Hulladék anyagokból készült alkohol üzemanyagcella. Üzemanyagcellás telepítések. DIY üzemanyagcellás otthon. Az üzemanyagcellákat a polgári szektorban is használják

Készítsen elő mindent, amire szüksége van. Egy egyszerű üzemanyagcella elkészítéséhez szüksége lesz 12 hüvelykes platina vagy platina bevonatú huzalra, egy popsipálcára, egy 9 voltos elemre és elemtartóra, átlátszó szalagra, egy pohár vízre, konyhasóra (opcionális), vékony fémre. rúd és voltmérő.

• 9 voltos akkumulátort és elemtartót elektronikai vagy hardverboltban vásárolhat.

Vágjon két 15 centiméter hosszú darabot platina vagy platina bevonatú huzalból. A platinahuzalt speciális célokra használják, és megvásárolhatók egy elektronikai boltban. A reakció katalizátoraként fog szolgálni.

Tekerje a huzaldarabokat egy vékony fémrúd köré, hogy rugók alakját hozza létre. Ezek lesznek az üzemanyagcella elektródái. Fogja meg a huzal végét, és tekerje szorosan a rúd köré, hogy csavarrugót hozzon létre. Távolítsa el az első vezetéket a rúdról, és tekerje fel a második huzaldarabot.

• A huzal feltekeréséhez szöget, drótakasztót vagy teszter szondát használhat.

Vágja ketté az elemtartó vezetékeit. Fogja meg a huzalvágókat, vágja ketté mindkét, a tartóhoz rögzített vezetéket, és távolítsa el róluk a szigetelést. Ezeket a csupasz vezetékeket az elektródákhoz kell rögzíteni.

• A huzalvágó megfelelő részével távolítsa el a szigetelést a vezeték végeiről. Távolítsa el a szigetelést az elemtartóból levágott vezetékek végeiről.
• Vágja le a vezetéket felnőtt felügyelete mellett.

Rögzítse a vezetékek szigeteléstől megfosztott végeit az elektródákhoz. Csatlakoztassa a vezetékeket az elektródákhoz, hogy azután egy áramforrást (elemtartót) és egy voltmérőt tudjon csatlakoztatni, hogy meghatározza, mekkora feszültséget termel az üzemanyagcella.

• Tekerje a piros elemtartó huzalt és a levágott piros vezetéket az egyik huzaltekercs felső vége köré, és hagyja szabadon annak nagy részét.
• Tekerje be a második tekercs felső végét a fekete elemtartó vezetékkel és a levágott fekete vezetékkel.

Rögzítse az elektródákat egy pálcikára vagy fa rúdra. A popsi rúdnak hosszabbnak kell lennie, mint a vizes pohár nyaka, hogy a tetejére tudjon feküdni. Ragassza fel az elektródákat úgy, hogy lelógjanak a rúdról és a vízbe essen.

• Használhat átlátszó szalagot vagy elektromos szalagot. A lényeg az, hogy az elektródák biztonságosan rögzítve legyenek a pálcához.

Öntsön csapvizet vagy sós vizet egy pohárba. A reakció bekövetkezéséhez a víznek elektrolitokat kell tartalmaznia. A desztillált víz nem alkalmas erre, mivel nem tartalmaz olyan szennyeződéseket, amelyek elektrolitként szolgálhatnak. A kémiai reakció normális lefolyása érdekében feloldhat sót vagy szódabikarbónát vízben.

• A normál csapvíz ásványi szennyeződéseket is tartalmaz, így ha nincs kéznél só, akkor elektrolitként is használható.
• Adjon hozzá sót vagy szódabikarbónát egy evőkanál (20 gramm) arányban pohár vízhez. Addig keverjük a vizet, amíg a só vagy a szódabikarbóna teljesen fel nem oldódik.

Helyezzen egy pálcát elektródákkal egy pohár víz nyakára. Ebben az esetben a huzalrugó formájú elektródákat hosszuk nagy részében víz alá kell meríteni, kivéve az akkumulátortartó vezetékeivel való érintkezést. Csak a platina huzal legyen víz alatt.

• Ha szükséges, rögzítse a botot szalaggal, hogy az elektródák a vízben maradjanak.

Csatlakoztassa az elektródákról érkező vezetékeket voltmérőhöz vagy LED izzóhoz. Voltmérő segítségével meghatározhatja az aktivált üzemanyagcella által termelt feszültséget. Csatlakoztassa a piros vezetéket a voltmérő pozitív pólusához, a fekete vezetéket pedig a voltmérő negatív kivezetéséhez.

• Ebben a szakaszban a voltmérő kis értéket mutathat, például 0,01 voltot, bár a rajta lévő feszültségnek nullának kell lennie.
• Csatlakoztathat egy kis izzót is, például zseblámpát vagy LED-et.

A hidrogén üzemanyagcellák az üzemanyag kémiai energiáját villamos energiává alakítják át, megkerülve a nem hatékony égési folyamatokat és a hőenergia mechanikai energiává alakítását, amelyek nagy veszteséggel járnak. A hidrogén üzemanyagcella az elektrokémiai A készülék közvetlenül termel villamos energiát az üzemanyag rendkívül hatékony „hideg” elégetésével. A hidrogén-levegő protoncserélő membrán üzemanyagcella (PEMFC) az egyik legígéretesebb üzemanyagcellás technológia.

Nyolc éve hat folyékony dízel szivattyút fedeztek fel Nyugat-Európában; kétszáznak kell lenniük a vége előtt. Messze vagyunk a több ezer gyorstöltő termináltól, amelyek mindenhol kikelnek, hogy ösztönözzék az elektromos meghajtás terjedését. És ott fáj a dörzsölés. És jobb, ha bejelentjük a grafént.

Nem az akkumulátorok mondták ki az utolsó szavukat

Többről van szó, mint az autonómiáról, ezért a töltési idő korlátozása lassítja az elektromos járművek elterjedését. Mindazonáltal egy ebben a hónapban írt megjegyzésében emlékeztetett ügyfeleinek, hogy az akkumulátorok korlátozása az ilyen típusú szondákra korlátozódik nagyon magas feszültség esetén. Thomas Brachmannak elmondják, hogy még ki kell építeni egy hidrogénelosztó hálózatot. Az érv az, hogy megsöpri a kezét, emlékeztetve arra, hogy a gyorstöltő terminálok sokszorosítása is nagyon költséges, a nagyfeszültségű rézkábelek nagy keresztmetszete miatt. „Könnyebb és olcsóbb a cseppfolyósított hidrogént teherautókkal szállítani a termelési telephelyek közelében elásott tartályokból.”

A protonvezető polimer membrán két elektródát választ el – anódot és katódot. Mindegyik elektróda egy katalizátorral bevont szénlemez (mátrix). Az anódkatalizátornál a molekuláris hidrogén disszociál és elektronokat ad fel. A hidrogénkationok a membránon keresztül a katódhoz jutnak, de az elektronok a külső áramkörbe kerülnek, mivel a membrán nem engedi át az elektronokat.

A hidrogén még nem az elektromosság tiszta vektora

Ami magának az akkumulátornak a költségét illeti, ami nagyon érzékeny információ, Thomas Brachmannnak nincs kétsége afelől, hogy a hatékonyság növelésével jelentősen csökkenthető. "A platina az az elem, amely többe kerül." Sajnos szinte az összes hidrogén fosszilis energiaforrásokból származik. Ráadásul a dihidrogén csak energiahordozó, nem pedig olyan forrás, amelyből előállítása, cseppfolyósítása, majd elektromossággá alakítása során el nem elhanyagolható részét fogyasztják.

A katódkatalizátornál egy oxigénmolekula egyesül egy elektronnal (amelyet az elektromos áramkörből táplálnak) és egy bejövő protonnal, és vizet képez, amely a reakció egyetlen terméke (gőz és/vagy folyadék formájában).

A membrán-elektróda egységek, amelyek az energiarendszer kulcsfontosságú generáló elemei, hidrogén üzemanyagcellákból készülnek.

A jövő autója úgy viselkedik, mint egy igazi

Az akkumulátor egyenlege hozzávetőleg háromszor nagyobb, annak ellenére, hogy a vezetőkben a hő okozta veszteségeket. Sajnos a csodaautó csak nyilvános demonstráció keretében kerül útjainkba. Brachmann, aki emlékeztet arra, hogy az elektromos autók természetes csendje fokozza a zajos világban való élet benyomását. Minden nehézség ellenére a kormány- és fékpedál természetes összhangot biztosít.

Miniatűr akkumulátor, de jobb teljesítmény

A kütyü látható, a központi képernyő az irányjelző bekapcsolásakor azonnal szétszórja a jobb oldali tükörbe helyezett kamera képeit. Amerikai ügyfeleink többsége már nem igényli, ez pedig lehetővé teszi az árak alacsonyan tartását - indokolja a főmérnök, aki ennél alacsonyabb tarifát kínál. Valójában érdemes az üzemanyagcella-kötegről beszélni, mivel 358 működik együtt. A 117 literes fő tartály a pad hátsó falához van nyomva, megakadályozva annak összecsukását, a második - 24 literes pedig az ülés alatt van elrejtve.

A hidrogén üzemanyagcellák előnyei a hagyományos megoldásokhoz képest:

- megnövelt fajlagos energiaintenzitás (500 ÷ 1000 Wh/kg),

- kiterjesztett üzemi hőmérséklet-tartomány (-40 0 C / +40 0 C),

- hőfolt, zaj és rezgés hiánya,

- megbízhatóság hidegindításkor,

- gyakorlatilag korlátlan energiatárolási idő (nincs önkisülés),

Az első kétütemű üzemanyagcella

Kompakt mérete ellenére ez az új üzemanyagcella gyorsabban és jobban átalakítja a dihidrogént elektromos árammá, mint elődje. Oxigént szállít a cölöpelemekhez olyan sebességgel, amelyet korábban a tartósságukkal összeegyeztethetetlennek tartottak. A vízfelesleget, amely korábban korlátozta az áramlási sebességet, a legjobb kiüríteni. Ennek eredményeként az elemenkénti teljesítmény felére nő, és a hatásfok eléri a 60%-ot.

Ez az első ülések alatt található 1,7 kWh-s lítium-ion akkumulátornak köszönhető, amely lehetővé teszi további áram leadását erős gyorsítások mellett. Vagy az előre jelzett autonómia 460 km, ideális esetben összhangban van azzal, amit a gyártó állít.

- a rendszer energiaintenzitásának megváltoztatása az üzemanyagpatronok számának változtatásával, ami szinte korlátlan autonómiát biztosít,

Az a képesség, hogy a rendszer szinte bármilyen ésszerű energiaintenzitást biztosítson a hidrogéntároló kapacitás változtatásával,

- magas energiaintenzitás,

- tolerancia a hidrogénben lévő szennyeződésekkel szemben,

De ezer alkatrész megkönnyíti a légáramlást és optimalizálja a hűtést. Ez az elektromos autó még elődjénél is jobban mutatja, hogy az üzemanyagcella elöl és középen van. Nagy kihívás az iparág és vezetőink számára. Eközben nagyon okos, hogy ki fogja tudni, melyik üzemanyagcella vagy akkumulátor lesz érvényesül.

Az üzemanyagcella egy elektrokémiai energiaátalakító berendezés, amely egyenáram formájában tud villamos energiát előállítani az üzemanyag és egy oxidálószer kombinálásával egy kémiai reakció során, és így hulladékterméket, jellemzően üzemanyag-oxidot hoz létre.

- hosszú élettartam,

- környezetbarát és csendes működés.

Hidrogén-üzemanyagcellákon alapuló áramellátó rendszerek UAV-khoz:

Üzemanyagcellák beszerelése be pilóta nélküli járművek hagyományos akkumulátorok helyett megsokszorozza a repülési időt, súlyt hasznos teher, lehetővé teszi a repülőgép megbízhatóságának növelését, az UAV indításának és működésének hőmérsékleti tartományának bővítését, a határérték -40 0C-ra való csökkentésével. A belső égésű motorokhoz képest az üzemanyagcellás rendszerek csendesek, rezgésmentesek, alacsony hőmérsékleten üzemelnek, repülés közben nehezen észlelhetők, nem bocsátanak ki káros károsanyag-kibocsátást, hatékonyan képesek ellátni a feladatokat a videó megfigyeléstől a hasznos teherszállításig.

Minden üzemanyagcellának két elektródája van, az egyik pozitív és a másik negatív, és az elektromosságot termelő reakció az elektródáknál elektrolit jelenlétében megy végbe, amely a töltött részecskéket elektródáról elektródára szállítja, míg az elektronok az elektródák között elhelyezkedő külső vezetékekben keringenek. elektromos áram létrehozására.

Az üzemanyagcella folyamatosan tud villamos energiát termelni mindaddig, amíg az üzemanyag és az oxidálószer szükséges áramlását fenntartják. Egyes üzemanyagcellák csak néhány wattot, míg mások több száz kilowattot, míg a kisebb akkumulátorok valószínűleg megtalálhatók a laptopokban és a mobiltelefonokban, de az üzemanyagcellák túl drágák ahhoz, hogy kis generátorokká váljanak, amelyeket otthonok és vállalkozások számára termelnek.

Az UAV-k áramellátó rendszerének összetétele:

Az üzemanyagcellák gazdasági méretei

A hidrogén üzemanyag-forrásként való használata jelentős költségekkel jár. Emiatt a hidrogén ma már nem gazdaságos forrás, különösen azért, mert más, olcsóbb források is használhatók. A hidrogén előállítási költségei változhatnak, mivel tükrözik azon erőforrások költségét, amelyekből kivonják.

Akkumulátoros üzemanyagforrások

Az üzemanyagcellákat általában a következő kategóriákba sorolják: hidrogén üzemanyagcellák, szerves üzemanyagcellák, fémes üzemanyagcellák és redox akkumulátorok. Ha hidrogént használnak tüzelőanyagként, a kémiai energia a fordított hidrolízis folyamata során elektromos árammá alakul, így hulladékként csak víz és hő keletkezik. A hidrogén üzemanyagcella nagyon alacsony, de többé-kevésbé magas lehet a hidrogéntermelésben, különösen, ha fosszilis tüzelőanyagokból állítják elő.

• - üzemanyagcellás akkumulátor,
• - Li-Po puffer akkumulátor a rövid távú csúcsterhelések fedezésére,
• - elektronikus vezérlő rendszer ,
• - sűrített hidrogént vagy szilárd hidrogénforrást tartalmazó hengerből álló üzemanyagrendszer.

Az üzemanyag-rendszer nagy szilárdságú, könnyű hengereket és reduktorokat használ, hogy biztosítsa a sűrített hidrogén maximális ellátását a fedélzeten. Különböző méretű (0,5-25 literes) hengerek használata megengedett olyan reduktorokkal, amelyek biztosítják a szükséges hidrogénfogyasztást.

A hidrogén akkumulátorok két kategóriába sorolhatók: alacsony hőmérsékletű akkumulátorok és magas hőmérsékletű akkumulátorok, ahol a magas hőmérsékletű akkumulátorok közvetlenül is használhatnak fosszilis tüzelőanyagokat. Ez utóbbi szénhidrogénekből áll, például olajból vagy benzinből, alkoholból vagy biomasszából.

Az akkumulátorokban lévő egyéb üzemanyagforrások közé tartoznak többek között az alkoholok, cink, alumínium, magnézium, ionos oldatok és számos szénhidrogén. Egyéb oxidálószerek közé tartozik, de nem kizárólagosan, a levegő, a klór és a klór-dioxid. Jelenleg többféle üzemanyagcella létezik.

Az UAV-k áramellátó rendszerének jellemzői:

Hidrogén üzemanyagcellás hordozható töltők:

A hidrogén-üzemanyagcellákon alapuló hordozható töltők kompakt eszközök, tömegükben és méretükben összehasonlíthatók a világszerte aktívan használt akkumulátortöltőkkel.

A modern világban mindenütt megtalálható hordozható technológiát rendszeresen újra kell tölteni. A hagyományos hordozható rendszerek alacsony hőmérsékleten gyakorlatilag használhatatlanok, funkciójuk ellátása után (elektromos hálózatok) történő újratöltést is igényelnek, ami csökkenti hatékonyságukat és a készülék autonómiáját is.

Minden dihidrogénmolekula 2 elektront szerez. A H-ion az anódról a katódra kerül, és egy elektron átvitelével elektromos áramot hoz létre. Hogyan nézhetnek ki a repülőgépek üzemanyagcellái? Ma olyan teszteket végeznek repülőgépeken, amelyek lítium-ion hibrid üzemanyagcellás akkumulátorral próbálják repülni. Az üzemanyagcella igazi előnye a kis tömeg integritásában rejlik: könnyebb, ami segít csökkenteni a repülőgép tömegét és ezáltal az üzemanyag-fogyasztást.

De egyelőre nem lehet üzemanyagcellás repülőgépet repülni, mert ennek még sok hátránya van. Egy üzemanyagcella képe. Milyen hátrányai vannak az üzemanyagcellának? Először is, ha a hidrogén elterjedt lenne, nagy mennyiségben történő felhasználása problémás lenne. Valójában nem csak a Földön érhető el. Oxigéntartalmú vízben és ammóniában található. Ezért a víz előállításához elektrolizálni kell, és ez még nem elterjedt módszer.

A hidrogénüzemanyagcellás rendszereknél csak egy kompakt üzemanyagpatron cseréje szükséges, ami után a készülék azonnal használatra kész.

A hordozható töltők jellemzői:

Hidrogén üzemanyagcellákon alapuló szünetmentes tápegységek:

A hidrogén-üzemanyagcellákon alapuló, garantált áramellátó rendszereket a tartalék áramellátás és az ideiglenes tápellátás megszervezésére tervezték. A hidrogén-üzemanyagcellákon alapuló, garantált áramellátó rendszerek jelentős előnyöket kínálnak a hagyományos megoldásokkal szemben az ideiglenes és tartalék áramellátás megszervezésére, akkumulátorok és dízelgenerátorok felhasználásával.

A hidrogén gáz, ezért nehéz visszatartani és szállítani. A hidrogén használatához kapcsolódó másik kockázat a robbanásveszély, mivel gyúlékony gázról van szó. ami az akkumulátort nagyüzemi előállításához biztosítja, más energiaforrásra van szükség, legyen az olaj, gáz vagy szén, vagy nukleáris energia, ami jelentősen rontja környezeti egyensúlyát, mint a kerozin, és a halom, a platina, még ritkább fém. és drágább az aranynál.

Az üzemanyagcella az üzemanyag oxidációjával az anódnál és az oxidálószer redukálásával a katódon szolgáltat energiát. Az üzemanyagcella-elv felfedezése és a kénsavat elektrolitként alkalmazó laboratóriumi első megvalósítások William Grove vegyész nevéhez fűződnek.

A szünetmentes tápegység rendszer jellemzői:

Benzintank egy galvanikus cellához hasonló elektrokémiai berendezés, de abban különbözik tőle, hogy az elektrokémiai reakcióhoz szükséges anyagokat kívülről juttatják hozzá - ellentétben a galvánelemben vagy akkumulátorban tárolt korlátozott energiamennyiséggel.

Valójában az üzemanyagcelláknak van néhány előnye: azok, amelyek dihidrogént és dioxidot használnak, csak vízgőzt bocsátanak ki: ezért ez egy tiszta technológia. Az üzemanyagcelláknak többféle típusa létezik, az elektrolit jellegétől, az üzemanyag jellegétől, a közvetlen vagy közvetett oxidációtól és az üzemi hőmérséklettől függően.

Az alábbi táblázat összefoglalja e különféle eszközök főbb jellemzőit. Számos európai program más polimereket, például polibenzimidazol-származékokat keres, amelyek stabilabbak és olcsóbbak. Az akkumulátor tömörsége is folyamatos kihívást jelent a 15-50 mikronos membránok, a porózus szénanódok és a rozsdamentes acél bipoláris lemezek esetében. A várható élettartam is javítható, mivel egyrészt a hidrogénben néhány ppm nagyságrendű szén-monoxid-nyomok valódi mérgek a katalizátor számára, másrészt a polimerben lévő víz szabályozása kötelező.

Rizs. 1. Néhány üzemanyagcella

Az üzemanyagcellák az üzemanyag kémiai energiáját villamos energiává alakítják át, megkerülve a nagy veszteséggel fellépő nem hatékony égési folyamatokat. A hidrogént és az oxigént kémiai reakcióval elektromossággá alakítják. A folyamat eredményeként víz képződik, és nagy mennyiségű hő szabadul fel. Az üzemanyagcella nagyon hasonlít egy akkumulátorhoz, amelyet fel lehet tölteni, majd felhasználni a tárolt elektromos energiát. Az üzemanyagcella feltalálójának William R. Grove-ot tartják, aki 1839-ben találta fel. Ez az üzemanyagcella kénsavoldatot használt elektrolitként és hidrogént üzemanyagként, amelyet oxidálószerben oxigénnel kombináltak. Egészen a közelmúltig az üzemanyagcellákat csak laboratóriumokban és űrhajókon használták.

Más áramfejlesztőktől eltérően, mint például a belső égésű motorok vagy a gázzal, szénnel, fűtőolajjal stb. működő turbinák, az üzemanyagcellák nem égetnek üzemanyagot. Ez azt jelenti, hogy nincsenek zajos nagynyomású rotorok, nincs hangos kipufogó zaj, nincs vibráció. Az üzemanyagcellák csendes elektrokémiai reakcióval termelnek villamos energiát. Az üzemanyagcellák másik jellemzője, hogy az üzemanyag kémiai energiáját közvetlenül elektromos árammá, hővé és vízzé alakítják.

Az üzemanyagcellák rendkívül hatékonyak, és nem termelnek nagy mennyiségű üvegházhatású gázt, például szén-dioxidot, metánt és dinitrogén-oxidot. Az üzemanyagcellák egyetlen kibocsátása a víz gőz formájában és kis mennyiségű szén-dioxid, amely egyáltalán nem szabadul fel, ha tiszta hidrogént használnak üzemanyagként. Az üzemanyagcellákat szerelvényekké, majd egyedi funkcionális modulokká szerelik össze.

Az üzemanyagcelláknak nincs mozgó alkatrésze (legalábbis magában a cellában nem), ezért nem engedelmeskednek Carnot törvényének. Vagyis 50%-nál nagyobb hatásfokkal rendelkeznek, és különösen alacsony terhelésnél hatékonyak. Így az üzemanyagcellás járművek üzemanyag-hatékonyabbá válhatnak (és már bebizonyosodott, hogy azok) a hagyományos járműveknél a valós vezetési körülmények között.

Az üzemanyagcella elektromos áramot termel DC feszültség, mellyel elektromos motort, világítást és egyéb elektromos rendszereket lehet meghajtani egy járműben.

Az üzemanyagcelláknak többféle típusa létezik, amelyek az alkalmazott kémiai eljárásokban különböznek egymástól. Az üzemanyagcellákat általában az általuk használt elektrolit típusa szerint osztályozzák.

Egyes típusú üzemanyagcellák ígéretesek erőművi meghajtásra, míg mások hordozható eszközökre vagy autók vezetésére.

1. Alkáli üzemanyagcellák (ALFC)

Lúgos üzemanyagcella- Ez az egyik legelső elem, amit kifejlesztettek. Az alkáli üzemanyagcellák (AFC) az egyik legtöbbet tanulmányozott technológia, amelyet a huszadik század 60-as éveinek közepe óta használt a NASA az Apollo és Space Shuttle programban. Ezeken az űrhajókon az üzemanyagcellák elektromos energiát és ivóvizet termelnek.

Az alkáli tüzelőanyagcellák az egyik leghatékonyabb villamosenergia-termelésre használt cella, az energiatermelés hatékonysága eléri a 70%-ot.

Az alkáli tüzelőanyag-cellák elektrolitot, kálium-hidroxid vizes oldatát használnak, amely porózus, stabilizált mátrixban található. A kálium-hidroxid koncentrációja az üzemanyagcella üzemi hőmérsékletétől függően változhat, amely 65°C és 220°C között van. Az SHTE töltéshordozója a hidroxil-ion (OH-), amely a katódról az anódra kerül, ahol hidrogénnel reagál, vizet és elektronokat termelve. Az anódon keletkező víz visszakerül a katódra, és ott ismét hidroxil-ionokat generál. Az üzemanyagcellában lezajló reakciósorozat eredményeként villamos energia és melléktermékként hő keletkezik:

Reakció az anódon: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e

Reakció a katódon: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH

A rendszer általános reakciója: 2H2 + O2 => 2H2O

Az SHTE előnye, hogy ezeket az üzemanyagcellákat a legolcsóbban előállítani, mivel az elektródákon szükséges katalizátor bármely olyan anyag lehet, amely olcsóbb, mint a többi üzemanyagcella katalizátora. Ezenkívül az SHTE-k viszonylag alacsony hőmérsékleten működnek, és a leghatékonyabbak közé tartoznak.

Az SHTE egyik jellemző tulajdonsága a nagy érzékenysége a CO2-ra, amelyet az üzemanyag vagy a levegő tartalmazhat. A CO2 reakcióba lép az elektrolittal, gyorsan megmérgezi, és nagymértékben csökkenti az üzemanyagcella hatékonyságát. Ezért az SHTE használata zárt terekre korlátozódik, például űrhajókra és víz alatti járművekre; tiszta hidrogénnel és oxigénnel működnek.

2. Olvadt karbonát üzemanyagcellák (MCFC)

Üzemanyagcellák olvadt karbonát elektrolittal magas hőmérsékletű üzemanyagcellák. A magas üzemi hőmérséklet lehetővé teszi a földgáz közvetlen felhasználását üzemanyag-feldolgozó nélkül, valamint az ipari folyamatokból és egyéb forrásokból származó alacsony fűtőértékű tüzelőgázt. Ezt a folyamatot a huszadik század 60-as éveinek közepén fejlesztették ki. Azóta a gyártási technológia, a teljesítmény és a megbízhatóság javult.

Az RCFC működése eltér a többi üzemanyagcellától. Ezek a cellák olvadt karbonátsók keverékéből készült elektrolitot használnak. Jelenleg kétféle keveréket használnak: lítium-karbonátot és kálium-karbonátot vagy lítium-karbonátot és nátrium-karbonátot. A karbonátsók megolvasztásához és az elektrolitban az ionok nagyfokú mobilitásának eléréséhez az olvadt karbonát elektrolitot tartalmazó üzemanyagcellák magas hőmérsékleten (650 °C) működnek. A hatásfok 60-80% között változik.

650°C-ra hevítve a sók a karbonátionok (CO32-) vezetőjévé válnak. Ezek az ionok a katódról az anódra jutnak, ahol hidrogénnel egyesülve vizet, szén-dioxidot és szabad elektronokat képeznek. Ezeket az elektronokat egy külső elektromos áramkörön keresztül visszaküldik a katódra, és melléktermékként elektromos áramot és hőt állítanak elő.

Reakció az anódon: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e

Reakció a katódon: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-

Az elem általános reakciója: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(katód) => H2O(g) + CO2(anód)

Az olvadt karbonát elektrolit üzemanyagcellák magas üzemi hőmérséklete bizonyos előnyökkel jár. Előnye a szabványos anyagok (rozsdamentes acéllemezek és nikkelkatalizátor az elektródákon) használatának lehetősége. A hulladékhő nagynyomású gőz előállítására használható. Az elektrolit magas reakcióhőmérsékletének is megvannak a maga előnyei. A magas hőmérséklet alkalmazása hosszú időt igényel az optimális működési feltételek eléréséhez, és a rendszer lassabban reagál az energiafogyasztás változásaira. Ezek a jellemzők lehetővé teszik az olvadt karbonát elektrolittal működő üzemanyagcellás berendezések használatát állandó teljesítmény mellett. A magas hőmérséklet megakadályozza az üzemanyagcella szén-monoxid, „mérgezés” stb.

Az olvadt karbonát elektrolitot tartalmazó üzemanyagcellák alkalmasak nagy, helyhez kötött létesítményekben való használatra. A 2,8 MW elektromos kimenő teljesítményű hőerőműveket kereskedelmi forgalomba állítják. 100 MW-ig terjedő kimenő teljesítményű létesítmények fejlesztése folyik.

3. Foszforsav üzemanyagcellák (PAFC)

Foszforsav (ortofoszforsav) alapú üzemanyagcellák lett az első kereskedelmi használatra szánt üzemanyagcella. Ezt az eljárást a huszadik század 60-as éveinek közepén fejlesztették ki, a vizsgálatokat a huszadik század 70-es évei óta végezték. Az eredmény megnövekedett stabilitás és teljesítmény, valamint csökkentett költségek.

A foszforsav (ortofoszforsavas) üzemanyagcellák ortofoszforsav (H3PO4) alapú elektrolitot használnak, legfeljebb 100%-os koncentrációban. A foszforsav ionvezetőképessége alacsony hőmérsékleten alacsony, ezért ezeket az üzemanyagcellákat 150-220 °C hőmérsékletig használják.

Az ilyen típusú üzemanyagcellák töltéshordozója a hidrogén (H+, proton). Hasonló folyamat megy végbe a protoncserélő membrán üzemanyagcellákban (PEMFC), amelyek során az anódhoz juttatott hidrogén protonokra és elektronokra bomlik. A protonok áthaladnak az elektroliton, és a katódon a levegőből származó oxigénnel egyesülve vizet képeznek. Az elektronokat egy külső elektromos áramkörön keresztül küldik, ezáltal elektromos áramot hoznak létre. Az alábbiakban bemutatjuk azokat a reakciókat, amelyek elektromos áramot és hőt termelnek.

Reakció az anódnál: 2H2 => 4H+ + 4e

Reakció a katódon: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O

Az elem általános reakciója: 2H2 + O2 => 2H2O

A foszforsav (ortofoszforsav) alapú üzemanyagcellák hatékonysága több mint 40% elektromos energia előállítása során. A kombinált hő- és villamosenergia-termeléssel a teljes hatásfok körülbelül 85%. Ezenkívül adott üzemi hőmérsékleten a hulladékhő felhasználható víz melegítésére és légköri nyomású gőz előállítására.

Az ilyen típusú tüzelőanyagcellák egyik előnye a foszforsav (ortofoszfor)sav alapú tüzelőanyag-cellákat használó hőerőművek nagy teljesítménye a hő- és villamosenergia kombinált előállításában. Az egységek körülbelül 1,5% koncentrációjú szén-monoxidot használnak, ami jelentősen bővíti az üzemanyag választékot. Az egyszerű kialakítás, az alacsony fokú elektrolit illékonyság és a megnövelt stabilitás szintén az ilyen üzemanyagcellák előnyei.

A 400 kW-ig terjedő elektromos kimenő teljesítményű hőerőműveket kereskedelemben gyártják. A 11 MW teljesítményű létesítmények megfeleltek a megfelelő teszteknek. 100 MW-ig terjedő kimenő teljesítményű létesítmények fejlesztése folyik.

4. Protoncserélő membrán üzemanyagcellák (PEMFC)

Protoncserélő membrán üzemanyagcellák a legjobb üzemanyagcelláknak tekinthetők a járművek energiatermelésére, amelyek helyettesíthetik a benzin- és dízelmotorokat. Ezeket az üzemanyagcellákat először a NASA használta a Gemini programhoz. MOPFC-n alapuló, 1 W és 2 kW közötti teljesítményű berendezéseket fejlesztettek ki és mutattak be.

Ezekben az üzemanyagcellákban az elektrolit szilárd polimer membrán (vékony műanyag film). Vízzel telítve ez a polimer átengedi a protonokat, de nem vezet elektronokat.

Az üzemanyag hidrogén, a töltéshordozó pedig egy hidrogénion (proton). Az anódnál a hidrogénmolekula hidrogénionra (protonra) és elektronokra hasad. A hidrogénionok az elektroliton keresztül a katódhoz jutnak, az elektronok pedig a külső kör körül mozogva elektromos energiát termelnek. A levegőből vett oxigén a katódra kerül, és elektronokkal és hidrogénionokkal egyesülve vizet képez. Az elektródákon a következő reakciók mennek végbe: Reakció az anódon: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e Reakció a katódon: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH Teljes cellareakció: 2H2 + O2 => 2H2O Más típusú elektródákkal összehasonlítva üzemanyagcellák, protoncserélő membránnal ellátott üzemanyagcellák több energiát termelnek az üzemanyagcella adott térfogatához vagy tömegéhez. Ez a funkció lehetővé teszi, hogy kompaktak és könnyűek legyenek. Ezenkívül az üzemi hőmérséklet 100 °C alatt van, ami lehetővé teszi a működés gyors elindítását. Ezek a jellemzők, valamint az energiakibocsátás gyors megváltoztatásának képessége csak néhány, amelyek miatt ezek az üzemanyagcellák a járművekben való felhasználás első számú jelöltjei.

További előnye, hogy az elektrolit szilárd, nem pedig folyékony. Szilárd elektrolit segítségével könnyebb visszatartani a gázokat a katódon és az anódon, így olcsóbb az ilyen üzemanyagcellák előállítása. Szilárd elektrolit esetén nincs orientációs probléma, és kevesebb a korróziós probléma, ami növeli a cella és alkatrészeinek élettartamát.

5. Szilárd oxid üzemanyagcellák (SOFC)

Szilárd oxid üzemanyagcellák a legmagasabb üzemi hőmérsékletű üzemanyagcellák. Az üzemi hőmérséklet 600°C és 1000°C között változhat, lehetővé téve különböző típusú üzemanyagok használatát speciális előkezelés nélkül. Az ilyen magas hőmérsékletek kezelésére az elektrolit egy vékony, szilárd fém-oxid kerámia alapon, gyakran ittrium és cirkónium ötvözete, amely oxigénionok (O2-) vezetője. A szilárd oxid üzemanyagcellák használatának technológiája a huszadik század 50-es évei óta fejlődik, és két konfigurációval rendelkezik: sík és cső alakú.

A szilárd elektrolit biztosítja a gáz zárt átmenetét egyik elektródáról a másikra, míg a folyékony elektrolitok porózus hordozóban helyezkednek el. Az ilyen típusú üzemanyagcellák töltéshordozója az oxigénion (O2-). A katódon a levegőből származó oxigénmolekulák oxigénionra és négy elektronra válnak szét. Az oxigénionok áthaladnak az elektroliton, és hidrogénnel egyesülve négy szabad elektront hoznak létre. Az elektronokat egy külső elektromos áramkörön keresztül küldik, elektromos áramot és hulladékhőt hozva létre.

Reakció az anódon: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e

Reakció a katódon: O2 + 4e- => 2O2-

Az elem általános reakciója: 2H2 + O2 => 2H2O

A villamosenergia-termelés hatékonysága az összes tüzelőanyag-cella közül a legmagasabb - körülbelül 60%. Ezenkívül a magas üzemi hőmérséklet lehetővé teszi a hő- és elektromos energia kombinált előállítását nagynyomású gőz előállítására. A magas hőmérsékletű üzemanyagcella és a turbina kombinálása lehetővé teszi egy hibrid üzemanyagcella létrehozását, amely akár 70%-kal növeli az elektromos energia előállításának hatékonyságát.

A szilárd oxid üzemanyagcellák nagyon magas hőmérsékleten (600°C-1000°C) működnek, ami jelentős időt vesz igénybe az optimális működési feltételek eléréséhez, és a rendszer lassabban reagál az energiafogyasztás változásaira. Ilyen magas üzemi hőmérsékleten nincs szükség konverterre a hidrogén visszanyeréséhez a tüzelőanyagból, ami lehetővé teszi, hogy a hőerőmű viszonylag szennyezett tüzelőanyaggal működjön, amely szén vagy hulladékgázok stb. elgázosításából származik. Az üzemanyagcella kiválóan alkalmas nagy teljesítményű alkalmazásokhoz, beleértve az ipari és nagy központi erőműveket is. Kereskedelmi forgalomban 100 kW elektromos kimenő teljesítményű modulokat gyártanak.

6. Közvetlen metanol-oxidációs üzemanyagcellák (DOMFC)

Közvetlen metanol oxidációjú üzemanyagcellák Sikeresen használják a mobiltelefonok, laptopok áramellátásában, valamint hordozható áramforrások létrehozásában, ami az ilyen elemek jövőbeni felhasználása.

A metanol közvetlen oxidációjával rendelkező üzemanyagcellák kialakítása hasonló a protoncserélő membránnal (MEPFC) ellátott üzemanyagcellák kialakításához, pl. Elektrolitként polimert, töltéshordozóként hidrogéniont (protont) használnak. De a folyékony metanol (CH3OH) víz jelenlétében az anódnál oxidálódik, CO2, hidrogénionok és elektronok szabadulnak fel, amelyeket egy külső elektromos áramkörön keresztül továbbítanak, ezáltal elektromos áramot generálnak. A hidrogénionok áthaladnak az elektroliton, és reakcióba lépnek a levegő oxigénjével és a külső áramkör elektronjaival, hogy vizet képezzenek az anódon.

Reakció az anódon: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6eKatód reakciója: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O Az elem általános reakciója: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O Ilyenek kialakulása Az üzemanyagcellákat a huszadik század 90-es évek eleje óta végzik, és fajlagos teljesítményüket és hatásfokukat 40%-ra növelték.

Ezeket az elemeket 50-120°C hőmérséklet-tartományban tesztelték. Alacsony üzemi hőmérsékletük és konverter hiánya miatt az ilyen tüzelőanyag-cellák kiválóan alkalmasak mobiltelefonokban és egyéb fogyasztói termékekben, valamint autómotorokban való használatra. Előnyük a kis méret is.

7. Polimer elektrolit üzemanyagcellák (PEFC)

A polimer elektrolit üzemanyagcellák esetében a polimer membrán polimer szálakból áll, vizes régiókkal, amelyekben vezetési vízionok H2O+ (proton, vörös) kapcsolódnak egy vízmolekulához. A vízmolekulák problémát jelentenek a lassú ioncsere miatt. Ezért mind az üzemanyagban, mind a kimeneti elektródáknál magas vízkoncentrációra van szükség, ami az üzemi hőmérsékletet 100°C-ra korlátozza.

8. Szilárd savas üzemanyagcellák (SFC)

A szilárd savas üzemanyagcellákban az elektrolit (CsHSO4) nem tartalmaz vizet. Az üzemi hőmérséklet tehát 100-300°C. Az SO42 oxianionok forgása lehetővé teszi a protonok (piros) mozgását az ábrán látható módon. A szilárd savas tüzelőanyag-cella általában olyan szendvics, amelyben egy nagyon vékony réteg szilárd savvegyületet helyeznek el két elektróda között, amelyeket szorosan egymáshoz nyomnak a jó érintkezés biztosítása érdekében. Hevítéskor a szerves komponens elpárolog, és az elektródák pórusain keresztül távozik, így megmarad az üzemanyag (vagy az elem másik végén lévő oxigén), az elektrolit és az elektródák közötti többszörös érintkezés lehetősége.

9. Az üzemanyagcellák legfontosabb jellemzőinek összehasonlítása

Az üzemanyagcellák jellemzői

Üzemanyagcella típus	Üzemi hőmérséklet	Energiatermelés hatékonysága	Üzemanyagtípus	Hatály
				Közepes és nagy telepítések
			Tiszta hidrogén	installációk
			Tiszta hidrogén	Kisebb telepítések
			A legtöbb szénhidrogén üzemanyag	Kis, közepes és nagy telepítések
				Hordozható installációk
			Tiszta hidrogén	Hely kutatott
			Tiszta hidrogén	Kisebb telepítések

10. Üzemanyagcellák használata autókban

A tudás ökológiája. Tudomány és technológia: A mobil elektronika évről évre fejlődik, egyre szélesebb körben elterjedt és elérhetővé válik: PDA-k, laptopok, mobil és digitális eszközök, képkeretek stb. Ezeket folyamatosan feltöltik

DIY üzemanyagcellás otthon

A mobil elektronika évről évre fejlődik, egyre elterjedtebb és elérhetőbb: PDA-k, laptopok, mobil és digitális eszközök, képkeretek stb. Mindegyik folyamatosan frissül új funkciókkal, nagyobb monitorokkal, vezeték nélküli kommunikációval, erősebb processzorokkal, miközben méretük csökken. . A félvezető technológiával ellentétben az energiatechnológiák nem fejlődnek ugrásszerűen.

A meglévő elemek és akkumulátorok az ipar vívmányainak ellátására egyre elégtelenné válnak, ezért az alternatív források kérdése nagyon akut. Az üzemanyagcellák messze a legígéretesebb terület. Működésük elvét még 1839-ben William Grove fedezte fel, aki a víz elektrolízisének megváltoztatásával áramot termelt.

Mik azok az üzemanyagcellák?

Videó: Dokumentumfilm, üzemanyagcellák a közlekedéshez: múlt, jelen, jövő

Az üzemanyagcellák érdeklik az autógyártókat, és az űrhajótervezők is érdeklődnek irántuk. 1965-ben még Amerika is tesztelte őket az űrbe indított Gemini 5 űrszondán, majd később az Apollon. Dollármilliókat fordítanak ma az üzemanyagcella-kutatásra, mivel a környezetszennyezési problémák továbbra is fennállnak. környezet, a szerves tüzelőanyag elégetése során keletkező üvegházhatású gázok kibocsátásának növelése, amelyek készletei szintén nem végtelenek.

Az üzemanyagcella, amelyet gyakran elektrokémiai generátornak neveznek, az alábbiakban leírt módon működik.

Az akkumulátorokhoz és az elemekhez hasonlóan galvanikus elem, de azzal a különbséggel, hogy a hatóanyagokat külön tárolják. Használat közben az elektródákhoz kerülnek. A negatív elektródán megég a természetes tüzelőanyag vagy bármely abból nyert anyag, amely lehet gáznemű (például hidrogén és szén-monoxid) vagy folyékony, például alkoholok. Az oxigén általában a pozitív elektródán reagál.

De az egyszerűnek tűnő működési elvet nem könnyű átültetni a valóságba.

DIY üzemanyagcella

Sajnos nincs fényképünk arról, hogy hogyan nézzen ki ez a tüzelőanyag, az Ön fantáziájára hagyatkozunk.

Kis teljesítményű üzemanyagcellát saját kezűleg készíthet akár iskolai laboratóriumban is. Fel kell raknia egy régi gázálarcot, több darab plexiüveget, lúgot és vizes etil-alkohol-oldatot (egyszerűbben vodkát), amely az üzemanyagcella „üzemanyagaként” szolgál.

Először is szüksége van egy házra az üzemanyagcella számára, amely legjobban legalább öt milliméter vastag plexiből készül. A belső válaszfalak (belül öt rekesz van) egy kicsit vékonyabbak lehetnek - 3 cm. A plexi ragasztásához a következő összetételű ragasztót használjuk: hat gramm plexi forgácsot feloldunk száz gramm kloroformban vagy diklór-etánban (a munka megtörtént motorháztető alatt).

Most egy lyukat kell fúrni a külső falba, amelybe gumidugón keresztül 5-6 centiméter átmérőjű üveg lefolyócsövet kell behelyezni.

Mindenki tudja, hogy a periódusos rendszerben a legaktívabb fémek a bal alsó sarokban találhatók, az erősen aktív metalloidok pedig a táblázat jobb felső sarkában, azaz. az elektronok adományozási képessége felülről lefelé és jobbról balra nő. Azok az elemek, amelyek bizonyos körülmények között fémként vagy metalloidként jelenhetnek meg, a táblázat közepén helyezkednek el.

Most gázálarcot öntünk a második és negyedik rekeszbe Aktív szén(az első partíció és a második, valamint a harmadik és a negyedik között), amelyek elektródaként működnek. Hogy a szén ne folyjon ki a lyukakon keresztül, nejlonszövetbe helyezheti (a női nylon harisnya megfelelő).

Az üzemanyag az első kamrában kering, az ötödikben pedig oxigénszállítónak kell lennie - levegőnek. Az elektródák között elektrolit lesz, és annak megakadályozása érdekében, hogy az ne szivárogjon be a légkamrába, be kell áztatnia benzines paraffin oldattal (2 gramm paraffin és fél pohár benzin aránya) a betöltés előtt. a negyedik kamra szénnel a levegő elektrolit számára. A szénrétegre (enyhén megnyomva) rézlemezeket kell elhelyezni, amelyekhez a vezetékeket forrasztják. Rajtuk keresztül az áram el lesz terelve az elektródákról.

Már csak az elem feltöltése van hátra. Ehhez vodkára van szüksége, amelyet vízzel 1: 1 arányban kell hígítani. Ezután óvatosan adjunk hozzá háromszáz-háromszázötven gramm maró káliumot. Az elektrolithoz 70 gramm kálium-hidroxidot kell feloldani 200 gramm vízben.

Az üzemanyagcella készen áll a tesztelésre. Most egyszerre kell üzemanyagot önteni az első kamrába, és elektrolitot a harmadikba. Az elektródákhoz csatlakoztatott voltmérőnek 07 V és 0,9 V között kell mutatnia. Az elem folyamatos működése érdekében el kell távolítani a kiégett fűtőelemeket (üvegbe kell üríteni), és új üzemanyagot kell hozzáadni (gumi csövön keresztül). Az előtolási sebesség a cső összenyomásával állítható be. Így néz ki laboratóriumi körülmények között egy üzemanyagcella működése, amelynek teljesítménye érthetően csekély.

A nagyobb teljesítmény biztosítása érdekében a tudósok már régóta dolgoznak ezen a problémán. A fejlesztésben lévő aktív acélban metanol és etanol üzemanyagcellák találhatók. De sajnos még nem ültették át a gyakorlatba.

Miért választották az üzemanyagcellát alternatív energiaforrásként?

Alternatív energiaforrásként üzemanyagcellát választottak, mivel abban a hidrogén égésének végterméke víz. Az egyetlen probléma az, hogy olcsó és hatékony módszert találjunk a hidrogén előállítására. A hidrogéngenerátorok és üzemanyagcellák fejlesztésébe fektetett hatalmas pénzeszközök nem hoznak gyümölcsöt, így a technológiai áttörés és a mindennapi életben való valós felhasználásuk csak idő kérdése.

Az autóipar szörnyei: a General Motors, a Honda, a Draimler Coyler, a Ballard már ma is demonstrálnak olyan üzemanyagcellákkal működő buszokat és autókat, amelyek teljesítménye eléri az 50 kW-ot. De a biztonságukkal, megbízhatóságukkal és költségükkel kapcsolatos problémák még nem oldódtak meg. Mint már említettük, a hagyományos áramforrásokkal - akkumulátorokkal és akkumulátorokkal ellentétben - ebben az esetben az oxidálószert és az üzemanyagot kívülről táplálják, és az üzemanyagcella csak közvetítő az üzemanyag elégetésének és a felszabaduló energia elektromos árammá alakításának folyamatában. „Égés” csak akkor következik be, ha az elem árammal látja el a terhelést, mint egy dízel elektromos generátor, de generátor és dízelmotor nélkül, valamint zaj, füst és túlmelegedés nélkül. Ugyanakkor a hatékonyság sokkal magasabb, mivel nincsenek köztes mechanizmusok.

Nagy reményeket fűznek a nanotechnológia és a nanoanyagok használatához, amelyek elősegítik az üzemanyagcellák miniatürizálását, miközben növelik teljesítményüket. Beszámoltak arról, hogy rendkívül hatékony katalizátorokat hoztak létre, valamint olyan üzemanyagcellákat, amelyek nem rendelkeznek membránnal. Ezekben az üzemanyagot (például metánt) az oxidálószerrel együtt szállítják az elemhez. Az érdekes megoldások oxidálószerként a levegőben oldott oxigént, üzemanyagként pedig a szennyezett vizekben felhalmozódó szerves szennyeződéseket használják fel. Ezek úgynevezett bioüzemanyag elemek.

Az üzemanyagcellák a szakértők szerint a következő években megjelenhetnek a tömegpiacon. közzétett

Csatlakozz hozzánk

Azonnal figyelmeztetlek, hogy ez a téma nem teljesen a Habr témája, de az MIT-ben kifejlesztett elemről szóló poszthoz fűzött kommentekben az ötlet támogatottnak tűnt, így az alábbiakban leírok néhány gondolatot a bioüzemanyagról elemeket.
A témával kapcsolatos munkát én 11. osztályban végeztem, és az INTEL ISEF nemzetközi konferencián második helyezést értem el.

Az üzemanyagcella olyan kémiai áramforrás, amelyben egy redukálószer (tüzelőanyag) és egy oxidálószer kémiai energiája folyamatosan és külön-külön az elektródákhoz jutva közvetlenül elektromos energiává alakul át.
energia. Az üzemanyagcella (FC) sematikus diagramja az alábbiakban látható:

Az üzemanyagcella anódból, katódból, ionvezetőből, anódból és katódkamrából áll. A bioüzemanyag cellák teljesítménye jelenleg nem elegendő az ipari méretű felhasználáshoz, de a kis teljesítményű BFC-k gyógyászati ​​célokra is használhatók, mint érzékeny szenzorok, mivel a bennük lévő áramerősség arányos a feldolgozott üzemanyag mennyiségével.
A mai napig számos tüzelőanyag-cella kialakítási változatot javasoltak. Az üzemanyagcella kialakítása minden konkrét esetben az üzemanyagcella rendeltetésétől, a reagens típusától és az ionvezetőtől függ. Egy speciális csoportba tartoznak a biológiai katalizátorokat használó bioüzemanyag-cellák. A biológiai rendszerek fontos megkülönböztető jellemzője, hogy alacsony hőmérsékleten képesek szelektíven oxidálni a különféle tüzelőanyagokat.
A legtöbb esetben immobilizált enzimeket használnak a bioelektrokatalízisben, azaz. élő szervezetekből izolált és hordozóhoz rögzített, de katalitikus aktivitást (részben vagy teljesen) megőrző enzimek, amelyek lehetővé teszik azok újrafelhasználását. Tekintsük a bioüzemanyag-cella példáját, amelyben az enzimatikus reakció elektród reakcióval párosul közvetítő segítségével. A glükóz-oxidázon alapuló bioüzemanyag cella sémája:

A bioüzemanyag-cella két aranyból, platinából vagy szénből készült inert elektródából áll, amelyeket pufferoldatba merítenek. Az elektródákat ioncserélő membrán választja el egymástól: az anódkamrát levegővel, a katódteret nitrogénnel öblítjük át. A membrán lehetővé teszi a sejt elektródarekeszeiben lezajló reakciók térbeli szétválasztását, egyúttal biztosítja közöttük a protoncserét. Bioszenzorokhoz alkalmas membránok különböző típusok számos cég gyártja az Egyesült Királyságban (VDN, VIROKT).
A glükóz 20 °C-on glükóz-oxidázt és oldható mediátort tartalmazó bioüzemanyag cellába történő bevezetése elektronok áramlását eredményezi az enzimtől az anódig a közvetítőn keresztül. Az elektronok a külső áramkörön keresztül eljutnak a katódra, ahol ideális körülmények között protonok és oxigén jelenlétében víz képződik. A keletkező áram (telítés hiányában) arányos a sebességet meghatározó komponens (glükóz) hozzáadásával. Az állóáramok mérésével gyorsan (5 s) meghatározhatja a glükóz alacsony koncentrációit is - akár 0,1 mM-ig. Szenzorként a leírt bioüzemanyag-cellának vannak bizonyos korlátai a közvetítő jelenlétével, valamint bizonyos követelményekkel az oxigén katóddal és membránnal szemben. Ez utóbbinak meg kell tartania az enzimet, és ugyanakkor át kell engednie a kis molekulatömegű komponenseket: gáz, mediátor, szubsztrát. Az ioncserélő membránok általában kielégítik ezeket a követelményeket, bár diffúziós tulajdonságaik a pufferoldat pH-jától függenek. A komponensek diffúziója a membránon keresztül az elektrontranszfer hatékonyságának csökkenéséhez vezet a mellékreakciók miatt.
Ma már léteznek enzimkatalizátoros üzemanyagcellák laboratóriumi modelljei, amelyek jellemzői nem felelnek meg gyakorlati alkalmazásuk követelményeinek. A következő néhány év fő erőfeszítései a bioüzemanyag-cellák finomítására irányulnak majd, és a bioüzemanyag-cellák további alkalmazásai inkább az orvostudományhoz kapcsolódnak majd, például: oxigént és glükózt használó beültethető bioüzemanyag-cella.
Enzimek elektrokatalízisben történő alkalmazásakor a fő megoldandó probléma az enzimreakció elektrokémiaival való összekapcsolása, vagyis az enzim aktív centrumából az elektródára való hatékony elektrontranszport biztosítása, ami a a következő módokon:
1. Elektronok átvitele az enzim aktív központjából az elektródára kis molekulatömegű hordozó - mediátor segítségével (mediátor bioelektrokatalízis).
2. Az enzim aktív helyeinek közvetlen, direkt oxidációja és redukciója az elektródán (direkt bioelektrokatalízis).
Ebben az esetben az enzimatikus és elektrokémiai reakciók közvetítő kapcsolása négyféleképpen valósítható meg:
1) az enzim és a mediátor az oldat nagy részében van, és a mediátor az elektróda felületére diffundál;
2) az enzim az elektród felületén, a mediátor pedig az oldat térfogatában van;
3) az enzim és a mediátor immobilizálva van az elektróda felületén;
4) a mediátort az elektróda felületére varrják, és az enzim oldatban van.

Ebben a munkában a lakkáz az oxigénredukció katódos reakciójának katalizátoraként, a glükóz-oxidáz (GOD) pedig a glükóz oxidáció anódos reakciójának katalizátoraként szolgált. Az enzimeket kompozit anyagok részeként alkalmazták, amelyek létrehozása az egyik legfontosabb lépése a bioüzemanyag cellák létrehozásának, amelyek egyben analitikai szenzorként is szolgálnak. Ebben az esetben a biokompozit anyagoknak szelektivitást és érzékenységet kell biztosítaniuk a szubsztrát meghatározásához, ugyanakkor magas, az enzimaktivitást megközelítő bioelektrokatalitikus aktivitással kell rendelkezniük.
A lakkáz egy réz tartalmú oxidoreduktáz, melynek fő funkciója natív körülmények között a szerves szubsztrátok (fenolok és származékaik) oxigénnel történő oxidációja, amely vízzé redukálódik. Az enzim molekulatömege 40 000 g/mol.

A mai napig kimutatták, hogy a lakkáz a legaktívabb elektrokatalizátor az oxigén redukciójában. Jelenléte az elektródán oxigénatmoszférában az egyensúlyi oxigénpotenciálhoz közeli potenciál jön létre, és az oxigén redukciója közvetlenül a vízben történik.
A katódos reakció (oxigénredukció) katalizátoraként lakkáz, acetilénfekete AD-100 és Nafion alapú kompozit anyagot használtak. A kompozit különlegessége a szerkezete, amely biztosítja az enzimmolekula elektronvezető mátrixhoz viszonyított, a közvetlen elektrontranszferhez szükséges orientációját. A lakkáz specifikus bioelektrokatalitikus aktivitása az enzimatikus katalízisben megfigyelt kompozit megközelítésekben. Az enzimatikus és elektrokémiai reakciók összekapcsolásának módja lakkáz esetén, i.e. módszer egy elektron átvitelére a szubsztrátról a lakkáz enzim aktív központján keresztül egy elektródára - közvetlen bielektrokatalízis.

A glükóz-oxidáz (GOD) az oxidoreduktáz osztályba tartozó enzim, két alegysége van, amelyek mindegyikének saját aktív központja van - (flavin-adenin-dinukleotid) FAD. A GOD egy enzim, amely szelektív az elektrondonorra, a glükózra, és számos szubsztrátot használhat elektronakceptorként. Az enzim molekulatömege 180 000 g/mol.

Ebben a munkában egy GOD és ferrocén (FC) alapú kompozit anyagot használtunk a glükóz anódos oxidációjához közvetítő mechanizmuson keresztül. A kompozit anyag GOD-t, nagy diszperzitású kolloid grafitot (HCG), Fc-t és Nafiont tartalmaz, amelyek lehetővé tették egy magasan fejlett felületű elektronvezető mátrix előállítását, biztosítják a reagensek hatékony szállítását a reakciózónába és a kompozit stabil tulajdonságait. anyag. Eljárás enzimatikus és elektrokémiai reakciók összekapcsolására, pl. biztosítva az elektronok hatékony transzportját a GOD aktív centrumától a mediátor elektródáig, miközben az enzim és a mediátor az elektród felületén immobilizálódott. A ferrocént mediátorként – elektronakceptorként – használták. Amikor egy szerves szubsztrátot, a glükózt oxidálják, a ferrocén redukálódik, majd az elektródánál oxidálódik.

Ha valakit érdekel, részletesen le tudom írni az elektródabevonat beszerzésének menetét, de ehhez érdemesebb személyes üzenetben írni. A témában pedig egyszerűen leírom a kapott szerkezetet.

1. Kr.u.-100.
2. lakkáz.
3. hidrofób porózus hordozó.
4. Nafion.

A választók fogadása után közvetlenül a kísérleti részre tértünk át. Így nézett ki a munkacellánk:

1. Ag/AgCl referenciaelektróda;
2. munkaelektróda;
3. segédelektróda - Рt.
A glükóz-oxidázzal végzett kísérletben - öblítés argonnal, lakkázzal - oxigénnel.

A kormon lévő oxigén redukciója lakkáz hiányában nulla alatti potenciáloknál történik, és két szakaszban megy végbe: a hidrogén-peroxid közbenső képződésén keresztül. Az ábra az oxigén elektroredukciójának polarizációs görbéjét mutatja AD-100-on immobilizált lakkázzal, amelyet oxigénatmoszférában, 4,5 pH-jú oldatban nyernek. Ilyen körülmények között az egyensúlyi oxigénpotenciálhoz (0,76 V) közel álló stacionárius potenciál jön létre. 0,76 V katódpotenciálnál az oxigén katalitikus redukciója figyelhető meg az enzimelektródán, amely a közvetlen bioelektrokatalízis mechanizmusán keresztül közvetlenül a vízbe jut. A 0,55 V katód alatti potenciáltartományban a görbén egy plató figyelhető meg, amely megfelel az oxigénredukció korlátozó kinetikus áramának. A határáram körülbelül 630 μA/cm2 volt.

A GOD Nafion, ferrocén és VKG alapú kompozit anyag elektrokémiai viselkedését ciklikus voltammetriával (CV) vizsgáltuk. A kompozit anyag állapotát glükóz hiányában foszfátpufferoldatban töltési görbék segítségével követtük. A töltési görbén (–0,40) V potenciálnál a GOD - (FAD) aktív centrumának redox átalakulásával kapcsolatos maximumok, 0,20-0,25 V-on pedig a ferrocén oxidációjának és redukciójának maximumai figyelhetők meg.

A kapott eredményekből az következik, hogy az oxigénreakció katalizátoraként lakkázt tartalmazó katód és a glükóz oxidációjához glükóz-oxidáz alapú anód alapján alapvető lehetőség van bioüzemanyag cella létrehozására. Igaz, ezen az úton számos akadály van, például az enzimaktivitás csúcsai figyelhetők meg különböző pH-szinteken. Ez vezetett ahhoz, hogy a BFC-t ioncserélő membránnal egészítsék ki, amely lehetővé teszi a cella elektródarekeszeiben lezajló reakciók térbeli elkülönítését, és egyben biztosítja a köztük lévő protoncserét. A levegő belép az anódrekeszbe.
A glükóz bevitele a glükóz-oxidázt és egy közvetítőt tartalmazó bioüzemanyag cellába elektronok áramlását eredményezi az enzimtől az anódig a közvetítőn keresztül. Az elektronok a külső áramkörön keresztül eljutnak a katódra, ahol ideális körülmények között protonok és oxigén jelenlétében víz képződik. A keletkező áram (telítés hiányában) arányos a sebességet meghatározó komponens, a glükóz hozzáadásával. Az állóáramok mérésével gyorsan (5 s) meghatározhatja a glükóz alacsony koncentrációit is - akár 0,1 mM-ig.

Sajnos ennek a BFC-nek az ötletét nem tudtam gyakorlati megvalósításba vinni, mert A 11. osztály után azonnal programozónak mentem tanulni, amit a mai napig szorgalmasan végzek. Köszönöm mindenkinek, aki kitöltötte.

Már senkit sem lep meg sem napelemekkel, sem szélturbinákkal, amelyek a világ minden régiójában termelnek áramot. De ezeknek az eszközöknek a teljesítménye nem állandó, és szükség van tartalék áramforrások telepítésére vagy a hálózatra való csatlakozásra, hogy áramot nyerjenek abban az időszakban, amikor a megújuló energiaforrások nem termelnek áramot. Vannak azonban olyan, a 19. században kifejlesztett üzemek, amelyek „alternatív” tüzelőanyagot használnak elektromos áram előállítására, azaz nem égetnek el gázt vagy kőolajterméket. Az ilyen létesítmények üzemanyagcellák.

A TEREMTÉS TÖRTÉNETE

Az üzemanyagcellákat (FC) vagy üzemanyagcellákat 1838-1839-ben fedezte fel William Grove (Grove, Grove), amikor a víz elektrolízisét tanulmányozta.

Segítség: A víz elektrolízise a víz elektromos áram hatására bomlási folyamata hidrogén- és oxigénmolekulákra

Miután leválasztotta az akkumulátort az elektrolitikus celláról, meglepődve tapasztalta, hogy az elektródák elkezdték elnyelni a felszabaduló gázt és áramot termelni. A hidrogén elektrokémiai „hideg” égetésének folyamatának felfedezése jelentős esemény volt az energiaiparban. Később megalkotta a Grove akkumulátort. Ennek az eszköznek egy salétromsavba merített platinaelektródája és egy cink-szulfátba merített cinkelektródája volt. 12 amper áramot és 8 volt feszültséget generált. Grow maga nevezte ezt a tervezést "nedves akkumulátor". Ezután két platinaelektróda felhasználásával egy akkumulátort készített. Mindegyik elektróda egyik vége kénsavban volt, a másik végét pedig hidrogénnel és oxigénnel ellátott tartályokba zártuk. Az elektródák között stabil áram volt, és a tartályokban lévő víz mennyisége megnőtt. A Grow képes volt lebontani és javítani a vizet ebben az eszközben.

"Akkumulátor növekedés"

(forrás: Royal Society of the National Museum of Natural History)

Az „üzemanyagcella” (angolul „Fuel Cell”) kifejezés csak 1889-ben jelent meg L. Mond és
C. Langer, aki megpróbált létrehozni egy berendezést elektromos áram előállítására levegőből és széngázból.

HOGYAN MŰKÖDIK?

Az üzemanyagcella viszonylag egyszerű eszköz. Két elektródája van: anód (negatív elektróda) ​​és katód (pozitív elektróda). Az elektródákon kémiai reakció megy végbe. A gyorsítás érdekében az elektródák felületét katalizátorral vonják be. Az FC-k még egy elemmel vannak felszerelve - membrán. A tüzelőanyag kémiai energiája közvetlenül elektromos árammá alakul át a membrán munkájának köszönhetően. Elválasztja az elem két kamráját, amelybe az üzemanyag és az oxidálószer kerül. A membrán csak az üzemanyag-hasadás eredményeként keletkező protonokat engedi át egyik kamrából a másikba egy katalizátorral bevont elektródán (az elektronok egy külső áramkörön haladnak keresztül). A második kamrában a protonok elektronokkal (és oxigénatomokkal) egyesülve vizet képeznek.

A hidrogén üzemanyagcella működési elve

Kémiai szinten a tüzelőanyag-energia elektromos energiává alakításának folyamata hasonló a hagyományos égési folyamathoz (oxidáció).

Az oxigénben történő normál égés során a szerves tüzelőanyag oxidációja következik be, és az üzemanyag kémiai energiája hőenergiává alakul. Nézzük meg, mi történik a hidrogén oxigénnel történő oxidációja során elektrolit környezetben és elektródák jelenlétében.

A lúgos környezetben elhelyezkedő elektródák hidrogénnel való ellátásával kémiai reakció megy végbe:

2H 2 + 4OH - → 4H 2 O + 4e -

Amint látható, elektronokat kapunk, amelyek a külső áramkörön áthaladva a szemközti elektródához érkeznek, amelyre oxigén áramlik, és ahol a reakció végbemegy:

4e- + O 2 + 2H 2 O → 4OH -

Látható, hogy a létrejövő 2H 2 + O 2 → H 2 O reakció megegyezik a normál égés során tapasztaltakkal, de Az üzemanyagcella elektromos áramot és némi hőt termel.

AZ ÜZEMANYAGCELLA TÍPUSAI

Az üzemanyagcellákat a reakcióhoz használt elektrolit típusa szerint szokás osztályozni:

Vegye figyelembe, hogy az üzemanyagcellák tüzelőanyagként szenet, szén-monoxidot, alkoholokat, hidrazint és más szerves anyagokat, oxidálószerként pedig levegőt, hidrogén-peroxidot, klórt, brómot, salétromsavat stb.

ÜZEMANYAGCELLA HATÉKONYSÁG

Az üzemanyagcellák egyik jellemzője nincs szigorú hatékonysági korlátozás, mint a hőmotorok.

Segítség: HatékonyságCarnot ciklus a lehető legmagasabb hatásfok az azonos minimális és maximális hőmérsékletű hőmotorok közül.

Ezért az üzemanyagcellák hatásfoka elméletben 100%-nál is magasabb lehet. Sokan mosolyogva azt gondolták: „Az örökmozgót feltalálták.” Nem, itt vissza kell mennünk az iskolai kémia tanfolyamra. Az üzemanyagcella a kémiai energia elektromos energiává alakításán alapul. Itt történnek a csodák. Bizonyos kémiai reakciók lezajlásuk során hőt vonhatnak el a környezetből.

Segítség: Az endoterm reakciók olyan kémiai reakciók, amelyeket hőfelvétel kísér. Az endoterm reakciók esetében az entalpia és a belső energia változásainak pozitív értékei vannak (Δ H >0, Δ U >0), így a reakciótermékek több energiát tartalmaznak, mint a kiindulási komponensek.

Ilyen reakció például a hidrogén oxidációja, amelyet a legtöbb üzemanyagcellában használnak. Ezért elméletileg a hatásfok több mint 100%. De manapság az üzemanyagcellák működés közben felmelegszenek, és nem tudnak hőt felvenni a környezetből.

Segítség: Ezt a korlátozást a termodinamika második főtétele szabja meg. A hőátadás folyamata a „hideg” testről a „forró” testre nem lehetséges.

Ráadásul a nem egyensúlyi folyamatokhoz kapcsolódó veszteségek is vannak. Ilyenek: az elektrolit és az elektródák fajlagos vezetőképességéből adódó ohmos veszteségek, aktiválási és koncentrációs polarizáció, diffúziós veszteségek. Ennek eredményeként az üzemanyagcellákban termelt energia egy része hővé alakul. Ezért az üzemanyagcellák nem örökmozgó gépek, és hatékonyságuk 100% alatti. De hatékonyságuk nagyobb, mint más gépeké. Ma Az üzemanyagcellás hatékonyság eléri a 80%-ot.

Referencia: A negyvenes években T. Bacon angol mérnök tervezett és épített üzemanyagcellákból álló akkumulátort, amelynek összteljesítménye 6 kW, hatásfoka 80%, tiszta hidrogénnel és oxigénnel működik, de az akkumulátor teljesítmény-tömeg aránya. túl kicsinek bizonyult - az ilyen elemek gyakorlati használatra alkalmatlanok és túl drágák voltak (forrás: http://www.powerinfo.ru/).

ÜZEMANYAGCELLA PROBLÉMÁK

Szinte minden üzemanyagcella hidrogént használ üzemanyagként, így felmerül a logikus kérdés: „Hol szerezhetem be?”

Úgy tűnik, hogy az elektrolízis eredményeként egy üzemanyagcellát fedeztek fel, így lehetőség nyílik az elektrolízis eredményeként felszabaduló hidrogén hasznosítására. De nézzük meg ezt a folyamatot részletesebben.

Faraday törvénye szerint: egy anyag mennyisége, amely az anódnál oxidálódik, vagy a katódon redukálódik, arányos az elektroliton áthaladó elektromosság mennyiségével. Ez azt jelenti, hogy ahhoz, hogy több hidrogénhez jusson, több áramot kell költenie. A víz elektrolízisének jelenlegi módszerei egynél kisebb hatásfokkal működnek. Ezután a keletkező hidrogént üzemanyagcellákban használjuk fel, ahol a hatásfok is egységnyinél kisebb. Ezért több energiát fogunk költeni, mint amennyit elő tudunk állítani.

Természetesen használhat földgázból előállított hidrogént. A hidrogén előállításának ez a módja továbbra is a legolcsóbb és legnépszerűbb. Jelenleg a világon termelt hidrogén mintegy 50%-a földgázból származik. A hidrogén tárolásával és szállításával azonban gond van. A hidrogénnek alacsony a sűrűsége ( egy liter hidrogén súlya 0,0846 g), így ahhoz, hogy ide szállítsák hosszútávössze kell tömöríteni. És ezek további energia- és pénzköltségek. Ezenkívül ne feledkezzünk meg a biztonságról.

Azonban itt is van megoldás - folyékony szénhidrogén üzemanyag használható hidrogénforrásként. Például etil- vagy metil-alkohol. Igaz, ehhez speciális kiegészítő eszközre van szükség - üzemanyag-átalakítóra, amikor magas hőmérsékletű(metanolnál ez valahol 240°C körül lesz) az alkoholok átalakítása gázhalmazállapotú H 2 és CO 2 keverékévé. De ebben az esetben már nehezebb a hordozhatóságra gondolni - az ilyen eszközöket jó helyhez kötött vagy autós generátorként használni, de a kompakt mobil berendezésekhez valami kevésbé terjedelmesre van szükség.

Katalizátor

Az üzemanyagcellában a reakció fokozása érdekében az anód felületét általában katalizátorral kezelik. Egészen a közelmúltig a platinát katalizátorként használták. Ezért az üzemanyagcella költsége magas volt. Másodszor, a platina egy viszonylag ritka fém. Szakértők szerint az üzemanyagcellák ipari gyártásával a bevált platinatartalékok 15-20 éven belül elfogynak. De a tudósok szerte a világon megpróbálják a platinát más anyagokkal helyettesíteni. Egyébként néhányan jó eredményeket értek el. Tehát a kínai tudósok a platinát kalcium-oxiddal helyettesítették (forrás: www.cheburek.net).

ÜZEMANYAGCELLÁK HASZNÁLATA

Az első üzemanyagcellát az autóiparban 1959-ben tesztelték. Az Alice-Chambers traktor 1008 akkumulátorral működött. Az üzemanyag gázok, főként propán és oxigén keveréke volt.

Forrás: http://www.planetseed.com/

A hatvanas évek közepe óta, az „űrverseny” csúcspontján az űrrepülőgépek alkotói érdeklődtek az üzemanyagcellák iránt. Tudósok és mérnökök ezreinek munkája tette lehetővé, hogy új szintre lépjünk, és 1965. Az üzemanyagcellákat az Egyesült Államokban tesztelték a Gemini 5 űrszondán, majd később az Apollo űrszondán a Holdra való repülésekhez és a Shuttle programhoz. A Szovjetunióban üzemanyagcellákat fejlesztettek ki az NPO Kvantnál, űrben való használatra is (forrás: http://www.powerinfo.ru/).

Mivel az üzemanyagcellában a hidrogén égésének végterméke víz, ezért a környezetterhelés szempontjából ezeket tekintik a legtisztábbnak. Ezért az üzemanyagcellák népszerűvé váltak a környezet iránti általános érdeklődés hátterében.

Az olyan autógyártók, mint a Honda, a Ford, a Nissan és a Mercedes-Benz már létrehoztak hidrogén üzemanyagcellás autókat.

Mercedes-Benz – hidrogénnel hajtott Ener-G-Force

Hidrogén autók használata esetén a hidrogéntárolás problémája megoldódik. A hidrogén benzinkutak építése lehetővé teszi, hogy bárhol tankoljanak. Sőt, egy autót hidrogénnel tankolni gyorsabb, mint egy elektromos autót benzinkúton feltölteni. Az ilyen projektek megvalósítása során azonban az elektromos járművekhez hasonló problémával találkoztunk. Az emberek készen állnak arra, hogy hidrogénes autóra váltsanak, ha van számukra infrastruktúra. A benzinkutak építése pedig megfelelő számú fogyasztó esetén megkezdődik. Ezért ismét elérkeztünk a tojás és a csirke dilemmájához.

Az üzemanyagcellákat széles körben használják mobiltelefonokban és laptopokban. Már eltelt az idő, amikor a telefont hetente egyszer töltötték. Most már szinte minden nap töltődik a telefon, a laptop pedig 3-4 órát működik hálózat nélkül. Ezért a mobiltechnológiai gyártók úgy döntöttek, hogy üzemanyagcellát szintetizálnak telefonokkal és laptopokkal a töltéshez és a működéshez. Például a Toshiba cég 2003-ban. bemutatta a metanol üzemanyagcella kész prototípusát. Körülbelül 100 mW teljesítményt termel. Egy utántöltés 2 kocka tömény (99,5%) metanolból elegendő az MP3 lejátszó 20 órás működéséhez. Ugyanez a Toshiba ismét bemutatott egy 275 x 75 x 40 mm-es laptopok táplálására szolgáló cellát, amely lehetővé teszi a számítógép 5 órán keresztüli működését egyetlen töltéssel.

Néhány gyártó azonban tovább ment. A PowerTrekk cég egy azonos nevű töltőt adott ki. A PowerTrekk a világ első víztöltője. Nagyon könnyen használható. A PowerTrekk víz hozzáadása szükséges ahhoz, hogy az USB-kábelen keresztül azonnali áramot biztosítson. Ez az üzemanyagcella szilíciumport és nátrium-szilicidet (NaSi) tartalmaz vízzel keverve, a kombináció hidrogént termel. A hidrogén levegővel keveredik magában az üzemanyagcellában, és a hidrogént a membrán-proton cseréje révén, ventilátorok és szivattyúk nélkül alakítja elektromossággá. Egy ilyen hordozható töltőt 149 €-ért vásárolhat (

Az üzemanyagcellák (elektrokémiai generátorok) egy nagyon hatékony, tartós, megbízható és környezetbarát energiatermelési módszert képviselnek. Kezdetben csak az űriparban használták őket, de ma már egyre több területen alkalmazzák az elektrokémiai generátorokat: mobiltelefonok és laptopok tápegységei, járműmotorok, épületek autonóm áramforrásai, helyhez kötött erőművek. Ezen eszközök egy része laboratóriumi prototípusként működik, míg másokat demonstrációs célokra használnak, vagy gyártás előtti tesztelés alatt állnak. Sok modellt azonban már használnak kereskedelmi projektekben, és tömeggyártásban készülnek.

Eszköz

Az üzemanyagcellák olyan elektrokémiai eszközök, amelyek képesek a meglévő kémiai energia magas átalakítására elektromos energiává.

Az üzemanyagcellás eszköz három fő részből áll:

1. Energiatermelési szakasz;
2. CPU;
3. Feszültség transzformátor.

Az üzemanyagcella fő része az energiatermelő rész, amely egy egyedi üzemanyagcellákból álló akkumulátor. Az üzemanyagcellás elektródák szerkezetében platina katalizátor található. Ezeket a cellákat használva állandó elektromos áram jön létre.

Az egyik ilyen eszköz a következő jellemzőkkel rendelkezik: 155 voltos feszültség mellett 1400 amper keletkezik. Az akkumulátor méretei: 0,9 m szélesség és magasság, valamint 2,9 m hosszúság. Az elektrokémiai folyamatot 177 °C-os hőmérsékleten hajtják végre, amihez az akkumulátor felmelegítése az indításkor, valamint a működés során hőelvonás szükséges. Ebből a célból az üzemanyagcella külön vízkört tartalmaz, az akkumulátor pedig speciális hűtőlemezekkel van felszerelve.

Az üzemanyag-eljárás során a földgázt hidrogénné alakítják, amelyre az elektrokémiai reakcióhoz van szükség. Az üzemanyag-feldolgozó fő eleme a reformer. Ebben a földgáz (vagy más hidrogéntartalmú üzemanyag) nagy nyomáson és magas hőmérsékleten (körülbelül 900 ° C) kölcsönhatásba lép a vízgőzzel nikkelkatalizátor hatására.

A reformátor kívánt hőmérsékletének fenntartásához égő van beépítve. A kondenzátumból keletkezik a reformáláshoz szükséges gőz. Az üzemanyagcellás akkumulátorban instabil egyenáram keletkezik, amelynek átalakítására feszültségátalakítót használnak.

A feszültségátalakító blokkban is vannak:

• Vezérlő eszközök.
• Biztonsági reteszelő áramkörök, amelyek különböző hibák esetén leállítják az üzemanyagcellát.

Működési elve

A legegyszerűbb protoncserélő membráncella egy polimer membránból áll, amely az anód és a katód között helyezkedik el, valamint a katód- és anódkatalizátorokból. A polimer membránt elektrolitként használják.

• A protoncserélő membrán vékony, kis vastagságú, szilárd szerves vegyületnek tűnik. Ez a membrán elektrolitként működik, víz jelenlétében az anyagot negatív és pozitív töltésű ionokra választja szét.
• Az oxidáció az anódnál kezdődik, és a redukció a katódon történik. A PEM cellában lévő katód és anód porózus anyagból készül, platina és szénrészecskék keveréke. A platina katalizátorként működik, amely elősegíti a disszociációs reakciót. A katód és az anód porózussá válik, így az oxigén és a hidrogén szabadon áthalad rajtuk.
• Az anód és a katód két fémlemez között helyezkedik el, oxigénnel és hidrogénnel látják el a katódot és az anódot, valamint eltávolítják az elektromos energiát, a hőt és a vizet.
• A lemezen lévő csatornákon keresztül a hidrogénmolekulák bejutnak az anódba, ahol a molekulák atomokra bomlanak.
• A katalizátor hatására végzett kemiszorpció eredményeként a hidrogénatomok pozitív töltésű H+ hidrogénionokká, azaz protonokká alakulnak.
• A protonok a membránon keresztül diffundálnak a katódra, és egy speciális külső elektromos áramkörön keresztül elektronáram jut a katódra. Egy terhelés csatlakozik hozzá, azaz elektromos energia fogyasztó.
• A katódba juttatott oxigén expozíció után kémiai reakcióba lép a külső elektromos áramkör elektronjaival és a protoncserélő membrán hidrogénionjaival. A kémiai reakció eredményeként víz jelenik meg.

A más típusú üzemanyagcellákban végbemenő kémiai reakció (például savas elektrolittal ortofoszforsav H3PO4 formájában) teljesen megegyezik egy eszköz reakciójával egy protoncserélő membránnal.

Fajták

Jelenleg többféle üzemanyagcella ismert, amelyek különböznek a felhasznált elektrolit összetételében:

• Ortofoszforsav vagy foszforsav alapú üzemanyagcellák (PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cells).
• Protoncserélő membránnal rendelkező eszközök (PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cells).
• Szilárd oxid üzemanyagcellák (SOFC, Solid Oxide Fuel Cells).
• Olvadt karbonát alapú elektrokémiai generátorok (MCFC, Molten Carbonate Fuel Cells).

Jelenleg a PAFC technológiát alkalmazó elektrokémiai generátorok egyre szélesebb körben elterjedtek.

Alkalmazás

Ma üzemanyagcellákat használnak a Space Shuttle, újrafelhasználható űrrepülőgépekben. 12 W-os egységeket használnak. Ők állítják elő az űrszondán lévő összes elektromosságot. Az elektrokémiai reakció során keletkező vizet ivásra használják, beleértve a hűtőberendezéseket is.

Elektrokémiai generátorokat is használtak a szovjet Buran, egy újrafelhasználható űrhajó meghajtására.

Az üzemanyagcellákat a polgári szektorban is használják.

• Helyhez kötött berendezések 5-250 kW és nagyobb teljesítménnyel. Önálló forrásként használják ipari, köz- és lakóépületek hő- és áramellátására, vészhelyzeti és tartalék tápegységekre, valamint szünetmentes tápegységekre.
• 1-50 kW teljesítményű hordozható egységek. Űrműholdakhoz és hajókhoz használják. Példányokat készítenek golfkocsikhoz, kerekesszékekhez, vasúti és teherszállító hűtőkhöz, valamint útjelző táblákhoz.
• 25-150 kW teljesítményű mobil berendezések. Katonai hajókban és tengeralattjárókban kezdik használni, beleértve az autókat és más járműveket is. Prototípusokat már készítettek olyan autóipari óriások, mint a Renault, Neoplan, Toyota, Volkswagen, Hyundai, Nissan, VAZ, General Motors, Honda, Ford és mások.
• 1-500 W teljesítményű mikrokészülékek. Alkalmazhatóak a fejlett kézi számítógépekben, laptopokban, fogyasztói elektronikai eszközökben, mobiltelefonokban és modern katonai eszközökben.

Sajátosságok

• Az egyes üzemanyagcellákban a kémiai reakcióból származó energia egy része hőként szabadul fel. Hűtés szükséges. Egy külső áramkörben az elektronok áramlása egyenáramot hoz létre, amelyet a munka elvégzésére használnak. A hidrogénionok mozgásának leállítása vagy a külső áramkör kinyitása a kémiai reakció leállásához vezet.
• Az üzemanyagcellák által termelt villamos energia mennyiségét a gáznyomás, a hőmérséklet, a geometriai méretek és az üzemanyagcella típusa határozza meg. A reakció által termelt villamos energia mennyiségének növelésére az üzemanyagcellákat nagyobbra is lehet készíteni, de a gyakorlatban több cellát használnak, amelyeket akkumulátorokká kombinálnak.
• A kémiai folyamat bizonyos típusú üzemanyagcellákban megfordítható. Ez azt jelenti, hogy amikor potenciálkülönbséget alkalmaznak az elektródákon, a víz oxigénre és hidrogénre bomlik, amelyek a porózus elektródákon összegyűlnek. Amikor a terhelést bekapcsolják, egy ilyen üzemanyagcella elektromos energiát termel.

Kilátások

Jelenleg az elektrokémiai generátorok nagy kezdeti költségeket igényelnek, hogy fő energiaforrásként használják őket. A stabilabb, nagy vezetőképességű membránok, a hatékony és olcsó katalizátorok, valamint az alternatív hidrogénforrások bevezetésével az üzemanyagcellák gazdaságilag rendkívül vonzóvá válnak, és mindenhol bevezetésre kerülnek.

• Az autók üzemanyagcellákkal működnek, belső égésű motorok egyáltalán nem lesznek. Víz vagy szilárd halmazállapotú hidrogén kerül felhasználásra energiaforrásként. A tankolás egyszerű és biztonságos lesz, a vezetés pedig környezetbarát – csak vízgőz keletkezik.
• Minden épületnek saját hordozható üzemanyagcellás áramfejlesztője lesz.
• Az elektrokémiai generátorok minden elemet kicserélnek, és minden elektronikai és háztartási készülékbe beépítik.

Előnyök és hátrányok

Minden üzemanyagcella típusnak megvannak a maga hátrányai és előnyei. Egyesek jó minőségű üzemanyagot igényelnek, mások összetett kialakításúak és magas üzemi hőmérsékletet igényelnek.

Általánosságban elmondható, hogy az üzemanyagcellák következő előnyei vannak:

• környezetbiztonság;
• az elektrokémiai generátorokat nem kell újratölteni;
• az elektrokémiai generátorok folyamatosan energiát tudnak termelni, nem törődnek a külső körülményekkel;
• méretbeli rugalmasság és hordozhatóság.

A hátrányok közé tartozik:

• műszaki nehézségek az üzemanyag tárolásával és szállításával kapcsolatban;
• az eszköz tökéletlen elemei: katalizátorok, membránok stb.

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

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

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

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

Szilárd oxid cellák

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

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

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

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

Az üzemanyagcellák típusai

Jelenleg a következő típusú üzemanyagcellák léteznek:

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

Az üzemanyagcellák/cellák előnyei

Az üzemanyagcella/cella olyan eszköz, amely elektrokémiai reakcióval hatékonyan állít elő egyenáramot és hőt hidrogénben gazdag üzemanyagból.

Az üzemanyagcella abban hasonlít az akkumulátorhoz, hogy kémiai reakción keresztül egyenáramot állít elő. Az üzemanyagcella anódot, katódot és elektrolitot tartalmaz. Az akkumulátoroktól eltérően azonban az üzemanyagcellák nem képesek elektromos energiát tárolni, és nem kisülnek, illetve nem igényelnek áramot az újratöltéshez. Az üzemanyagcellák/cellák folyamatosan képesek villamos energiát termelni mindaddig, amíg rendelkeznek üzemanyaggal és levegővel.

Más áramfejlesztőkkel ellentétben, mint például a belső égésű motorok vagy a gázzal, szénnel, fűtőolajjal stb. működő turbinák, az üzemanyagcellák/cellák nem égetnek üzemanyagot. Ez azt jelenti, hogy nincsenek zajos nagynyomású rotorok, nincs hangos kipufogó zaj, nincs vibráció. Az üzemanyagcellák/cellák csendes elektrokémiai reakcióval termelnek villamos energiát. Az üzemanyagcellák/cellák másik jellemzője, hogy az üzemanyag kémiai energiáját közvetlenül elektromos árammá, hővé és vízzé alakítják.

Az üzemanyagcellák rendkívül hatékonyak, és nem termelnek nagy mennyiségű üvegházhatású gázt, például szén-dioxidot, metánt és dinitrogén-oxidot. Az egyetlen kibocsátási termék a működés során a víz gőz formájában és kis mennyiségű szén-dioxid, amely egyáltalán nem szabadul fel, ha tiszta hidrogént használnak üzemanyagként. Az üzemanyag-elemeket/cellákat szerelvényekké, majd egyedi funkcionális modulokká szerelik össze.

Az üzemanyagcellák/cellák fejlődésének története

Az 1950-es és 1960-as években az egyik legsürgetőbb kihívás az üzemanyagcellák számára a National Aeronautics and Space Administration (NASA) energiaforrások iránti igényéből fakadt a hosszú távú űrmissziókhoz. A NASA lúgos üzemanyagcellája hidrogént és oxigént használ üzemanyagként a két kémiai elem elektrokémiai reakcióban való egyesítése révén. A kimenet az űrrepülés során bekövetkező reakció három hasznos mellékterméke: elektromos áram az űrhajók energiaellátásához, víz az ivó- és hűtőrendszerekhez, valamint hő az űrhajósok felmelegítéséhez.

Az üzemanyagcellák felfedezése a 19. század elejére nyúlik vissza. Az üzemanyagcellák hatásának első bizonyítékát 1838-ban szerezték meg.

Az 1930-as évek végén megkezdődtek a lúgos elektrolitot tartalmazó üzemanyagcellák munkálatai, és 1939-re egy nagynyomású, nikkelezett elektródákat használó cellát építettek. A második világháború alatt üzemanyagcellákat/cellákat fejlesztettek ki a brit haditengerészet tengeralattjárói számára, és 1958-ban egy alig több mint 25 cm átmérőjű lúgos üzemanyagcellákból/cellákból álló üzemanyag-kazettát vezettek be.

Az 1950-es és 1960-as években, valamint az 1980-as években megnőtt az érdeklődés, amikor az ipari világban kőolaj-üzemanyaghiány alakult ki. Ugyanebben az időszakban a világ országait a levegőszennyezés problémája is aggodalommal tölti el, és a környezetbarát villamosenergia-termelés módjait fontolgatták. Az üzemanyagcellás technológia jelenleg rohamosan fejlődik.

Az üzemanyagcellák/cellák működési elve

Az üzemanyagcellák/cellák elektromosságot és hőt termelnek egy elektrolit, katód és anód felhasználásával végbemenő elektrokémiai reakciónak köszönhetően.

Az anódot és a katódot egy elektrolit választja el, amely protonokat vezet. Miután a hidrogén az anódhoz, az oxigén a katódra áramlik, kémiai reakció kezdődik, melynek eredményeként elektromos áram, hő és víz keletkezik.

Az anódkatalizátornál a molekuláris hidrogén disszociál és elektronokat veszít. A hidrogénionokat (protonokat) az elektroliton keresztül a katódhoz vezetik, míg az elektronok az elektroliton keresztül egy külső elektromos áramkörön haladnak keresztül, és egyenáramot hoznak létre, amely a berendezések táplálására használható. A katódkatalizátornál egy oxigénmolekula egyesül egy elektronnal (amely külső kommunikációból származik) és egy bejövő protonnal, és vizet képez, amely az egyetlen reakciótermék (gőz és/vagy folyadék formájában).

Alább látható a megfelelő reakció:

Reakció az anódon: 2H 2 => 4H+ + 4e -
Reakció a katódon: O 2 + 4H+ + 4e - => 2H 2 O
Az elem általános reakciója: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

A fűtőelemek/cellák típusai és változatossága

Ahogyan különböző típusú belső égésű motorok léteznek, úgy az üzemanyagcellák is különbözőek – a megfelelő típusú üzemanyagcella kiválasztása annak alkalmazásától függ.

Az üzemanyagcellákat magas hőmérsékletre és alacsony hőmérsékletre osztják. Az alacsony hőmérsékletű üzemanyagcellák viszonylag tiszta hidrogént igényelnek üzemanyagként. Ez gyakran azt jelenti, hogy üzemanyag-feldolgozásra van szükség ahhoz, hogy az elsődleges tüzelőanyagot (például földgázt) tiszta hidrogénné alakítsák. Ez a folyamat további energiát fogyaszt, és speciális felszerelést igényel. A magas hőmérsékletű üzemanyagcelláknak nincs szükségük erre a további eljárásra, mivel magas hőmérsékleten képesek "belsőleg átalakítani" az üzemanyagot, ami azt jelenti, hogy nincs szükség hidrogén-infrastruktúrába való beruházásra.

Olvadt karbonát üzemanyagcellák/cellák (MCFC)

Az olvadt karbonát elektrolit üzemanyagcellák magas hőmérsékletű üzemanyagcellák. A magas üzemi hőmérséklet lehetővé teszi a földgáz közvetlen felhasználását üzemanyag-feldolgozó nélkül, valamint az ipari folyamatokból és egyéb forrásokból származó alacsony fűtőértékű tüzelőgázt.

Az RCFC működése eltér a többi üzemanyagcellától. Ezek a cellák olvadt karbonátsók keverékéből készült elektrolitot használnak. Jelenleg kétféle keveréket használnak: lítium-karbonátot és kálium-karbonátot vagy lítium-karbonátot és nátrium-karbonátot. A karbonátsók megolvasztásához és az elektrolitban az ionok nagyfokú mobilitásának eléréséhez az olvadt karbonát elektrolitot tartalmazó üzemanyagcellák magas hőmérsékleten (650 °C) működnek. A hatásfok 60-80% között változik.

650°C-ra hevítve a sók a karbonátionok (CO 3 2-) vezetőjévé válnak. Ezek az ionok a katódról az anódra jutnak, ahol hidrogénnel egyesülve vizet, szén-dioxidot és szabad elektronokat képeznek. Ezeket az elektronokat egy külső elektromos áramkörön keresztül visszaküldik a katódra, és melléktermékként elektromos áramot és hőt állítanak elő.

Reakció az anódon: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Reakció a katódon: CO 2 + 1/2O 2 + 2e - => CO 3 2-
Az elem általános reakciója: H 2 (g) + 1/2O 2 (g) + CO 2 (katód) => H 2 O (g) + CO 2 (anód)

Az olvadt karbonát elektrolit üzemanyagcellák magas üzemi hőmérséklete bizonyos előnyökkel jár. Magas hőmérsékleten a földgáz belülről megreformálódik, így nincs szükség üzemanyag-feldolgozóra. Ezenkívül az előnyök közé tartozik, hogy szabványos építőanyagokat, például rozsdamentes acéllemezeket és nikkelkatalizátort lehet használni az elektródákon. A hulladékhőt nagynyomású gőz előállítására lehet felhasználni különféle ipari és kereskedelmi célokra.

Az elektrolit magas reakcióhőmérsékletének is megvannak a maga előnyei. A magas hőmérséklet alkalmazása jelentős időt igényel az optimális működési feltételek eléréséhez, és a rendszer lassabban reagál az energiafogyasztás változásaira. Ezek a jellemzők lehetővé teszik az olvadt karbonát elektrolittal működő üzemanyagcellás berendezések használatát állandó teljesítmény mellett. A magas hőmérséklet megakadályozza, hogy a szén-monoxid károsítsa az üzemanyagcellát.

Az olvadt karbonát elektrolitot tartalmazó üzemanyagcellák alkalmasak nagy, helyhez kötött létesítményekben való használatra. A 3,0 MW elektromos kimenő teljesítményű hőerőműveket kereskedelmi forgalomba állítják. 110 MW-ig terjedő kimenő teljesítményű létesítmények fejlesztése folyik.

Foszforsav üzemanyagcellák/cellák (PAFC)

A foszforsav (ortofoszforsav) üzemanyagcellák voltak az első üzemanyagcellák, amelyeket kereskedelmi használatra szántak.

A foszforsav (ortofoszforsav) üzemanyagcellák ortofoszforsav (H 3 PO 4) alapú elektrolitot használnak, amelynek koncentrációja akár 100%. A foszforsav ionvezetőképessége alacsony hőmérsékleten alacsony, ezért ezeket az üzemanyagcellákat 150-220°C-ig használják.

Az ilyen típusú üzemanyagcellák töltéshordozója a hidrogén (H+, proton). Hasonló folyamat megy végbe a protoncserélő membránnal ellátott üzemanyagcellákban, amelyek során az anódhoz juttatott hidrogén protonokra és elektronokra hasad. A protonok áthaladnak az elektroliton, és a katódon a levegőből származó oxigénnel egyesülve vizet képeznek. Az elektronokat egy külső elektromos áramkörön keresztül küldik, ezáltal elektromos áramot hoznak létre. Az alábbiakban bemutatjuk azokat a reakciókat, amelyek elektromos áramot és hőt termelnek.

Reakció az anódon: 2H 2 => 4H + + 4e -
Reakció a katódon: O 2 (g) + 4H + + 4e - => 2 H 2 O
Az elem általános reakciója: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

A foszforsav (ortofoszforsav) alapú üzemanyagcellák hatékonysága több mint 40% elektromos energia előállítása során. A kombinált hő- és villamosenergia-termeléssel a teljes hatásfok körülbelül 85%. Ezenkívül adott üzemi hőmérsékleten a hulladékhő felhasználható víz melegítésére és légköri nyomású gőz előállítására.

Az ilyen típusú tüzelőanyagcellák egyik előnye a foszforsav (ortofoszfor)sav alapú tüzelőanyag-cellákat használó hőerőművek nagy teljesítménye a hő- és villamosenergia kombinált előállításában. Az egységek körülbelül 1,5% koncentrációjú szén-monoxidot használnak, ami jelentősen bővíti az üzemanyag választékot. Ezenkívül a CO 2 nem befolyásolja az elektrolitot és az üzemanyagcella működését, ez a típusú cella reformált természetes tüzelőanyaggal működik. Az egyszerű kialakítás, az alacsony fokú elektrolit illékonyság és a megnövelt stabilitás szintén az ilyen típusú üzemanyagcellák előnyei.

Az 500 kW-ig terjedő elektromos kimenő teljesítményű hőerőműveket kereskedelemben gyártják. A 11 MW-os létesítmények megfeleltek a megfelelő teszteknek. 100 MW-ig terjedő kimenő teljesítményű létesítmények fejlesztése folyik.

Szilárd oxid üzemanyagcellák (SOFC)

A szilárd oxid üzemanyagcellák a legmagasabb üzemi hőmérsékletű üzemanyagcellák. Az üzemi hőmérséklet 600°C és 1000°C között változhat, lehetővé téve különböző típusú üzemanyagok használatát speciális előkezelés nélkül. Az ilyen magas hőmérsékletek kezelésére az elektrolit egy vékony, szilárd fém-oxid kerámia alapon, gyakran ittrium és cirkónium ötvözete, amely oxigénionok (O2-) vezetője.

A szilárd elektrolit biztosítja a gáz zárt átmenetét egyik elektródáról a másikra, míg a folyékony elektrolitok porózus hordozóban helyezkednek el. Az ilyen típusú üzemanyagcellák töltéshordozója az oxigénion (O 2-). A katódon a levegőből származó oxigénmolekulák oxigénionra és négy elektronra válnak szét. Az oxigénionok áthaladnak az elektroliton, és hidrogénnel egyesülve négy szabad elektront hoznak létre. Az elektronokat egy külső elektromos áramkörön keresztül küldik, elektromos áramot és hulladékhőt hozva létre.

Reakció az anódon: 2H 2 + 2O 2- => 2H 2 O + 4e -
Reakció a katódon: O 2 + 4e - => 2O 2-
Az elem általános reakciója: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

A megtermelt elektromos energia hatásfoka az összes tüzelőanyagcella közül a legmagasabb - körülbelül 60-70%. A magas üzemi hőmérséklet lehetővé teszi a hő- és elektromos energia kombinált előállítását nagynyomású gőz előállítására. A magas hőmérsékletű üzemanyagcella és a turbina kombinálása lehetővé teszi egy hibrid üzemanyagcella létrehozását, amely akár 75%-kal növeli az elektromos energia előállításának hatékonyságát.

A szilárd oxid üzemanyagcellák nagyon magas hőmérsékleten (600°C–1000°C) működnek, ami jelentős időt vesz igénybe az optimális működési feltételek eléréséhez, és lassabban reagál az energiafogyasztás változásaira. Ilyen magas üzemi hőmérsékleten nincs szükség konverterre a hidrogén visszanyeréséhez a tüzelőanyagból, ami lehetővé teszi, hogy a hőerőmű viszonylag szennyezett tüzelőanyaggal működjön, amely szén vagy hulladékgázok stb. elgázosításából származik. Az üzemanyagcella kiválóan alkalmas nagy teljesítményű alkalmazásokhoz, beleértve az ipari és nagy központi erőműveket is. Kereskedelmi forgalomban 100 kW elektromos kimenő teljesítményű modulokat gyártanak.

Közvetlen metanol-oxidációs üzemanyagcellák/cellák (DOMFC)

Az üzemanyagcellák közvetlen metanol-oxidációval történő alkalmazásának technológiája aktív fejlesztési időszakon megy keresztül. Sikeresen bizonyított a mobiltelefonok, laptopok táplálása, valamint hordozható áramforrások létrehozása terén. Erre irányul ezen elemek jövőbeni felhasználása.

A metanol közvetlen oxidációjával rendelkező üzemanyagcellák kialakítása hasonló a protoncserélő membránnal (MEPFC) rendelkező üzemanyagcellákhoz, azaz. Elektrolitként polimert, töltéshordozóként hidrogéniont (protont) használnak. A folyékony metanol (CH 3 OH) azonban az anódnál víz jelenlétében oxidálódik, CO 2, hidrogénionok és elektronok szabadulnak fel, amelyeket egy külső elektromos áramkörön keresztül továbbítanak, ezáltal elektromos áramot hoznak létre. A hidrogénionok áthaladnak az elektroliton, és reakcióba lépnek a levegő oxigénjével és a külső áramkör elektronjaival, hogy vizet képezzenek az anódon.

Reakció az anódon: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Reakció a katódon: 3/2O 2 + 6 H + + 6e - => 3H 2 O
Az elem általános reakciója: CH 3 OH + 3/2O 2 => CO 2 + 2H 2 O

Az ilyen típusú üzemanyagcellák előnye a kis méretük a folyékony tüzelőanyag felhasználása miatt, valamint a konverter használatának hiánya.

Alkáli üzemanyagcellák/cellák (ALFC)

Az alkáli tüzelőanyagcellák az egyik leghatékonyabb villamosenergia-termelésre használt cella, az energiatermelés hatékonysága eléri a 70%-ot.

Az alkáli tüzelőanyag-cellák elektrolitot, kálium-hidroxid vizes oldatát használnak, amely porózus, stabilizált mátrixban található. A kálium-hidroxid koncentrációja az üzemanyagcella üzemi hőmérsékletétől függően változhat, amely 65°C és 220°C között van. Az SHTE töltéshordozója a hidroxil-ion (OH -), amely a katódról az anódra kerül, ahol hidrogénnel reagál, vizet és elektronokat termelve. Az anódon keletkező víz visszakerül a katódra, és ott ismét hidroxil-ionokat generál. Az üzemanyagcellában lezajló reakciósorozat eredményeként villamos energia és melléktermékként hő keletkezik:

Reakció az anódon: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reakció a katódon: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4 OH -
A rendszer általános reakciója: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Az SHTE előnye, hogy ezeket az üzemanyagcellákat a legolcsóbban előállítani, mivel az elektródákon szükséges katalizátor bármely olyan anyag lehet, amely olcsóbb, mint a többi üzemanyagcella katalizátora. Az SFC-k viszonylag alacsony hőmérsékleten működnek, és a leghatékonyabb üzemanyagcellák közé tartoznak – ezek a jellemzők következésképpen hozzájárulhatnak a gyorsabb energiatermeléshez és a magas üzemanyag-hatékonysághoz.

Az SHTE egyik jellemző tulajdonsága a nagy érzékenysége a CO 2-re, amelyet az üzemanyag vagy a levegő tartalmazhat. A CO 2 reakcióba lép az elektrolittal, gyorsan megmérgezi, és nagymértékben csökkenti az üzemanyagcella hatékonyságát. Ezért az SHTE használata zárt terekre korlátozódik, például űr- és víz alatti járművekre, tiszta hidrogénnel és oxigénnel kell működniük. Sőt, az olyan molekulák, mint a CO, H 2 O és CH4, amelyek biztonságosak más üzemanyagcellák számára, sőt egyesek üzemanyagaként is működnek, károsak az SHFC-re.

Polimer elektrolit üzemanyagcellák (PEFC)

A polimer elektrolit üzemanyagcellák esetében a polimer membrán polimer szálakból áll, vízrégiókkal, amelyekben vízionok vezetnek. H2O+ (proton, vörös) kapcsolódik egy vízmolekulához. A vízmolekulák problémát jelentenek a lassú ioncsere miatt. Ezért mind az üzemanyagban, mind a kimeneti elektródáknál magas vízkoncentrációra van szükség, ami az üzemi hőmérsékletet 100 °C-ra korlátozza.

Szilárd savas üzemanyagcellák/cellák (SFC)

A szilárd savas üzemanyagcellákban az elektrolit (CsHSO 4) nem tartalmaz vizet. Az üzemi hőmérséklet tehát 100-300°C. Az oxi-anionok SO 4 2- forgása lehetővé teszi a protonok (piros) mozgását az ábrán látható módon. A szilárd savas tüzelőanyag-cella általában olyan szendvics, amelyben egy nagyon vékony réteg szilárd savvegyületet helyeznek el két elektróda között, amelyeket szorosan egymáshoz nyomnak a jó érintkezés biztosítása érdekében. Hevítéskor a szerves komponens elpárolog, és az elektródák pórusain keresztül távozik, így megmarad az üzemanyag (vagy az elem másik végén lévő oxigén), az elektrolit és az elektródák közötti többszörös érintkezés lehetősége.

Különféle üzemanyagcellás modulok. Üzemanyagcellás akkumulátor

1. Üzemanyagcellás akkumulátor
2. Egyéb magas hőmérsékleten működő berendezések (beépített gőzfejlesztő, égéstér, hőegyensúly-váltó)
3. Hőálló szigetelés

Üzemanyagcellás modul

Az üzemanyagcellák típusainak és fajtáinak összehasonlító elemzése

Az innovatív energiahatékony települési hő- és erőművek jellemzően szilárd oxid üzemanyagcellákra (SOFC), polimer elektrolit üzemanyagcellákra (PEFC), foszforsavas üzemanyagcellákra (PAFC), protoncserélő membrán üzemanyagcellákra (PEMFC) és lúgos tüzelőanyagcellákra épülnek ( ALFC). Általában a következő jellemzőkkel rendelkezik:

A legmegfelelőbbnek a szilárd oxid üzemanyagcellákat (SOFC) kell tekinteni, amelyek:

• magasabb hőmérsékleten működik, csökkentve a drága nemesfémek (például platina) szükségességét
• dolgozhat érte különféle típusok szénhidrogén üzemanyagok, főleg földgáz
• hosszabb indítási idővel rendelkeznek, ezért alkalmasabbak a hosszú távú működésre
• magas energiatermelési hatékonyságot mutat (akár 70%)
• A magas üzemi hőmérsékletnek köszönhetően az egységek hőátadó rendszerekkel kombinálhatók, így a rendszer általános hatásfoka 85%-ra nő.
• gyakorlatilag nulla károsanyag-kibocsátásúak, csendesen működnek, és a meglévő energiatermelési technológiákhoz képest alacsonyak az üzemeltetési követelmények

Üzemanyagcella típus	Üzemhőmérséklet	Energiatermelés hatékonysága	Üzemanyagtípus	Alkalmazási terület
RKTE	550-700°C	50-70%		Közepes és nagy telepítések
FCTE	100-220°C	35-40%	Tiszta hidrogén	Nagy telepítések
MOPTE	30-100 °C	35-50%	Tiszta hidrogén	Kisebb telepítések
SOFC	450-1000°C	45-70%	A legtöbb szénhidrogén üzemanyag	Kis, közepes és nagy telepítések
PEMFC	20-90 °C	20-30%	Metanol	Hordozható
SHTE	50-200°C	40-70%	Tiszta hidrogén	Űrkutatás
PETE	30-100 °C	35-50%	Tiszta hidrogén	Kisebb telepítések

Mivel a kis hőerőművek hagyományos gázellátó hálózatra csatlakoztathatók, az üzemanyagcellák nem igényelnek külön hidrogénellátó rendszert. Szilárd oxid tüzelőanyag-cellás kisméretű hőerőművek alkalmazásakor a keletkező hő hőcserélőkbe integrálható a víz és a szellőzőlevegő melegítésére, növelve a rendszer általános hatásfokát. Ez az innovatív technológia a legalkalmasabb a hatékony villamosenergia-termelésre anélkül, hogy költséges infrastruktúrára és bonyolult műszerintegrációra lenne szükség.

Üzemanyagcellák/cellák alkalmazása

Üzemanyagcellák/cellák alkalmazása távközlési rendszerekben

A vezeték nélküli kommunikációs rendszerek világszerte történő gyors elterjedése, valamint a mobiltelefon-technológia növekvő társadalmi-gazdasági előnyei miatt kritikussá vált a megbízható és költséghatékony tápellátás szükségessége. A rossz időjárási viszonyok, természeti katasztrófák vagy korlátozott hálózati kapacitás miatti egész évben kieső villamosenergia-hálózati veszteségek folyamatos kihívást jelentenek a hálózatüzemeltetők számára.

A hagyományos távközlési tartalékmegoldások közé tartoznak az akkumulátorok (szeleppel szabályozott ólom-savas akkumulátorcellák) a rövid távú tartalék energiaellátáshoz, valamint a dízel- és propángenerátorok a hosszabb távú tartalék energiaellátáshoz. Az akkumulátorok viszonylag olcsó tartalék energiaforrást jelentenek 1-2 órán keresztül. Az akkumulátorok azonban nem alkalmasak hosszabb távú tartalék áramellátásra, mert költséges fenntartásuk, hosszú használat után megbízhatatlanná válnak, érzékenyek a hőmérsékletre, és ártalmatlanítás után veszélyesek a környezetre. A dízel- és propángenerátorok hosszú távú energiatartalékot biztosítanak. A generátorok azonban megbízhatatlanok lehetnek, munkaigényes karbantartást igényelnek, és nagy mennyiségű szennyezőanyagot és üvegházhatású gázt bocsátanak ki.

A hagyományos energiatartalék-megoldások korlátainak leküzdésére innovatív zöld üzemanyagcellás technológiát fejlesztettek ki. Az üzemanyagcellák megbízhatóak, csendesek, kevesebb mozgó alkatrészt tartalmaznak, mint egy generátor, üzemi hőmérséklet-tartományuk szélesebb, mint az akkumulátoré: -40°C-tól +50°C-ig, ennek köszönhetően rendkívül magas energiamegtakarítást biztosítanak. Ezen túlmenően egy ilyen telepítés élettartama alatti költsége alacsonyabb, mint egy generátoré. Az alacsonyabb tüzelőanyagcella-költségek mindössze évi egyszeri karbantartási látogatásból és jelentősen magasabb üzemi termelékenységből származnak. A nap végén az üzemanyagcella egy zöld technológiai megoldás, minimális környezetterheléssel.

Az üzemanyagcellás berendezések tartalék energiát biztosítanak a kritikus kommunikációs hálózati infrastruktúrák számára a vezeték nélküli, állandó és szélessávú kommunikációhoz a távközlési rendszerben, 250 W-tól 15 kW-ig, és számos páratlan innovatív funkciót kínálnak:

• MEGBÍZHATÓSÁG– kevés mozgó alkatrész és nincs kisülés készenléti módban
• ENERGIATAKARÉKOS
• CSEND– alacsony zajszint
• FENNTARTHATÓSÁG– működési tartomány -40°C és +50°C között
• ALKALMAZHATÓSÁG– kültéri és beltéri beépítés (konténer/védőkonténer)
• NAGY TELJESÍTMÉNYŰ– 15 kW-ig
• ALACSONY KARBANTARTÁSI IGÉNY– minimális éves karbantartás
• GAZDASÁGOS- vonzó teljes birtoklási költség
• ZÖLD ENERGIA– alacsony károsanyag-kibocsátás minimális környezetterheléssel

A rendszer folyamatosan érzékeli az egyenáramú busz feszültségét, és zökkenőmentesen fogadja a kritikus terheléseket, ha az egyenáramú busz feszültsége a felhasználó által meghatározott alapérték alá esik. A rendszer hidrogénnel működik, amelyet kétféle módon juttatnak az üzemanyagcella-kötegbe - vagy ipari hidrogénforrásból, vagy folyékony üzemanyagból, metanolból és vízből, integrált reformáló rendszer segítségével.

A villamos energiát az üzemanyagcella köteg egyenáram formájában állítja elő. Az egyenáram egy átalakítóba kerül, amely az üzemanyagcella-kötegből érkező szabályozatlan egyenáramot kiváló minőségű szabályozott egyenárammá alakítja a szükséges terhelésekhez. Az üzemanyagcellás berendezések több napig biztosíthatnak tartalék energiát, mivel az időtartamot csak a rendelkezésre álló hidrogén vagy metanol/víz üzemanyag mennyisége korlátozza.

Az üzemanyagcellák kiemelkedő energiamegtakarítást, jobb rendszer-megbízhatóságot, kiszámíthatóbb teljesítményt kínálnak az éghajlati viszonyok széles skáláján, és megbízható működési tartósságot kínálnak az ipari szabvány szeleppel szabályozott ólom-savas akkumulátorokhoz képest. Az élettartam költségei is alacsonyabbak a lényegesen alacsonyabb karbantartási és csereigények miatt. Az üzemanyagcellák környezeti előnyökkel járnak a végfelhasználók számára, mivel az ólom-savcellákkal kapcsolatos ártalmatlanítási költségek és felelősségi kockázatok egyre nagyobb aggodalomra adnak okot.

Az elektromos akkumulátorok teljesítményét számos tényező hátrányosan befolyásolhatja, mint például a töltöttségi szint, a hőmérséklet, a kerékpározás, az élettartam és más változók. A szolgáltatott energia ezektől a tényezőktől függően változik, és nem könnyű megjósolni. A protoncserélő membrán üzemanyagcella (PEMFC) teljesítményét ezek a tényezők viszonylag nem befolyásolják, és mindaddig kritikus teljesítményt tud biztosítani, amíg üzemanyag áll rendelkezésre. A megnövelt kiszámíthatóság fontos előnyt jelent, ha a kritikus tartalék energiaalkalmazásokhoz tüzelőanyagcellákra váltanak.

Az üzemanyagcellák csak akkor termelnek áramot, ha üzemanyagot szolgáltatnak, hasonlóan a gázturbinás generátorhoz, de nincsenek mozgó alkatrészeik a termelési területen. Ezért a generátorral ellentétben nincsenek kitéve gyors kopásnak, és nem igényelnek állandó karbantartást és kenést.

A hosszabb ideig tartó üzemanyag-átalakító meghajtásához használt üzemanyag metanol és víz keveréke. A metanol egy széles körben elérhető, kereskedelmi forgalomban előállított üzemanyag, amely jelenleg számos felhasználási területtel rendelkezik, beleértve a szélvédőmosót, műanyag palackok, motoradalékok, emulziós festékek. A metanol könnyen szállítható, vízzel keverhető, biológiailag jól lebontható, ként nem tartalmaz. Fagyáspontja alacsony (-71°C), hosszú távú tárolás során nem bomlik le.

Üzemanyagcellák/cellák alkalmazása kommunikációs hálózatokban

A biztonságos kommunikációs hálózatokhoz megbízható tartalék energiamegoldásokra van szükség, amelyek órákig vagy napokig működnek vészhelyzetekben, ha az elektromos hálózat már nem áll rendelkezésre.

A kevés mozgó alkatrésznek és a készenléti áramveszteségnek köszönhetően az innovatív üzemanyagcellás technológia vonzó megoldást kínál a jelenlegi tartalék energiaellátó rendszerek számára.

A legnyomósabb érv az üzemanyagcellás technológia kommunikációs hálózatokban való alkalmazása mellett a megnövekedett általános megbízhatóság és biztonság. Az olyan események során, mint az áramszünet, földrengés, vihar és hurrikán, fontos, hogy a rendszerek továbbra is működjenek, és hosszú ideig megbízható tartalék áramellátást kapjanak, függetlenül a hőmérséklettől és a tartalék áramellátási rendszer korától.

Az üzemanyagcella-alapú energiaellátó eszközök sora ideális minősített kommunikációs hálózatok támogatására. Energiatakarékos tervezési elveiknek köszönhetően környezetbarát, megbízható tartalék teljesítményt biztosítanak hosszabb ideig (akár több napig) 250 W és 15 kW közötti teljesítménytartományban.

Üzemanyagcellák/cellák alkalmazása adathálózatokban

Az adathálózatok, például a nagy sebességű adathálózatok és a száloptikai gerinchálózatok megbízható tápellátása kulcsfontosságú az egész világon. Az ilyen hálózatokon továbbított információk kritikus adatokat tartalmaznak olyan intézmények számára, mint a bankok, légitársaságok vagy egészségügyi központok. Az ilyen hálózatok áramkimaradása nemcsak a továbbított információra jelent veszélyt, hanem általában jelentős anyagi veszteségekhez is vezet. A tartalék tápellátást biztosító, megbízható, innovatív üzemanyagcellás berendezések biztosítják a megszakítás nélküli áramellátáshoz szükséges megbízhatóságot.

A metanol és víz folyékony üzemanyag-keverékével működő üzemanyagcellás egységek megbízható tartalék energiát biztosítanak hosszabb ideig, akár több napig is. Ezen túlmenően ezeknek az egységeknek a karbantartási igénye jelentősen csökkent a generátorokhoz és akkumulátorokhoz képest, így évente csak egy karbantartási látogatást tesznek szükségessé.

Tipikus alkalmazási hely jellemzők az üzemanyagcellás berendezések adathálózatokban történő használatához:

• Alkalmazások 100 W és 15 kW közötti teljesítményfelvétellel
• Alkalmazások, amelyeknél az akkumulátor élettartama > 4 óra
• Átjátszók száloptikai rendszerekben (szinkron digitális rendszerek hierarchiája, nagy sebességű internet, Voice over IP...)
• Hálózati csomópontok a nagy sebességű adatátvitelhez
• WiMAX átviteli csomópontok

Az üzemanyagcellás tartalék telepítések számos előnyt kínálnak a kritikus adathálózati infrastruktúrák számára a hagyományos akkumulátoros vagy dízelgenerátorokhoz képest, lehetővé téve a nagyobb helyszíni telepítési lehetőségeket:

1. A folyékony üzemanyag-technológia megoldja a hidrogénelhelyezés problémáját, és gyakorlatilag korlátlan tartalék teljesítményt biztosít.
2. Halk működésüknek, kis súlyuknak, hőmérséklet-változásokkal szembeni ellenállásuknak és gyakorlatilag vibrációmentes működésüknek köszönhetően az üzemanyagcellák épületen kívülre, ipari épületekbe/konténerekbe vagy háztetőkre is beépíthetők.
3. A rendszer használatának helyszíni előkészítése gyors és gazdaságos, az üzemeltetési költségek alacsonyak.
4. Az üzemanyag biológiailag lebomlik, és környezetbarát megoldást jelent városi környezetben.

Üzemanyagcellák/cellák alkalmazása biztonsági rendszerekben

A leggondosabban megtervezett épületbiztonsági és kommunikációs rendszerek csak annyira megbízhatóak, mint az őket támogató tápegység. Míg a legtöbb rendszer tartalmaz valamilyen szünetmentes tápellátást biztosító rendszert a rövid távú áramkimaradások esetére, nem veszik figyelembe azokat a hosszabb távú áramkimaradásokat, amelyek természeti katasztrófák vagy terrortámadások után fordulhatnak elő. Ez számos vállalati és kormányzati szerv számára kritikus probléma lehet.

Az olyan létfontosságú rendszerek, mint a CCTV hozzáférés-felügyeleti és -vezérlő rendszerek (személyi kártya olvasók, ajtózárak, biometrikus azonosítási technológia stb.), automatikus tűzjelző és tűzoltó rendszerek, liftvezérlő rendszerek és távközlési hálózatok veszélyben vannak, ha nincs megbízható, hosszú élettartamú alternatív tápegység.

A dízelgenerátorok nagy zajt adnak, nehezen lokalizálhatók, és jól ismert megbízhatósági és karbantartási problémáik vannak. Ezzel szemben a tartalék energiát biztosító üzemanyagcellás berendezés csendes, megbízható, nulla vagy nagyon alacsony károsanyag-kibocsátással rendelkezik, és könnyen felszerelhető tetőre vagy épületen kívülre. Készenléti üzemmódban nem merül le, és nem veszíti el az áramellátást. Biztosítja a kritikus rendszerek folyamatos működését a létesítmény működésének megszűnése és az épület kiürítése után is.

Az innovatív üzemanyagcellás berendezések megvédik a költséges beruházásokat a kritikus alkalmazásokban. Környezetbarát, megbízható tartalék teljesítményt nyújtanak hosszabb ideig (akár több napig) a 250 W-tól 15 kW-ig terjedő teljesítménytartományban, számos páratlan tulajdonsággal és különösen magas szintű energiamegtakarítással kombinálva.

Az üzemanyagcellás tartalék berendezések számos előnnyel rendelkeznek a kritikus fontosságú alkalmazásokban, mint például a biztonsági és épületfelügyeleti rendszerekben a hagyományos akkumulátoros vagy dízelgenerátoros alkalmazásokhoz képest. A folyékony üzemanyag-technológia megoldja a hidrogénelhelyezés problémáját, és gyakorlatilag korlátlan tartalék teljesítményt biztosít.

Üzemanyagcellák/cellák alkalmazása települési fűtésben és villamosenergia-termelésben

A szilárd oxid üzemanyagcellák (SOFC) megbízható, energiahatékony és károsanyag-kibocsátásmentes hőerőműveket biztosítanak, amelyek villamos energiát és hőt termelnek széles körben elérhető földgázból és megújuló tüzelőanyag-forrásokból. Ezeket az innovatív berendezéseket számos piacon használják, az otthoni áramtermeléstől a távoli áramellátásig, valamint a kiegészítő tápegységekig.

Üzemanyagcellák/cellák alkalmazása elosztó hálózatokban

A kis hőerőműveket úgy tervezték, hogy egy központi erőmű helyett nagyszámú kis generátoregységből álló elosztott villamosenergia-termelő hálózatban működjenek.

Az alábbi ábra a villamosenergia-termelés hatékonyságának csökkenését mutatja, ha azt hőerőműben állítják elő, és a jelenleg használatos hagyományos villamosenergia-átviteli hálózatokon keresztül továbbítják az otthonokba. A központosított termelés hatékonysági veszteségei közé tartoznak az erőműből származó veszteségek, a kis- és nagyfeszültségű átvitel, valamint az elosztási veszteségek.

Az ábra a kis hőerőművek integrációjának eredményeit mutatja: a felhasználás helyén akár 60%-os termelési hatásfokkal is termelnek villamos energiát. Ezen túlmenően a háztartás az üzemanyagcellák által termelt hőt felhasználhatja víz és tér fűtésére, ami növeli az üzemanyag-energia feldolgozás általános hatékonyságát és növeli az energiamegtakarítást.

Üzemanyagcellák használata a környezet védelmére – a kapcsolódó kőolajgáz hasznosítása

Az olajipar egyik legfontosabb feladata a kapcsolódó kőolajgáz hasznosítása. A kapcsolódó kőolajgáz hasznosításának meglévő módszereinek számos hátránya van, amelyek közül a legfontosabb, hogy gazdaságilag nem életképesek. A kapcsolódó kőolajgázt elégetik, ami óriási károkat okoz a környezetre és az emberi egészségre.

A kapcsolódó kőolajgázt tüzelőanyagként tüzelőanyagcellákat használó innovatív hőerőművek megnyitják az utat a kapcsolódó kőolajgáz-hasznosítás problémáinak radikális és költséghatékony megoldásához.

1. A tüzelőanyagcellás berendezések egyik fő előnye, hogy megbízhatóan és stabilan működhetnek a kapcsolódó változó összetételű kőolajgázzal. Az üzemanyagcella működésének alapjául szolgáló lángmentes kémiai reakció miatt például a metán százalékos arányának csökkenése csak ennek megfelelően csökkenti a teljesítményt.
2. Rugalmasság a fogyasztók elektromos terhelésével, eséssel, terheléslökéssel kapcsolatban.
3. A hőerőművek tüzelőanyagcellás telepítéséhez és csatlakoztatásához azok megvalósítása nem igényel tőkeköltséget, mert Az egységek könnyen felszerelhetők szántóföldi, előkészítetlen helyekre, könnyen kezelhetők, megbízhatóak és hatékonyak.
4. A magas szintű automatizálás és a modern távvezérlés nem igényli a személyzet állandó jelenlétét a telepítésnél.
5. A tervezés egyszerűsége és műszaki tökéletessége: a mozgó alkatrészek, a súrlódás és a kenőrendszerek hiánya jelentős gazdasági előnyökkel jár az üzemanyagcellás berendezések üzemeltetéséből.
6. Vízfogyasztás: +30 °C-ig nincs környezeti hőmérsékleten, magasabb hőmérsékleten pedig elhanyagolható.
7. Vízkimenet: nincs.
8. Ezenkívül az üzemanyagcellás hőerőművek nem adnak zajt, nem rezegnek, nem bocsátanak ki káros anyagokat a légkörbe