niske molekularne težine: plin, medijator, supstrat. Membrane za ionsku izmjenu općenito zadovoljavaju ove zahtjeve, iako njihova difuzijska svojstva ovise o pH puferske otopine. Difuzija komponenti kroz membranu dovodi do smanjenja učinkovitosti prijenosa elektrona zbog nuspojava.
Danas postoje laboratorijski modeli gorivih ćelija s enzimskim katalizatorima, čije karakteristike ne zadovoljavaju zahtjeve njihove praktične primjene. Glavni napori u sljedećih nekoliko godina bit će usmjereni na rafiniranje biogorivnih ćelija, a daljnje primjene biogorivnih ćelija bit će više vezane uz medicinu, na primjer: implantabilna biogorivna ćelija koja koristi kisik i glukozu.
Kod primjene enzima u elektrokatalizi glavni problem koji treba riješiti je problem sprezanja enzimske reakcije s elektrokemijskom, odnosno osiguravanja učinkovitog transporta elektrona od aktivnog centra enzima do elektrode, što se može postići sljedeće načine:
1. Prijenos elektrona iz aktivnog središta enzima na elektrodu pomoću niskomolekularnog nosača – medijatora (medijatorska bioelektrokataliza).
2. Izravna, izravna oksidacija i redukcija aktivnih mjesta enzima na elektrodi (izravna bioelektrokataliza).
U ovom slučaju, posredničko spajanje enzimskih i elektrokemijskih reakcija može se izvesti na četiri načina:
1) enzim i medijator su u masi otopine i medijator difundira na površinu elektrode;
2) enzim je na površini elektrode, a medijator je u volumenu otopine;
3) enzim i medijator su imobilizirani na površini elektrode;
4) medijator je ušiven na površinu elektrode, a enzim je u otopini.

U ovom radu lakaza je poslužila kao katalizator katodne reakcije redukcije kisika, a glukoza oksidaza (GOD) kao katalizator anodne reakcije oksidacije glukoze. Enzimi su korišteni kao dio kompozitnih materijala čija je izrada jedna od najvažnijih faza u stvaranju biogorivnih ćelija koje ujedno služe i kao analitički senzor. U tom slučaju biokompozitni materijali moraju osigurati selektivnost i osjetljivost za određivanje supstrata te istovremeno imati visoku bioelektrokatalitičku aktivnost, približavajući se enzimskoj aktivnosti.
Lakaza je oksidoreduktaza koja sadrži Cu, čija je glavna funkcija u prirodnim uvjetima oksidacija organskih supstrata (fenola i njihovih derivata) s kisikom, koji se reducira u vodu. Molekularna težina enzima je 40 000 g/mol.

Do danas je pokazano da je lakaza najaktivniji elektrokatalizator redukcije kisika. U njegovoj prisutnosti na elektrodi u atmosferi kisika uspostavlja se potencijal blizak ravnotežnom potencijalu kisika, a redukcija kisika dolazi izravno u vodu.
Kao katalizator za katodnu reakciju (redukcija kisika) korišten je kompozitni materijal na bazi lakaze, acetilenske čađe AD-100 i Nafiona. Posebnost kompozita je njegova struktura, koja osigurava orijentaciju molekule enzima u odnosu na matricu koja vodi elektron, neophodnu za izravan prijenos elektrona. Specifična bioelektrokatalitička aktivnost lakaze u kompozitnim pristupima koji se promatraju u enzimskoj katalizi. Metoda spajanja enzimskih i elektrokemijskih reakcija u slučaju lakaze, tj. metoda prijenosa elektrona sa supstrata kroz aktivno središte enzima lakaze na elektrodu – izravna bielektrokataliza.

Glukoza oksidaza (GOD) je enzim iz klase oksidoreduktaza, ima dvije podjedinice od kojih svaka ima svoj aktivni centar - (flavin adenin dinukleotid) FAD. GOD je enzim selektivan za donora elektrona, glukozu, i može koristiti mnoge supstrate kao akceptore elektrona. Molekularna težina enzima je 180 000 g/mol.

U ovom radu koristili smo kompozitni materijal na bazi GOD-a i ferocena (FC) za anodnu oksidaciju glukoze posredničkim mehanizmom. Kompozitni materijal uključuje GOD, visoko dispergirani koloidni grafit (HCG), Fc i Nafion, koji su omogućili dobivanje elektron vodljive matrice s visoko razvijenom površinom, osigurali učinkovit transport reagensa u reakcijsku zonu i stabilne karakteristike kompozita. materijal. Metoda spajanja enzimskih i elektrokemijskih reakcija, tj. osiguravajući učinkovit transport elektrona od aktivnog centra GOD do elektrode medijatora, dok su enzim i medijator imobilizirani na površini elektrode. Kao posrednik – akceptor elektrona korišten je ferocen. Kada se organski supstrat, glukoza, oksidira, ferocen se reducira i potom oksidira na elektrodi.

Ako je netko zainteresiran, mogu detaljno opisati postupak dobivanja premaza elektroda, ali za to je bolje pisati u osobnoj poruci. A u temi ću jednostavno opisati dobivenu strukturu.

1. AD-100.
2. lakaza.
3. hidrofobna porozna podloga.
4. Nafion.

Nakon što su elektori primljeni, prešlo se izravno na eksperimentalni dio. Ovako je izgledala naša radna ćelija:

1. Ag/AgCl referentna elektroda;
2. radna elektroda;
3. pomoćna elektroda - Rt.
U pokusu s glukoza-oksidazom - pročišćavanje argonom, s lakazom - kisikom.

Redukcija kisika na čađi u nedostatku lakaze događa se pri potencijalima ispod nule i odvija se u dva stupnja: posrednim stvaranjem vodikovog peroksida. Na slici je prikazana polarizacijska krivulja elektroredukcije kisika lakazom imobiliziranom na AD-100, dobivena u atmosferi kisika u otopini pH 4,5. Pod tim uvjetima uspostavlja se stacionarni potencijal blizu ravnotežnog potencijala kisika (0,76 V). Pri katodnom potencijalu od 0,76 V uočava se katalitička redukcija kisika na enzimskoj elektrodi, koja se odvija mehanizmom izravne bioelektrokatalize izravno u vodu. U području potencijala ispod katode od 0,55 V na krivulji se uočava plato koji odgovara graničnoj kinetičkoj struji redukcije kisika. Granična vrijednost struje bila je oko 630 μA/cm2.

Elektrokemijsko ponašanje kompozitnog materijala na bazi GOD Nafiona, ferocena i VKG proučavano je cikličkom voltametrijom (CV). Stanje kompozitnog materijala u odsutnosti glukoze u otopini fosfatnog pufera praćeno je pomoću krivulja naboja. Na krivulji naboja pri potencijalu (–0,40) V uočavaju se maksimumi vezani uz redoks transformacije aktivnog centra GOD - (FAD), a pri 0,20-0,25 V maksimumi oksidacije i redukcije ferocena.

Iz dobivenih rezultata proizlazi da na temelju katode s lakazom kao katalizatorom za reakciju kisika, te anode na bazi glukoza-oksidaze za oksidaciju glukoze, postoji temeljna mogućnost stvaranja biogorivne ćelije. Istina, na tom putu postoje mnoge prepreke, na primjer, vrhovi aktivnosti enzima opažaju se na različitim razinama pH. To je dovelo do potrebe za dodavanjem membrane za ionsku izmjenu BFC-u.Membrana omogućuje prostorno odvajanje reakcija koje se odvijaju u odjeljcima elektrode ćelije, a istovremeno osigurava izmjenu protona između njih. Zrak ulazi u odjeljak anode.
Uvođenje glukoze u ćeliju biogoriva koja sadrži glukoznu oksidazu i medijator rezultira protokom elektrona od enzima do anode kroz medijator. Elektroni putuju vanjskim strujnim krugom do katode, gdje se u idealnim uvjetima stvara voda u prisutnosti protona i kisika. Rezultirajuća struja (u nedostatku zasićenja) proporcionalna je dodatku komponente koja određuje brzinu, glukoze. Mjerenjem stacionarnih struja možete brzo (5 s) odrediti čak i niske koncentracije glukoze - do 0,1 mM.

Nažalost, nisam uspio dovesti ideju ovog BFC-a u praktičnu primjenu, jer Odmah nakon 11. razreda krenula sam učiti za programera, što i danas marljivo radim. Hvala svima koji su ga dovršili.

Više nikoga nećete iznenaditi ni solarnim panelima ni vjetroturbinama koje proizvode električnu energiju u svim regijama svijeta. No učinak ovih uređaja nije konstantan te je potrebno ugraditi rezervne izvore napajanja ili se spojiti na mrežu za dobivanje električne energije u razdoblju kada obnovljivi izvori energije ne proizvode električnu energiju. Međutim, postoje postrojenja razvijena u 19. stoljeću koja koriste "alternativna" goriva za proizvodnju električne energije, tj. ne sagorijevaju plin ili naftne derivate. Takve instalacije su gorive ćelije.

POVIJEST STVARANJA

Gorivne ćelije (FC) ili gorive ćelije otkrio je davne 1838.-1839. William Grove (Grove, Grove), kada je proučavao elektrolizu vode.

Pomoć: Elektroliza vode je proces razgradnje vode pod utjecajem električne struje na molekule vodika i kisika

Nakon što je odvojio bateriju od elektrolitičke ćelije, iznenadio se kad je otkrio da su elektrode počele apsorbirati oslobođeni plin i stvarati struju. Otkriće procesa elektrokemijskog "hladnog" izgaranja vodika bio je značajan događaj u energetskoj industriji. Kasnije je stvorio bateriju Grove. Ovaj uređaj je imao platinsku elektrodu uronjenu u dušičnu kiselinu i cinkovu elektrodu u cinkov sulfat. Generirao je struju od 12 ampera i napon od 8 volti. Grow je sam nazvao ovaj dizajn "mokra baterija". Zatim je napravio bateriju koristeći dvije platinaste elektrode. Jedan kraj svake elektrode bio je u sumpornoj kiselini, a drugi su krajevi bili zatvoreni u spremnicima s vodikom i kisikom. Postojala je stabilna struja između elektroda, a količina vode u posudama se povećala. Grow je uspio razgraditi i poboljšati vodu u ovom uređaju.

"Rast baterije"

(izvor: Kraljevsko društvo Nacionalnog prirodoslovnog muzeja)

Pojam “goriva ćelija” (engleski “Fuel Cell”) pojavio se tek 1889. L. Mond i
C. Langer, koji je pokušao stvoriti uređaj za proizvodnju električne energije iz zraka i ugljenog plina.

KAKO RADI?

Gorivna ćelija je relativno jednostavan uređaj. Ima dvije elektrode: anodu (negativna elektroda) i katodu (pozitivna elektroda). Na elektrodama dolazi do kemijske reakcije. Kako bi se ubrzao, površina elektroda je obložena katalizatorom. FC-ovi su opremljeni s još jednim elementom - membrana. Pretvorba kemijske energije goriva izravno u električnu energiju događa se zahvaljujući radu membrane. Odvaja dvije komore elementa u koje se dovodi gorivo i oksidans. Membrana dopušta samo protonima, koji nastaju kao rezultat cijepanja goriva, da prijeđu iz jedne komore u drugu na elektrodi obloženoj katalizatorom (elektroni tada putuju kroz vanjski krug). U drugoj komori, protoni se spajaju s elektronima (i atomima kisika) u vodu.

Princip rada vodikove gorive ćelije

Na kemijskoj razini, proces pretvaranja energije goriva u električnu energiju sličan je konvencionalnom procesu izgaranja (oksidacija).

Pri normalnom izgaranju u kisiku dolazi do oksidacije organskog goriva, a kemijska energija goriva pretvara se u toplinsku energiju. Pogledajmo što se događa tijekom oksidacije vodika s kisikom u okruženju elektrolita iu prisutnosti elektroda.

Dovodom vodika na elektrodu koja se nalazi u alkalnom okruženju dolazi do kemijske reakcije:

2H 2 + 4OH - → 4H 2 O + 4e -

Kao što vidite, dobivamo elektrone koji prolazeći kroz vanjski krug dolaze do suprotne elektrode, na koju teče kisik i gdje se odvija reakcija:

4e- + O 2 + 2H 2 O → 4OH -

Može se vidjeti da je rezultirajuća reakcija 2H 2 + O 2 → H 2 O ista kao tijekom normalnog izgaranja, ali Gorivna ćelija proizvodi električnu struju i nešto topline.

VRSTE GORIVNIH ĆELIJA

Uobičajeno je klasificirati gorive ćelije prema vrsti elektrolita koji se koristi za reakciju:

Imajte na umu da gorive ćelije također mogu koristiti ugljen, ugljični monoksid, alkohole, hidrazin i druge organske tvari kao gorivo, a zrak, vodikov peroksid, klor, brom, dušičnu kiselinu itd. kao oksidacijska sredstva.

UČINKOVITOST GORIVNIH ĆELIJA

Značajka gorivih ćelija je nema strogih ograničenja učinkovitosti, poput toplinskih motora.

Pomoć: UčinkovitostCarnotov ciklus je najveća moguća učinkovitost među svim toplinskim strojevima s istim minimalnim i maksimalnim temperaturama.

Stoga učinkovitost gorivih ćelija u teoriji može biti veća od 100%. Mnogi su se nasmiješili i pomislili: "Vječni stroj je izumljen." Ne, ovdje bismo se trebali vratiti na školski tečaj kemije. Gorivna ćelija temelji se na pretvorbi kemijske energije u električnu. Ovdje se događaju čuda. Određene kemijske reakcije dok se događaju mogu apsorbirati toplinu iz okoline.

Pomoć: Endotermne reakcije su kemijske reakcije praćene apsorpcijom topline. Za endotermne reakcije, promjene entalpije i unutarnje energije imaju pozitivne vrijednosti (Δ H >0, Δ U >0), stoga produkti reakcije sadrže više energije od polaznih komponenti.

Primjer takve reakcije je oksidacija vodika, koja se koristi u većini gorivih ćelija. Stoga, teoretski, učinkovitost može biti veća od 100%. Ali danas se gorivne ćelije tijekom rada zagrijavaju i ne mogu apsorbirati toplinu iz okoline.

Pomoć: Ovo ograničenje nameće drugi zakon termodinamike. Proces prijenosa topline s "hladnog" tijela na "vruće" nije moguć.

Osim toga, postoje gubici povezani s neravnotežnim procesima. Kao što su: omski gubici zbog specifične vodljivosti elektrolita i elektroda, aktivacijska i koncentracijska polarizacija, difuzijski gubici. Zbog toga se dio energije proizvedene u gorivim ćelijama pretvara u toplinu. Dakle, gorivne ćelije nisu perpetum mobile i njihova je učinkovitost manja od 100%. Ali njihova je učinkovitost veća od učinkovitosti drugih strojeva. Danas Učinkovitost gorivih ćelija doseže 80%.

Referenca:Četrdesetih godina engleski inženjer T. Bacon konstruirao je i izradio bateriju gorivih ćelija ukupne snage 6 kW i učinkovitosti od 80%, koja radi na čisti vodik i kisik, ali je omjer snage i mase baterije pokazalo se premalim - takvi su elementi bili neprikladni za praktičnu upotrebu i preskupi (izvor: http://www.powerinfo.ru/).

PROBLEMI GORIVNIH ĆELIJA

Gotovo sve gorivne ćelije koriste vodik kao gorivo, pa se postavlja logično pitanje: "Gdje ga mogu nabaviti?"

Čini se da je gorivna ćelija otkrivena kao rezultat elektrolize, pa je moguće iskoristiti vodik koji se oslobađa kao rezultat elektrolize. Ali pogledajmo ovaj proces detaljnije.

Prema Faradayevom zakonu: količina tvari koja se oksidira na anodi ili reducira na katodi proporcionalna je količini elektriciteta koji prolazi kroz elektrolit. To znači da je za dobivanje više vodika potrebno potrošiti više električne energije. Postojeće metode elektrolize vode rade s učinkovitošću manjom od jedan. Zatim dobiveni vodik koristimo u gorivim ćelijama, gdje je učinkovitost također manja od jedinice. Stoga ćemo potrošiti više energije nego što možemo proizvesti.

Naravno, možete koristiti vodik proizveden iz prirodnog plina. Ovaj način proizvodnje vodika ostaje najjeftiniji i najpopularniji. Trenutno oko 50% vodika proizvedenog u svijetu dolazi iz prirodnog plina. Ali postoji problem sa skladištenjem i transportom vodika. Vodik ima malu gustoću ( jedna litra vodika teži 0,0846 g), kako bi ga prevezli do velike udaljenosti treba ga stisnuti. A to su dodatni energetski i novčani troškovi. Također, ne zaboravite na sigurnost.

No, i tu postoji rješenje - kao izvor vodika može se koristiti tekuće ugljikovodikovo gorivo. Na primjer, etil ili metil alkohol. Istina, to zahtijeva poseban dodatni uređaj - pretvarač goriva, kada visoka temperatura(za metanol to će biti negdje oko 240°C) pretvarajući alkohole u smjesu plinovitog H 2 i CO 2. Ali u ovom slučaju, već je teže razmišljati o prenosivosti - takvi uređaji su dobri za upotrebu kao stacionarni ili automobilski generatori, ali za kompaktnu mobilnu opremu trebate nešto manje glomazno.

Katalizator

Kako bi se pojačala reakcija u gorivnoj ćeliji, površina anode obično se tretira katalizatorom. Donedavno se kao katalizator koristila platina. Stoga je trošak gorive ćelije bio visok. Drugo, platina je relativno rijedak metal. Prema mišljenju stručnjaka, s industrijskom proizvodnjom gorivih ćelija, dokazane rezerve platine će nestati za 15-20 godina. Ali znanstvenici diljem svijeta pokušavaju platinu zamijeniti drugim materijalima. Inače, neki od njih postigli su dobre rezultate. Tako su kineski znanstvenici platinu zamijenili kalcijevim oksidom (izvor: www.cheburek.net).

KORIŠTENJE GORIVNIH ĆELIJA

Prva goriva ćelija u automobilskoj tehnologiji testirana je 1959. Traktor Alice-Chambers za rad je koristio 1008 baterija. Gorivo je bila mješavina plinova, uglavnom propana i kisika.

Izvor: http://www.planetseed.com/

Od sredine 60-ih, na vrhuncu "svemirske utrke", kreatori svemirskih letjelica zainteresirali su se za gorive ćelije. Rad tisuća znanstvenika i inženjera omogućio nam je da dosegnemo novu razinu, a 1965. gorivne ćelije testirane su u SAD-u na letjelici Gemini 5, a kasnije i na letjelici Apollo za letove na Mjesec i programu Shuttle. U SSSR-u su gorivne ćelije razvijene u NPO Kvant, također za korištenje u svemiru (izvor: http://www.powerinfo.ru/).

Budući da je u gorivim ćelijama konačni produkt izgaranja vodika voda, smatraju se najčišćima u smislu utjecaja na okoliš. Stoga su gorivne ćelije počele dobivati popularnost u pozadini općeg interesa za okoliš.

Već su proizvođači automobila poput Honde, Forda, Nissana i Mercedes-Benza stvorili automobile koje pokreću vodikove gorive ćelije.

Mercedes-Benz - Ener-G-Force pogonjen vodikom

Pri korištenju automobila na vodik rješava se problem skladištenja vodika. Izgradnja benzinskih postaja za vodik omogućit će punjenje gorivom bilo gdje. Štoviše, punjenje automobila vodikom brže je od punjenja električnog automobila na benzinskoj postaji. No pri realizaciji ovakvih projekata naišli smo na problem sličan onom kod električnih vozila. Ljudi su spremni prijeći na automobile na vodik ako za njih postoji infrastruktura. I izgradnja benzinskih crpki počet će ako bude dovoljan broj potrošača. Dakle, opet smo došli do dileme jaje i kokoš.

Gorive ćelije naširoko se koriste u mobilnim telefonima i prijenosnim računalima. Već je prošlo vrijeme kada se telefon punio jednom tjedno. Sada se telefon puni skoro svaki dan, a laptop radi 3-4 sata bez mreže. Stoga su proizvođači mobilne tehnologije odlučili sintetizirati gorivu ćeliju s telefonima i prijenosnim računalima za punjenje i rad. Primjerice, tvrtka Toshiba je 2003.g. demonstrirao je gotov prototip gorivne ćelije s metanolom. Proizvodi snagu od oko 100 mW. Jedno punjenje 2 kocke koncentriranog (99,5%) metanola dovoljno je za 20 sati rada MP3 playera. Opet, ista Toshiba demonstrirala je ćeliju za napajanje prijenosnih računala dimenzija 275x75x40 mm, koja omogućuje rad računala 5 sati s jednim punjenjem.

Ali neki su proizvođači otišli dalje. Tvrtka PowerTrekk izdala je istoimeni punjač. PowerTrekk je prvi svjetski punjač za vodu. Vrlo je jednostavan za korištenje. PowerTrekk zahtijeva dodavanje vode kako bi osigurao trenutnu električnu energiju putem USB kabela. Ova goriva ćelija sadrži prah silicija i natrijev silicid (NaSi) kada se pomiješa s vodom, kombinacija stvara vodik. Vodik se miješa sa zrakom u samoj gorivnoj ćeliji, a vodik pretvara u električnu energiju kroz svoju membransko-protonsku izmjenu, bez ventilatora i pumpi. Takav prijenosni punjač možete kupiti za 149 € (

Gorivne ćelije (elektrokemijski generatori) predstavljaju vrlo učinkovit, trajan, pouzdan i ekološki prihvatljiv način dobivanja energije. U početku su se koristili samo u svemirskoj industriji, a danas se elektrokemijski generatori sve više koriste u raznim područjima: napajanja za mobilne telefone i prijenosna računala, motore vozila, autonomne izvore energije za zgrade, stacionarne elektrane. Neki od ovih uređaja rade kao laboratorijski prototipovi, dok se drugi koriste u demonstracijske svrhe ili su podvrgnuti testiranju prije proizvodnje. Međutim, mnogi modeli već se koriste u komercijalnim projektima i masovno se proizvode.

Uređaj

Gorive ćelije su elektrokemijski uređaji koji mogu osigurati visoku stopu pretvorbe postojeće kemijske energije u električnu energiju.

Uređaj gorive ćelije sastoji se od tri glavna dijela:

Dio za proizvodnju električne energije;
CPU;
Transformator napona.

Glavni dio gorivne ćelije je dio za proizvodnju električne energije, koji je baterija napravljena od pojedinačnih gorivih ćelija. Platinski katalizator uključen je u strukturu elektroda gorive ćelije. Pomoću ovih ćelija stvara se stalna električna struja.

Jedan od ovih uređaja ima sljedeće karakteristike: pri naponu od 155 volti proizvodi se 1400 ampera. Dimenzije baterije su 0,9 m širine i visine i 2,9 m dužine. Elektrokemijski proces u njemu se odvija na temperaturi od 177 °C, što zahtijeva zagrijavanje baterije u trenutku pokretanja, kao i odvođenje topline tijekom njenog rada. U tu je svrhu u gorivu ćeliju uključen zasebni krug vode, a baterija je opremljena posebnim pločama za hlađenje.

Proces goriva pretvara prirodni plin u vodik, koji je potreban za elektrokemijsku reakciju. Glavni element procesora goriva je reformator. U njemu, prirodni plin (ili drugo gorivo koje sadrži vodik) stupa u interakciju pri visokom tlaku i visokoj temperaturi (oko 900 ° C) s vodenom parom pod djelovanjem katalizatora nikla.

Za održavanje potrebne temperature reformera postoji plamenik. Para potrebna za reforming stvara se iz kondenzata. U bateriji gorivih ćelija stvara se nestabilna istosmjerna struja, a za njezino pretvaranje koristi se pretvarač napona.

Također u bloku pretvarača napona postoje:

Kontrolni uređaji.
Krugovi sigurnosne blokade koji isključuju gorivu ćeliju tijekom raznih kvarova.

Princip rada

Najjednostavnija ćelija s membranom za izmjenu protona sastoji se od polimerne membrane koja se nalazi između anode i katode, kao i katodnog i anodnog katalizatora. Polimerna membrana se koristi kao elektrolit.

Membrana protonske izmjene izgleda kao tanki čvrsti organski spoj male debljine. Ova membrana djeluje kao elektrolit; u prisutnosti vode razdvaja tvar na negativno i pozitivno nabijene ione.
Oksidacija počinje na anodi, a redukcija na katodi. Katoda i anoda u PEM ćeliji izrađene su od poroznog materijala; to je mješavina čestica platine i ugljika. Platina djeluje kao katalizator, koji potiče reakciju disocijacije. Katoda i anoda su porozne tako da kisik i vodik slobodno prolaze kroz njih.
Anoda i katoda nalaze se između dvije metalne ploče, one dovode katodu i anodu kisik i vodik, a odvode električnu energiju, toplinu i vodu.
Kroz kanale u pločici molekule vodika ulaze u anodu, gdje se molekule razgrađuju na atome.
Kao rezultat kemisorpcije pod utjecajem katalizatora, atomi vodika se pretvaraju u pozitivno nabijene ione vodika H+, odnosno protone.
Protoni difundiraju do katode kroz membranu, a tok elektrona ide do katode kroz poseban vanjski električni krug. Na njega se spaja trošilo, odnosno potrošač električne energije.
Kisik, koji se dovodi na katodu, nakon izlaganja, ulazi u kemijsku reakciju s elektronima iz vanjskog električnog kruga i vodikovim ionima iz membrane za izmjenu protona. Kao rezultat ove kemijske reakcije pojavljuje se voda.

Kemijska reakcija koja se događa u drugim vrstama gorivih ćelija (primjerice, s kiselim elektrolitom u obliku ortofosforne kiseline H3PO4) potpuno je identična reakciji uređaja s membranom za izmjenu protona.

Vrste

Trenutno je poznato nekoliko vrsta gorivih ćelija koje se razlikuju po sastavu korištenog elektrolita:

Gorivne ćelije na bazi ortofosforne ili fosforne kiseline (PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cells).
Uređaji s membranom za izmjenu protona (PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cells).
Gorivne ćelije s čvrstim oksidom (SOFC, Solid Oxide Fuel Cells).
Elektrokemijski generatori na bazi rastaljenog karbonata (MCFC, Molten Carbonate Fuel Cells).

Trenutno su elektrokemijski generatori koji koriste PAFC tehnologiju postali sve rašireniji.

Primjena

Danas se gorivne ćelije koriste u Space Shuttleu, svemirskim letjelicama za višekratnu upotrebu. Koriste jedinice od 12 W. Oni proizvode svu električnu energiju na letjelici. Voda koja nastaje tijekom elektrokemijske reakcije koristi se za piće, uključujući i za hlađenje opreme.

Elektrokemijski generatori također su korišteni za pogon sovjetskog Burana, svemirske letjelice za višekratnu upotrebu.

Gorivne ćelije koriste se iu civilnom sektoru.

Stacionarne instalacije snage 5–250 kW i više. Koriste se kao autonomni izvori za opskrbu toplinom i električnom energijom industrijskih, javnih i stambenih zgrada, za hitno i rezervno napajanje te za besprekidno napajanje.
Prijenosne jedinice snage 1–50 kW. Koriste se za svemirske satelite i brodove. Instance su stvorene za golf kolica, invalidska kolica, željezničke i teretne hladnjače i prometne znakove.
Mobilne instalacije snage 25–150 kW. Počinju se koristiti u vojnim brodovima i podmornicama, uključujući automobile i druga vozila. Prototipove su već izradili takvi automobilski divovi kao što su Renault, Neoplan, Toyota, Volkswagen, Hyundai, Nissan, VAZ, General Motors, Honda, Ford i drugi.
Mikrouređaji snage 1–500 W. Oni nalaze primjenu u naprednim ručnim računalima, prijenosnim računalima, potrošačkim elektroničkim uređajima, mobilnim telefonima i modernim vojnim uređajima.

Osobitosti

Dio energije iz kemijske reakcije u svakoj gorivnoj ćeliji oslobađa se kao toplina. Potrebno hlađenje. U vanjskom krugu, tok elektrona stvara istosmjernu struju koja se koristi za obavljanje rada. Zaustavljanje kretanja vodikovih iona ili otvaranje vanjskog kruga dovodi do zaustavljanja kemijske reakcije.
Količina električne energije koju proizvode gorive ćelije određena je tlakom plina, temperaturom, geometrijskim dimenzijama i vrstom gorive ćelije. Kako bi se povećala količina električne energije proizvedene reakcijom, gorive ćelije mogu biti veće, ali u praksi se koristi nekoliko ćelija koje se spajaju u baterije.
Kemijski proces u nekim vrstama gorivih ćelija može biti obrnut. Odnosno, kada se na elektrode primijeni razlika potencijala, voda se može razgraditi na kisik i vodik, koji će se skupljati na poroznim elektrodama. Kada je opterećenje uključeno, takva goriva ćelija će generirati električnu energiju.

Izgledi

Trenutno elektrokemijski generatori zahtijevaju velike početne troškove da bi se koristili kao glavni izvor energije. Uvođenjem stabilnijih membrana visoke vodljivosti, učinkovitih i jeftinih katalizatora te alternativnih izvora vodika, gorivne ćelije postat će vrlo ekonomski atraktivne i bit će svugdje implementirane.

Automobili će pokretati gorive ćelije; motora s unutarnjim izgaranjem uopće neće biti. Kao izvor energije koristit će se voda ili vodik u čvrstom stanju. Točenje goriva bit će jednostavno i sigurno, a vožnja ekološki prihvatljiva – proizvodit će se samo vodena para.
Sve će zgrade imati vlastite prijenosne generatore energije na gorive ćelije.
Elektrokemijski generatori zamijenit će sve baterije i ugrađivati se u sve elektronike i kućanske aparate.

Prednosti i nedostatci

Svaka vrsta gorive ćelije ima svoje nedostatke i prednosti. Neki zahtijevaju visokokvalitetno gorivo, drugi imaju složen dizajn i zahtijevaju visoke radne temperature.

Općenito, mogu se uočiti sljedeće prednosti gorivih ćelija:

ekološka sigurnost;
elektrokemijske generatore nije potrebno puniti;
elektrokemijski generatori mogu stalno stvarati energiju, ne mare za vanjske uvjete;
fleksibilnost u mjerilu i prenosivosti.

Među nedostacima su:

tehničke poteškoće sa skladištenjem i transportom goriva;
nesavršeni elementi uređaja: katalizatori, membrane i tako dalje.

Goriva ćelija ( Goriva ćelija) je uređaj koji pretvara kemijsku energiju u električnu. U principu je sličan konvencionalnoj bateriji, ali se razlikuje po tome što njegov rad zahtijeva stalni dotok tvari izvana kako bi se dogodila elektrokemijska reakcija. Gorivim ćelijama dovode se vodik i kisik, a izlaz je električna energija, voda i toplina. Njihove prednosti uključuju ekološki prihvatljivost, pouzdanost, trajnost i jednostavnost rada. Za razliku od konvencionalnih baterija, elektrokemijski pretvarači mogu raditi praktički neograničeno dugo dok god postoji gorivo. Ne moraju se puniti satima dok se potpuno ne napune. Štoviše, same ćelije mogu puniti bateriju dok je automobil parkiran s ugašenim motorom.

Najčešće korištene gorivne ćelije u vozilima na vodik su gorivne ćelije s protonskom membranom (PEMFC) i gorivne ćelije s čvrstim oksidom (SOFC).

Goriva ćelija s membranom za izmjenu protona radi na sljedeći način. Između anode i katode nalazi se posebna membrana i katalizator presvučen platinom. Na anodu se dovodi vodik, a na katodu kisik (na primjer iz zraka). Na anodi se uz pomoć katalizatora vodik razgrađuje na protone i elektrone. Protoni vodika prolaze kroz membranu i dolaze do katode, a elektroni se prenose u vanjski krug (membrana ih ne propušta). Tako dobivena razlika potencijala dovodi do stvaranja električne struje. Na katodnoj strani protoni vodika oksidiraju se kisikom. Kao rezultat toga, pojavljuje se vodena para, koja je glavni element ispušnih plinova automobila. Uz visoku učinkovitost, PEM ćelije imaju jedan značajan nedostatak - njihov rad zahtijeva čisti vodik, čije skladištenje je prilično ozbiljan problem.

Ako se pronađe takav katalizator koji u tim ćelijama zamjenjuje skupu platinu, odmah će nastati jeftina gorivna ćelija za proizvodnju električne energije, što znači da će se svijet osloboditi ovisnosti o nafti.

Čvrste oksidne ćelije

Čvrste oksidne SOFC ćelije mnogo su manje zahtjevne u pogledu čistoće goriva. Osim toga, zahvaljujući upotrebi POX reformera (djelomična oksidacija), takve ćelije mogu trošiti običan benzin kao gorivo. Proces pretvaranja benzina izravno u električnu energiju je sljedeći. U posebnom uređaju - reformeru, na temperaturi od oko 800 °C, benzin isparava i razlaže se na svoje sastavne elemente.

Pritom se oslobađaju vodik i ugljični dioksid. Nadalje, također pod utjecajem temperature i korištenjem direktno SOFC-a (koji se sastoji od poroznog keramičkog materijala na bazi cirkonijevog oksida), vodik se oksidira kisikom u zraku. Nakon dobivanja vodika iz benzina, proces se nastavlja prema gore opisanom scenariju, sa samo jednom razlikom: SOFC gorive ćelije, za razliku od uređaja koji rade na vodik, manje su osjetljive na nečistoće u izvornom gorivu. Dakle, kvaliteta benzina ne bi trebala utjecati na performanse gorive ćelije.

Visoka radna temperatura SOFC-a (650–800 stupnjeva) značajan je nedostatak; proces zagrijavanja traje oko 20 minuta. Ali višak topline nije problem, budući da je u potpunosti uklanja preostali zrak i ispušni plinovi koje proizvode reformer i sama goriva ćelija. To omogućuje da se SOFC sustav integrira u vozilo kao zaseban uređaj u toplinski izoliranom kućištu.

Modularna struktura omogućuje postizanje potrebnog napona spajanjem niza standardnih ćelija u seriju. I, što je možda najvažnije sa stajališta implementacije takvih uređaja, SOFC ne sadrži vrlo skupe elektrode na bazi platine. Upravo je visoka cijena ovih elemenata jedna od prepreka u razvoju i širenju PEMFC tehnologije.

Vrste gorivih ćelija

Trenutno postoje sljedeće vrste gorivih ćelija:

A.F.C.– Alkaline Fuel Cell (alkalna goriva ćelija);
PAFC– Phosphoric Acid Fuel Cell (gorivna ćelija fosforne kiseline);
PEMFC– Proton Exchange Membrane Fuel Cell (goriva ćelija s protonskom izmjenjivačkom membranom);
DMFC– Direct Methanol Fuel Cell (goriva ćelija s izravnom razgradnjom metanola);
MCFC– Molten Carbonate Fuel Cell (goriva ćelija rastaljenog karbonata);
SOFC– Solid Oxide Fuel Cell (goriva ćelija s čvrstim oksidom).

Prednosti gorivih ćelija/ćelija

Gorivna ćelija/ćelija je uređaj koji elektrokemijskom reakcijom učinkovito proizvodi istosmjernu struju i toplinu iz goriva bogatog vodikom.

Goriva ćelija slična je bateriji po tome što proizvodi istosmjernu struju putem kemijske reakcije. Gorivna ćelija uključuje anodu, katodu i elektrolit. Međutim, za razliku od baterija, gorivne ćelije ne mogu pohranjivati električnu energiju i ne prazne niti zahtijevaju električnu energiju za ponovno punjenje. Gorivne ćelije/ćelije mogu kontinuirano proizvoditi električnu energiju sve dok imaju dovod goriva i zraka.

Za razliku od drugih generatora energije, kao što su motori s unutarnjim izgaranjem ili turbine na plin, ugljen, loživo ulje itd., gorivne ćelije/ćelije ne izgaraju gorivo. To znači da nema bučnih visokotlačnih rotora, nema glasne buke ispušnih plinova, nema vibracija. Gorivne ćelije/ćelije proizvode električnu energiju putem tihe elektrokemijske reakcije. Još jedna značajka gorivih ćelija/ćelija je da pretvaraju kemijsku energiju goriva izravno u električnu energiju, toplinu i vodu.

Gorivne ćelije su vrlo učinkovite i ne proizvode velike količine stakleničkih plinova kao što su ugljikov dioksid, metan i dušikov oksid. Jedini produkti emisije tijekom rada su voda u obliku pare i mala količina ugljičnog dioksida, koji se uopće ne oslobađa ako se kao gorivo koristi čisti vodik. Gorivi elementi/ćelije sastavljaju se u sklopove, a zatim u pojedinačne funkcionalne module.

Povijest razvoja gorivih ćelija/ćelija

U 1950-im i 1960-im godinama, jedan od najhitnijih izazova za gorive ćelije proizašao je iz potrebe Nacionalne uprave za zrakoplovstvo i svemir (NASA) za izvorima energije za dugotrajne svemirske misije. NASA-ina alkalna goriva ćelija koristi vodik i kisik kao gorivo kombinirajući dva kemijska elementa u elektrokemijskoj reakciji. Rezultat su tri korisna nusproizvoda reakcije u svemirskom letu - struja za pogon svemirske letjelice, voda za piće i rashladne sustave te toplina za grijanje astronauta.

Otkriće gorivih ćelija seže u početak 19. stoljeća. Prvi dokaz o učinku gorivih ćelija dobiven je 1838. godine.

U kasnim 1930-ima započeo je rad na gorivim ćelijama s alkalnim elektrolitom i do 1939. izgrađena je ćelija koja koristi visokotlačne poniklane elektrode. Tijekom Drugog svjetskog rata razvijene su gorivne ćelije/ćelije za podmornice britanske mornarice, a 1958. uveden je sklop goriva koji se sastojao od alkalnih gorivih ćelija/ćelija promjera nešto više od 25 cm.

Interes je porastao u 1950-im i 1960-im, kao iu 1980-im, kada je industrijski svijet iskusio nestašicu naftnih goriva. U istom razdoblju i zemlje svijeta su se zabrinule zbog problema zagađenja zraka i razmatrale načine proizvodnje električne energije na ekološki prihvatljiv način. Tehnologija gorivih ćelija trenutno je u brzom razvoju.

Princip rada gorivih ćelija/ćelija

Gorivne ćelije/ćelije proizvode električnu energiju i toplinu zahvaljujući elektrokemijskoj reakciji koja se odvija pomoću elektrolita, katode i anode.

Anoda i katoda odvojene su elektrolitom koji provodi protone. Nakon što vodik doteče do anode, a kisik do katode, počinje kemijska reakcija uslijed koje nastaju električna struja, toplina i voda.

Na anodnom katalizatoru molekularni vodik disocira i gubi elektrone. Ioni vodika (protoni) provode se kroz elektrolit do katode, dok elektroni prolaze kroz elektrolit i putuju kroz vanjski električni krug, stvarajući istosmjernu struju koja se može koristiti za napajanje opreme. Na katodnom katalizatoru, molekula kisika spaja se s elektronom (koji se dovodi iz vanjskih komunikacija) i nadolazećim protonom, te tvori vodu, koja je jedini proizvod reakcije (u obliku pare i/ili tekućine).

Ispod je odgovarajuća reakcija:

Reakcija na anodi: 2H 2 => 4H+ + 4e -
Reakcija na katodi: O 2 + 4H+ + 4e - => 2H 2 O
Opća reakcija elementa: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Vrste i raznolikost gorivih elemenata/ćelija

Baš kao što postoje različite vrste motora s unutarnjim izgaranjem, postoje različite vrste gorivih ćelija - odabir prave vrste gorivih ćelija ovisi o njihovoj primjeni.

Gorivne ćelije dijele se na visokotemperaturne i niskotemperaturne. Niskotemperaturne gorive ćelije zahtijevaju relativno čisti vodik kao gorivo. To često znači da je potrebna obrada goriva za pretvaranje primarnog goriva (kao što je prirodni plin) u čisti vodik. Ovaj proces troši dodatnu energiju i zahtijeva posebnu opremu. Visokotemperaturne gorive ćelije ne trebaju ovaj dodatni postupak jer mogu "interno pretvoriti" gorivo na povišenim temperaturama, što znači da nema potrebe za ulaganjem u vodikovu infrastrukturu.

Otopljene karbonatne gorive ćelije/ćelije (MCFC)

Gorive ćelije s rastaljenim karbonatnim elektrolitom su visokotemperaturne gorive ćelije. Visoka radna temperatura omogućuje izravnu upotrebu prirodnog plina bez procesora goriva i gorivog plina niske kalorijske vrijednosti iz industrijskih procesa i drugih izvora.

Kada se zagriju na temperaturu od 650°C, soli postaju vodič za karbonatne ione (CO 3 2-). Ti ioni prelaze s katode na anodu, gdje se spajaju s vodikom u vodu, ugljični dioksid i slobodne elektrone. Ti se elektroni šalju kroz vanjski električni krug natrag na katodu, generirajući električnu struju i toplinu kao nusproizvod.

Reakcija na anodi: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Reakcija na katodi: CO 2 + 1/2O 2 + 2e - => CO 3 2-
Opća reakcija elementa: H 2 (g) + 1/2O 2 (g) + CO 2 (katoda) => H 2 O (g) + CO 2 (anoda)

Visoke radne temperature gorivih ćelija s rastaljenim karbonatnim elektrolitom imaju određene prednosti. Na visokim temperaturama, prirodni plin se interno reformira, eliminirajući potrebu za procesorom goriva. Osim toga, prednosti uključuju mogućnost korištenja standardnih građevinskih materijala kao što su limovi od nehrđajućeg čelika i katalizator od nikla na elektrodama. Otpadna toplina može se koristiti za stvaranje pare pod visokim pritiskom za razne industrijske i komercijalne svrhe.

Visoke reakcijske temperature u elektrolitu također imaju svoje prednosti. Korištenje visokih temperatura zahtijeva značajno vrijeme za postizanje optimalnih radnih uvjeta, a sustav sporije reagira na promjene u potrošnji energije. Ove karakteristike dopuštaju korištenje instalacija gorivih ćelija s rastaljenim karbonatnim elektrolitom u uvjetima konstantne snage. Visoke temperature sprječavaju ugljikov monoksid da ošteti gorivnu ćeliju.

Gorivne ćelije s rastaljenim karbonatnim elektrolitom prikladne su za korištenje u velikim stacionarnim instalacijama. Komercijalno se proizvode termoelektrane s električnom izlaznom snagom od 3,0 MW. U razvoju su postrojenja izlazne snage do 110 MW.

Gorivne ćelije/ćelije fosforne kiseline (PAFC)

Gorivne ćelije s fosfornom (ortofosfornom) kiselinom bile su prve gorivne ćelije za komercijalnu upotrebu.

Gorivne ćelije fosforne (ortofosforne) kiseline koriste elektrolit na bazi ortofosforne kiseline (H 3 PO 4) koncentracije do 100%. Ionska vodljivost fosforne kiseline je niska na niskim temperaturama, zbog toga se ove gorive ćelije koriste na temperaturama do 150-220°C.

Nositelj naboja u gorivim ćelijama ove vrste je vodik (H+, proton). Sličan proces događa se u gorivim ćelijama s membranom za izmjenu protona, u kojoj se vodik doveden na anodu dijeli na protone i elektrone. Protoni putuju kroz elektrolit i spajaju se s kisikom iz zraka na katodi stvarajući vodu. Elektroni se šalju kroz vanjski električni krug, stvarajući tako električnu struju. Ispod su reakcije koje stvaraju električnu struju i toplinu.

Reakcija na anodi: 2H 2 => 4H + + 4e -
Reakcija na katodi: O 2 (g) + 4H + + 4e - => 2 H 2 O
Opća reakcija elementa: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Visoki učinak termoelektrana koje koriste gorivne ćelije na bazi fosforne (ortofosforne) kiseline u kombiniranoj proizvodnji toplinske i električne energije jedna je od prednosti ove vrste gorivih ćelija. Jedinice koriste ugljični monoksid s koncentracijom od oko 1,5%, što značajno proširuje izbor goriva. Osim toga, CO 2 ne utječe na elektrolit i rad gorive ćelije; ova vrsta ćelije radi s reformiranim prirodnim gorivom. Jednostavan dizajn, nizak stupanj isparljivosti elektrolita i povećana stabilnost također su prednosti ove vrste gorivnih ćelija.

Komercijalno se proizvode termoelektrane s električnom izlaznom snagom do 500 kW. Instalacije od 11 MW prošle su odgovarajuće testove. Razvijaju se postrojenja izlazne snage do 100 MW.

Gorivne ćelije s čvrstim oksidom (SOFC)

Gorivne ćelije s krutim oksidom su gorive ćelije s najvišom radnom temperaturom. Radna temperatura može varirati od 600°C do 1000°C, što omogućuje korištenje različitih vrsta goriva bez posebne prethodne obrade. Za podnošenje tako visokih temperatura korišteni elektrolit je tanki čvrsti metalni oksid na keramičkoj bazi, često legura itrija i cirkonija, koji je vodič iona kisika (O2-).

Kruti elektrolit osigurava nepropusni prijelaz plina s jedne elektrode na drugu, dok se tekući elektroliti nalaze u poroznoj podlozi. Nositelj naboja u gorivim ćelijama ovog tipa je ion kisika (O 2-). Na katodi se molekule kisika iz zraka razdvajaju na ion kisika i četiri elektrona. Ioni kisika prolaze kroz elektrolit i spajaju se s vodikom, stvarajući četiri slobodna elektrona. Elektroni se šalju kroz vanjski električni krug, generirajući električnu struju i otpadnu toplinu.

Reakcija na anodi: 2H 2 + 2O 2- => 2H 2 O + 4e -
Reakcija na katodi: O 2 + 4e - => 2O 2-
Opća reakcija elementa: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Učinkovitost proizvedene električne energije najveća je od svih gorivih ćelija - oko 60-70%. Visoke radne temperature omogućuju kombiniranu proizvodnju toplinske i električne energije za stvaranje visokotlačne pare. Kombinacija visokotemperaturne gorivne ćelije s turbinom omogućuje stvaranje hibridne gorivne ćelije za povećanje učinkovitosti proizvodnje električne energije do 75%.

Gorivne ćelije s krutim oksidom rade na vrlo visokim temperaturama (600°C–1000°C), što rezultira značajnim vremenom za postizanje optimalnih radnih uvjeta i sporijom reakcijom sustava na promjene u potrošnji energije. Na tako visokim radnim temperaturama nije potreban pretvarač za regeneraciju vodika iz goriva, što omogućuje termoelektrani da radi s relativno nečistim gorivima koja su rezultat rasplinjavanja ugljena ili otpadnih plinova itd. Gorivne ćelije su također izvrsne za aplikacije velike snage, uključujući industrijske i velike centralne elektrane. Komercijalno se proizvode moduli s električnom izlaznom snagom od 100 kW.

Gorive ćelije/ćelije izravne oksidacije metanola (DOMFC)

Tehnologija korištenja gorivih ćelija s izravnom oksidacijom metanola prolazi kroz razdoblje aktivnog razvoja. Uspješno se dokazao u području napajanja mobilnih telefona, prijenosnih računala, kao i za izradu prijenosnih izvora napajanja. To je ono na što je usmjerena buduća upotreba ovih elemenata.

Dizajn gorivih ćelija s izravnom oksidacijom metanola sličan je gorivim ćelijama s membranom za izmjenu protona (MEPFC), tj. Kao elektrolit se koristi polimer, a kao nositelj naboja vodikov ion (proton). Međutim, tekući metanol (CH 3 OH) oksidira u prisutnosti vode na anodi, oslobađajući CO 2, ione vodika i elektrone, koji se šalju kroz vanjski električni krug, stvarajući tako električnu struju. Vodikovi ioni prolaze kroz elektrolit i reagiraju s kisikom iz zraka i elektronima iz vanjskog kruga stvarajući vodu na anodi.

Reakcija na anodi: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Reakcija na katodi: 3/2O 2 + 6 H + + 6e - => 3H 2 O
Opća reakcija elementa: CH 3 OH + 3/2O 2 => CO 2 + 2H 2 O

Prednost ove vrste gorivih ćelija je njihova mala veličina, zbog korištenja tekućeg goriva, te nepostojanje potrebe za korištenjem pretvarača.

Alkalne gorive ćelije/ćelije (ALFC)

Alkalne gorivne ćelije jedne su od najučinkovitijih ćelija koje se koriste za proizvodnju električne energije, s učinkovitošću proizvodnje električne energije koja doseže do 70%.

Alkalne gorive ćelije koriste elektrolit, vodenu otopinu kalijevog hidroksida, sadržanu u poroznoj, stabiliziranoj matrici. Koncentracija kalijevog hidroksida može varirati ovisno o radnoj temperaturi gorive ćelije, koja se kreće od 65°C do 220°C. Nositelj naboja u SHTE je hidroksilni ion (OH -), koji se kreće od katode do anode, gdje reagira s vodikom, proizvodeći vodu i elektrone. Voda proizvedena na anodi vraća se natrag na katodu, ponovno tamo stvarajući hidroksilne ione. Kao rezultat ovog niza reakcija koje se odvijaju u gorivnoj ćeliji, proizvodi se električna energija i, kao nusprodukt, toplina:

Reakcija na anodi: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reakcija na katodi: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4 OH -
Opća reakcija sustava: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Prednost SHTE je u tome što su te gorivne ćelije najjeftinije za proizvodnju, budući da katalizator koji je potreban na elektrodama može biti bilo koja od tvari koje su jeftinije od onih koje se koriste kao katalizatori za druge gorivne ćelije. SFC rade na relativno niskim temperaturama i među najučinkovitijim su gorivim ćelijama - takve karakteristike mogu posljedično doprinijeti bržoj proizvodnji energije i visokoj učinkovitosti goriva.

Jedna od karakterističnih značajki SHTE je njegova visoka osjetljivost na CO 2 koji se može nalaziti u gorivu ili zraku. CO 2 reagira s elektrolitom, brzo ga truje i uvelike smanjuje učinkovitost gorivne ćelije. Stoga je uporaba SHTE-a ograničena na zatvorene prostore, kao što su svemirska i podvodna vozila, ona moraju raditi na čisti vodik i kisik. Štoviše, molekule kao što su CO, H 2 O i CH4, koje su sigurne za druge gorive ćelije, a čak djeluju i kao gorivo za neke od njih, štetne su za SHFC.

Gorive ćelije s polimernim elektrolitom (PEFC)

U slučaju gorivih ćelija s polimernim elektrolitom, polimerna membrana sastoji se od polimernih vlakana s vodenim područjima u kojima postoji vodljivost vodenih iona H2O+ (proton, crveno) se veže za molekulu vode). Molekule vode predstavljaju problem zbog spore izmjene iona. Stoga je potrebna visoka koncentracija vode iu gorivu i na izlaznim elektrodama, ograničavajući radnu temperaturu na 100°C.

Gorivne ćelije/ćelije sa čvrstom kiselinom (SFC)

U gorivim ćelijama s čvrstom kiselinom elektrolit (CsHSO 4) ne sadrži vodu. Radna temperatura je dakle 100-300°C. Rotacija oksi aniona SO 4 2- omogućuje protonima (crveno) da se kreću kao što je prikazano na slici. Obično je gorivna ćelija s čvrstom kiselinom sendvič u kojem je vrlo tanak sloj spoja s čvrstom kiselinom umetnut između dvije elektrode koje su čvrsto stisnute jedna uz drugu kako bi se osigurao dobar kontakt. Prilikom zagrijavanja organska komponenta isparava, izlazi kroz pore u elektrodama, održavajući sposobnost višestrukih kontakata između goriva (ili kisika na drugom kraju elementa), elektrolita i elektroda.

Razni moduli gorivih ćelija. Baterija gorivih ćelija

Baterija gorivih ćelija
Ostala oprema koja radi na visokim temperaturama (integrirani generator pare, komora za izgaranje, izmjenjivač toplinske ravnoteže)
Izolacija otporna na toplinu

Modul gorivih ćelija

Usporedna analiza vrsta i vrsta gorivih ćelija

Inovativne energetski učinkovite gradske toplinske i elektrane obično se grade na gorivnim ćelijama s čvrstim oksidom (SOFC), gorivnim ćelijama s polimernim elektrolitom (PEFC), gorivnim ćelijama s fosfornom kiselinom (PAFC), gorivnim ćelijama s membranom za izmjenu protona (PEMFC) i alkalnim gorivnim ćelijama ( ALFC).. Obično imaju sljedeće karakteristike:

Najprikladnije treba smatrati čvrste oksidne gorive ćelije (SOFC), koje:

rade na višim temperaturama, smanjujući potrebu za skupim plemenitim metalima (kao što je platina)
može raditi za različite vrste ugljikovodična goriva, uglavnom prirodni plin
imaju dulje vrijeme pokretanja i stoga su prikladniji za dugoročno djelovanje
pokazati visoku učinkovitost proizvodnje električne energije (do 70%)
Zbog visokih radnih temperatura, jedinice se mogu kombinirati sa sustavima za prijenos topline, dovodeći ukupnu učinkovitost sustava na 85%
imaju gotovo nulte emisije, rade tiho i imaju niske radne zahtjeve u usporedbi s postojećim tehnologijama za proizvodnju električne energije

Vrsta gorive ćelije	Radna temperatura	Učinkovitost proizvodnje električne energije	Vrsta goriva	Područje primjene
RKTE	550-700°C	50-70%		Srednje i velike instalacije
FCTE	100-220°C	35-40%	Čisti vodik	Velike instalacije
MOPTE	30-100°C	35-50%	Čisti vodik	Male instalacije
SOFC	450-1000°C	45-70%	Većina ugljikovodičnih goriva	Male, srednje i velike instalacije
PEMFC	20-90°C	20-30%	Metanol	Prijenosni
SHTE	50-200°C	40-70%	Čisti vodik	Svemirska istraživanja
PETE	30-100°C	35-50%	Čisti vodik	Male instalacije

Budući da se male termoelektrane mogu spojiti na konvencionalnu plinsku mrežu, gorivne ćelije ne zahtijevaju poseban sustav za opskrbu vodikom. Pri korištenju malih termoelektrana temeljenih na gorivnim ćelijama s čvrstim oksidom, proizvedena toplina može se integrirati u izmjenjivače topline za zagrijavanje vode i ventilacijskog zraka, čime se povećava ukupna učinkovitost sustava. Ova inovativna tehnologija najprikladnija je za učinkovitu proizvodnju električne energije bez potrebe za skupom infrastrukturom i integracijom složenih instrumenata.

Primjena gorivih ćelija/ćelija

Primjena gorivih ćelija/ćelija u telekomunikacijskim sustavima

Zbog brzog širenja bežičnih komunikacijskih sustava diljem svijeta, kao i sve većih socio-ekonomskih prednosti tehnologije mobilnih telefona, potreba za pouzdanom i ekonomičnom rezervnom snagom postala je kritična. Gubici električne energije u mreži tijekom cijele godine zbog loših vremenskih uvjeta, prirodnih katastrofa ili ograničenog kapaciteta mreže predstavljaju stalni izazov za operatere mreže.

Tradicionalna rješenja za rezervno napajanje telekomunikacija uključuju baterije (ventilski regulirane olovne baterije) za kratkoročno rezervno napajanje i generatore na dizel i propan za dugotrajnije rezervno napajanje. Baterije su relativno jeftin izvor rezervne energije za 1 - 2 sata. Međutim, baterije nisu prikladne za dugotrajnije rezervno napajanje jer su skupe za održavanje, postaju nepouzdane nakon dugih razdoblja korištenja, osjetljive su na temperature i opasne su za okoliš nakon odlaganja. Generatori na dizel i propan mogu pružiti dugoročnu rezervu energije. Međutim, generatori mogu biti nepouzdani, zahtijevaju radno intenzivno održavanje i emitiraju visoke razine zagađivača i stakleničkih plinova.

Kako bi se prevladala ograničenja tradicionalnih rješenja za rezervno napajanje, razvijena je inovativna zelena tehnologija gorivih ćelija. Gorivne ćelije su pouzdane, tihe, sadrže manje pokretnih dijelova od generatora, imaju širi raspon radnih temperatura od baterije: od -40°C do +50°C i, kao rezultat toga, pružaju iznimno visoke razine uštede energije. Osim toga, životni vijek takve instalacije manji je od troškova generatora. Niži troškovi gorivih ćelija rezultat su samo jednog posjeta održavanju godišnje i znatno veće produktivnosti postrojenja. Na kraju dana, gorivne ćelije su zeleno tehnološko rješenje s minimalnim utjecajem na okoliš.

Instalacije gorivih ćelija osiguravaju rezervno napajanje za kritične komunikacijske mrežne infrastrukture za bežične, trajne i širokopojasne komunikacije u telekomunikacijskom sustavu, u rasponu od 250 W do 15 kW, nude mnoge inovativne značajke bez premca:

POUZDANOST– malo pokretnih dijelova i bez pražnjenja u stanju pripravnosti
UŠTEDA ENERGIJE
TIŠINA– niska razina buke
ODRŽIVOST– područje rada od -40°C do +50°C
PRILAGODLJIVOST– montaža na otvorenom i u zatvorenom prostoru (kontejner/zaštitna posuda)
VISOKA SNAGA, VISOKI NAPON– do 15 kW
MALI ZAHTJEV ODRŽAVANJA– minimalno godišnje održavanje
EKONOMIČAN- atraktivan ukupni trošak vlasništva
ZELENA ENERGIJA– niske emisije uz minimalan utjecaj na okoliš

Sustav u svakom trenutku osjeća napon istosmjerne sabirnice i glatko prihvaća kritična opterećenja ako napon istosmjerne sabirnice padne ispod korisnički definirane zadane vrijednosti. Sustav radi na vodiku, koji se dovodi u sklop gorivih ćelija na jedan od dva načina - ili iz industrijskog izvora vodika ili iz tekućeg goriva od metanola i vode, korištenjem integriranog sustava reformiranja.

Električnu energiju proizvodi niz gorivih ćelija u obliku istosmjerne struje. Istosmjerna snaga se prenosi na pretvarač, koji pretvara nereguliranu istosmjernu struju koja dolazi iz sklopa gorivih ćelija u visokokvalitetnu reguliranu istosmjernu struju za potrebna opterećenja. Instalacije gorivih ćelija mogu osigurati pričuvnu energiju za mnogo dana jer je trajanje ograničeno samo količinom vodika ili goriva metanol/voda.

Gorivne ćelije nude vrhunsku uštedu energije, poboljšanu pouzdanost sustava, predvidljiviju izvedbu u širokom rasponu klimatskih uvjeta i pouzdanu radnu trajnost u usporedbi sa industrijskim standardnim ventilski reguliranim olovnim baterijskim paketima. Životni troškovi također su niži zbog znatno nižih zahtjeva za održavanjem i zamjenom. Gorivne ćelije krajnjem korisniku nude prednosti za okoliš budući da su troškovi zbrinjavanja i rizici odgovornosti povezani s olovno-kiselim ćelijama sve veća briga.

Na performanse električnih baterija može nepovoljno utjecati širok raspon čimbenika kao što su razina napunjenosti, temperatura, ciklusi, životni vijek i druge varijable. Dobivena energija varirat će ovisno o ovim čimbenicima i nije je lako predvidjeti. Ti čimbenici relativno ne utječu na izvedbu gorivne ćelije s membranom za izmjenu protona (PEMFC) i može osigurati kritičnu snagu sve dok je gorivo dostupno. Povećana predvidljivost važna je prednost pri prelasku na gorive ćelije za kritične aplikacije rezervnog napajanja.

Gorivne ćelije proizvode energiju samo kada se dovodi gorivo, slično generatoru plinske turbine, ali nemaju pokretnih dijelova u području proizvodnje. Stoga, za razliku od generatora, nisu podložni brzom trošenju i ne zahtijevaju stalno održavanje i podmazivanje.

Gorivo koje se koristi za pogon pretvarača goriva s produljenim trajanjem je mješavina goriva metanola i vode. Metanol je široko dostupno, komercijalno proizvedeno gorivo koje trenutno ima mnoge namjene, uključujući pranje vjetrobranskog stakla, plastične boce, aditivi za motore, emulzijske boje. Metanol se lako prenosi, može se miješati s vodom, ima dobru biorazgradivost i ne sadrži sumpor. Ima nisku točku smrzavanja (-71°C) i ne raspada se tijekom dugotrajnog skladištenja.

Primjena gorivih ćelija/ćelija u komunikacijskim mrežama

Sigurne komunikacijske mreže zahtijevaju pouzdana rješenja za rezervno napajanje koja mogu raditi satima ili danima u hitnim situacijama ako električna mreža više nije dostupna.

S malo pokretnih dijelova i bez gubitka snage u stanju pripravnosti, inovativna tehnologija gorivih ćelija nudi privlačno rješenje za trenutne rezervne sustave napajanja.

Najuvjerljiviji argument za korištenje tehnologije gorivih ćelija u komunikacijskim mrežama je povećana ukupna pouzdanost i sigurnost. Tijekom događaja kao što su nestanci struje, potresi, oluje i uragani, važno je da sustavi nastave raditi i da im se osigura pouzdano rezervno napajanje tijekom duljeg vremenskog razdoblja, bez obzira na temperaturu ili starost rezervnog sustava napajanja.

Linija energetskih uređaja temeljenih na gorivim ćelijama idealna je za podršku tajnim komunikacijskim mrežama. Zahvaljujući svojim načelima dizajna za uštedu energije, oni pružaju ekološki prihvatljivo, pouzdano rezervno napajanje s produljenim trajanjem (do nekoliko dana) za upotrebu u rasponu snage od 250 W do 15 kW.

Primjena gorivih ćelija/ćelija u podatkovnim mrežama

Pouzdano napajanje podatkovnih mreža, kao što su podatkovne mreže velike brzine i optičke okosnice, od ključne je važnosti u cijelom svijetu. Informacije koje se prenose preko takvih mreža sadrže ključne podatke za institucije kao što su banke, zrakoplovne tvrtke ili medicinski centri. Nestanak struje u takvim mrežama ne samo da predstavlja opasnost za informacije koje se prenose, već, u pravilu, dovodi i do značajnih financijskih gubitaka. Pouzdane, inovativne instalacije gorivih ćelija koje osiguravaju rezervno napajanje osiguravaju pouzdanost potrebnu za osiguravanje neprekinutog napajanja.

Jedinice gorivih ćelija, koje pokreće mješavina tekućeg goriva metanola i vode, pružaju pouzdanu pomoćnu snagu s produljenim trajanjem, do nekoliko dana. Osim toga, ove jedinice imaju značajno smanjene zahtjeve za održavanjem u usporedbi s generatorima i baterijama, zahtijevajući samo jednu posjetu održavanju godišnje.

Tipične karakteristike mjesta primjene za korištenje instalacija gorivih ćelija u podatkovnim mrežama:

Prijave s potrošnjom energije od 100 W do 15 kW
Aplikacije sa zahtjevima trajanja baterije > 4 sata
Repetitori u optičkim sustavima (hijerarhija sinkronih digitalnih sustava, brzi internet, glas preko IP-a...)
Mrežni čvorovi za brzi prijenos podataka
WiMAX prijenosni čvorovi

Instalacije rezervnog napajanja gorivih ćelija nude brojne prednosti za kritične podatkovne mrežne infrastrukture u usporedbi s tradicionalnim baterijskim ili dizel generatorima, omogućujući povećane mogućnosti postavljanja na licu mjesta:

Tehnologija tekućeg goriva rješava problem postavljanja vodika i pruža gotovo neograničenu pomoćnu snagu.
Zahvaljujući tihom radu, maloj težini, otpornosti na temperaturne promjene i radu praktički bez vibracija, gorivne ćelije mogu se ugraditi izvan zgrada, u industrijske zgrade/kontejnere ili na krovove.
Pripreme za korištenje sustava na licu mjesta su brze i ekonomične, a operativni troškovi niski.
Gorivo je biorazgradivo i pruža ekološki prihvatljivo rješenje za urbane sredine.

Primjena gorivih ćelija/ćelija u sigurnosnim sustavima

Najpažljivije dizajnirani sigurnosni i komunikacijski sustavi zgrade pouzdani su samo onoliko koliko je pouzdano napajanje koje ih podržava. Iako većina sustava uključuje neku vrstu rezervnog sustava neprekidnog napajanja za kratkotrajne gubitke struje, oni ne prihvaćaju dugotrajne prekide napajanja do kojih može doći nakon prirodnih katastrofa ili terorističkih napada. Ovo bi moglo biti kritično pitanje za mnoge korporativne i državne agencije.

Vitalni sustavi kao što su CCTV sustavi za nadzor i kontrolu pristupa (čitači osobnih kartica, uređaji za zaključavanje vrata, tehnologija biometrijske identifikacije itd.), automatski sustavi za dojavu požara i gašenje požara, sustavi za kontrolu dizala i telekomunikacijske mreže, u opasnosti su u nedostatku pouzdano, dugotrajno alternativno napajanje.

Diesel generatori stvaraju mnogo buke, teško ih je locirati i imaju dobro poznate probleme s pouzdanošću i održavanjem. Nasuprot tome, instalacija gorivih ćelija koja osigurava pomoćno napajanje je tiha, pouzdana, proizvodi nulte ili vrlo niske emisije i može se lako postaviti na krov ili izvan zgrade. Ne prazni se niti gubi snagu u stanju mirovanja. Osigurava nastavak rada kritičnih sustava, čak i nakon što objekt prestane s radom i zgrada se isprazni.

Inovativne instalacije gorivih ćelija štite skupa ulaganja u kritične primjene. Oni pružaju ekološki prihvatljivo, pouzdano rezervno napajanje s produženim trajanjem (do mnogo dana) za upotrebu u rasponu snage od 250 W do 15 kW, u kombinaciji s brojnim značajkama bez premca i, posebno, visokim razinama uštede energije.

Instalacije za pomoćno napajanje gorivim ćelijama nude brojne prednosti za korištenje u kritičnim aplikacijama kao što su sigurnosni i sustavi upravljanja zgradama u odnosu na tradicionalne aplikacije na baterije ili dizel generatore. Tehnologija tekućeg goriva rješava problem postavljanja vodika i pruža gotovo neograničenu pomoćnu snagu.

Primjena gorivih ćelija/ćelija u gradskom grijanju i proizvodnji električne energije

Gorivne ćelije s čvrstim oksidom (SOFC) osiguravaju pouzdane, energetski učinkovite termoelektrane bez emisija za proizvodnju električne energije i topline iz široko dostupnog prirodnog plina i obnovljivih izvora goriva. Ove inovativne instalacije koriste se na raznim tržištima, od kućne proizvodnje električne energije do daljinskog napajanja, kao i pomoćnih izvora napajanja.

Primjena gorivih ćelija/ćelija u distribucijskim mrežama

Male termoelektrane projektirane su za rad u distribuiranoj mreži za proizvodnju električne energije koja se sastoji od velikog broja malih agregata umjesto jedne centralizirane elektrane.

Donja slika prikazuje gubitak u učinkovitosti proizvodnje električne energije kada se ona proizvodi u termoelektrani i prenosi u domove putem tradicionalnih mreža za prijenos električne energije koje se trenutno koriste. Gubici učinkovitosti u centraliziranoj proizvodnji uključuju gubitke iz elektrane, niskonaponske i visokonaponske prijenose te gubitke u distribuciji.

Na slici su prikazani rezultati integracije malih termoelektrana: električna energija se proizvodi uz proizvodnu učinkovitost do 60% na mjestu korištenja. Osim toga, toplinu koju stvaraju gorivne ćelije kućanstvo može koristiti za grijanje vode i prostora, čime se povećava ukupna učinkovitost prerade energije goriva i povećava ušteda energije.

Korištenje gorivih ćelija za zaštitu okoliša - korištenje pratećeg naftnog plina

Jedan od najvažnijih zadataka u naftnoj industriji je iskorištavanje pratećeg naftnog plina. Postojeći načini iskorištavanja pratećeg naftnog plina imaju dosta nedostataka, od kojih je glavni taj što nisu ekonomski isplativi. Povezani naftni plin se spaljuje, što uzrokuje golemu štetu okolišu i ljudskom zdravlju.

Inovativne termoelektrane s gorivnim ćelijama koje kao gorivo koriste prateći naftni plin otvaraju put radikalnom i ekonomičnom rješenju problema iskorištavanja pratećeg naftnog plina.

Jedna od glavnih prednosti instalacija gorivih ćelija je da mogu pouzdano i stabilno raditi na prateći naftni plin promjenjivog sastava. Zbog kemijske reakcije bez plamena koja je u osnovi rada gorive ćelije, smanjenje postotka, na primjer, metana uzrokuje samo odgovarajuće smanjenje izlazne snage.
Fleksibilnost u odnosu na električno opterećenje potrošača, pad, udar opterećenja.
Za ugradnju i spajanje termoelektrana na gorivne ćelije njihova implementacija ne zahtijeva kapitalne troškove, jer Jedinice se mogu lako instalirati na nepripremljenim mjestima u blizini polja, jednostavne su za korištenje, pouzdane i učinkovite.
Visoka automatizacija i moderno daljinsko upravljanje ne zahtijevaju stalnu prisutnost osoblja na instalaciji.
Jednostavnost i tehnička savršenost dizajna: odsutnost pokretnih dijelova, sustava trenja i podmazivanja osigurava značajne ekonomske koristi od rada instalacija gorivih ćelija.
Potrošnja vode: nikakva pri temperaturama okoline do +30 °C i zanemariva pri višim temperaturama.
Izlaz vode: nema.
Osim toga, termoelektrane koje koriste gorive ćelije ne stvaraju buku, ne vibriraju, ne proizvode štetne emisije u atmosferu