Upotreba gorivnih ćelija za napajanje zgrada. gorivne ćelije

Goriva ćelija je uređaj za elektrohemijsku konverziju energije koji pretvara vodonik i kiseonik u električnu energiju putem hemijske reakcije. Kao rezultat ovog procesa nastaje voda i oslobađa se velika količina topline. Gorivna ćelija je vrlo slična bateriji koja se može puniti, a zatim koristiti za skladištenje električne energije.
Izumitelj gorivne ćelije je William R. Grove, koji ju je izumio davne 1839. godine. Ova gorivna ćelija koristila je otopinu sumporne kiseline kao elektrolit, a vodonik kao gorivo, koje se kombinuje sa kiseonikom u oksidacionom mediju. Treba napomenuti da su se do nedavno gorivne ćelije koristile samo u laboratorijama i na svemirskim letjelicama.
Gorivne ćelije će u budućnosti moći da se takmiče sa mnogim drugim sistemima za konverziju energije (uključujući gasne turbine u elektranama), motorima sa unutrašnjim sagorevanjem u automobilima i električnim baterijama u prenosivim uređajima. Motori unutrašnjim sagorevanjem sagorevanjem goriva i korišćenjem pritiska koji nastaje ekspanzijom gasova koji se oslobađaju tokom sagorevanja za obavljanje mehaničkog rada. Baterije pohranjuju električnu energiju, a zatim je pretvaraju u hemijsku energiju, koja se po potrebi može ponovo pretvoriti u električnu energiju. Potencijalno, gorivne ćelije su veoma efikasne. Davne 1824. godine francuski naučnik Karno je dokazao da ciklusi kompresije-ekspanzije motora sa unutrašnjim sagorevanjem ne mogu da obezbede efikasnost pretvaranja toplotne energije (koja je hemijska energija sagorevanja goriva) u mehaničku energiju iznad 50%. Gorivna ćelija nema pokretne dijelove (barem ne unutar same ćelije), te stoga ne poštuju Carnotov zakon. Naravno, oni će imati više od 50% efikasnosti i posebno su efikasni pri malim opterećenjima. Dakle, vozila na gorive ćelije su spremna da postanu (i već su se dokazala) efikasnija od goriva obični automobili u realnim uslovima vožnje.
Goriva ćelija obezbeđuje generisanje električne struje konstantan napon, koji se može koristiti za pogon elektromotora, rasvjetnih tijela i drugih električnih sistema u vozilu. Postoji nekoliko vrsta gorivnih ćelija, koje se razlikuju po hemijskim procesima koji se koriste. gorivne ćelije obično se klasificiraju prema vrsti elektrolita koji koriste. Neke vrste gorivnih ćelija obećavaju za upotrebu u elektranama, dok druge mogu biti korisne za male prijenosne uređaje ili za vožnju automobila.
Alkalna gorivna ćelija je jedan od najranijih razvijenih elemenata. Koristi ih američki svemirski program od 1960-ih. Takve gorivne ćelije su vrlo osjetljive na kontaminaciju i stoga zahtijevaju vrlo čist vodonik i kisik. Osim toga, vrlo su skupi, pa je malo vjerovatno da će ova vrsta gorivnih ćelija naći široku primjenu u automobilima.
Gorivne ćelije na bazi fosforne kiseline mogu se koristiti u stacionarnim instalacijama male snage. Oni rade na prilično visokim temperaturama i stoga im je potrebno dugo da se zagreju, što ih takođe čini neefikasnim za upotrebu u automobilima.
Čvrste oksidne gorivne ćelije su pogodnije za velike stacionarne generatore koji bi mogli napajati fabrike ili naselja. Ova vrsta gorivih ćelija radi na vrlo visokim temperaturama (oko 1000 °C). Visoka radna temperatura stvara određene probleme, ali s druge strane, postoji prednost - para koju proizvodi gorivna ćelija može se poslati u turbine kako bi proizvele više električne energije. Sve u svemu, ovo poboljšava ukupnu efikasnost sistema.
Jedan od najperspektivnijih sistema je gorivna ćelija sa membranom za izmjenu protona - POMFC (PEMFC - Protone Exchange Membrane Fuel Cell). Trenutno je ova vrsta gorivih ćelija najperspektivnija jer može pokretati automobile, autobuse i druga vozila.

Hemijski procesi u gorivnoj ćeliji

Gorivne ćelije koriste elektrohemijski proces za kombinovanje vodonika sa kiseonikom iz vazduha. Kao i baterije, gorivne ćelije koriste elektrode (čvrste električne provodnike) u elektrolitu (električno provodljivom mediju). Kada molekule vodika dođu u kontakt sa negativnom elektrodom (anodom), potonja se razdvaja na protone i elektrone. Protoni prolaze kroz membranu za izmjenu protona (POM) do pozitivne elektrode (katode) gorivne ćelije, proizvodeći električnu energiju. Postoji hemijska kombinacija molekula vodika i kiseonika sa formiranjem vode, kao nusproizvoda ove reakcije. Jedina vrsta emisije iz gorivne ćelije je vodena para.
Električna energija koju proizvode gorivne ćelije može se koristiti u električnom pogonu vozila (koji se sastoji od pretvarača električne energije i indukcioni motor naizmjenična struja) za dobijanje mehaničke energije za pogon automobila. Zadatak pretvarača energije je da pretvori jednosmjernu električnu struju koju proizvode gorivne ćelije u naizmjenična struja, na kojem radi vučni elektromotor vozila.

Šematski dijagram gorivne ćelije sa membranom za izmjenu protona:
1 - anoda;
2 - membrana za izmjenu protona (REM);
3 - katalizator (crveni);
4 - katoda

Protonska izmjenjivačka gorivna ćelija (PEMFC) koristi jednu od najjednostavnijih reakcija bilo koje gorivne ćelije.

Odvojena gorivna ćelija

Razmislite kako goriva ćelija radi. Anoda, negativni pol gorivne ćelije, provodi elektrone koji su oslobođeni od molekula vodonika tako da se mogu koristiti u eksternim električni krug(lanci). Da bi se to postiglo, kanali su urezani u njega, ravnomjerno raspoređujući vodonik po cijeloj površini katalizatora. Katoda (pozitivni pol gorivne ćelije) ima ugravirane kanale koji distribuiraju kisik po površini katalizatora. Također provodi elektrone nazad iz vanjskog kruga (kola) do katalizatora, gdje se mogu kombinirati s vodikovim ionima i kisikom kako bi formirali vodu. Elektrolit je membrana za izmjenu protona. Ovo je poseban materijal sličan obicne plastike, ali ima sposobnost da prođe pozitivno nabijene jone i blokira prolaz elektrona.
Katalizator je poseban materijal koji olakšava reakciju između kisika i vodika. Katalizator je obično napravljen od platine u prahu nanesenog u vrlo tankom sloju na karbonski papir ili tkaninu. Katalizator mora biti hrapav i porozan kako bi njegova površina mogla što je više moguće doći u kontakt s vodonikom i kisikom. Platinum obložena strana katalizatora nalazi se ispred membrane za izmjenu protona (POM).
Gas vodonik (H 2 ) se dovodi do gorivne ćelije pod pritiskom sa anodne strane. Kada molekul H2 dođe u kontakt sa platinom na katalizatoru, on se deli na dva dela, dva jona (H+) i dva elektrona (e–). Elektroni se provode kroz anodu, gdje prolaze kroz vanjski krug (krug), obavljajući koristan rad (na primjer, pokrećući elektromotor) i vraćajući se sa katodne strane gorivne ćelije.
U međuvremenu, sa katodne strane gorivne ćelije, gas kisika (O 2 ) se probija kroz katalizator gdje formira dva atoma kisika. Svaki od ovih atoma ima snažan negativni naboj koji privlači dva H+ jona preko membrane, gdje se spajaju s atomom kisika i dva elektrona iz vanjske petlje (lanca) kako bi formirali molekul vode (H 2 O).
Ova reakcija u jednoj gorivnoj ćeliji proizvodi snagu od približno 0,7 vati. Da bi se snaga podigla na potrebnu razinu, potrebno je kombinirati više pojedinačnih gorivnih ćelija kako bi se formirao snop gorivnih ćelija.
POM gorivne ćelije rade na relativno niskoj temperaturi (oko 80°C), što znači da se mogu brzo zagrijati na radnu temperaturu i ne zahtijevaju skupi sistemi hlađenje. Kontinuirano unapređenje tehnologija i materijala koji se koriste u ovim ćelijama približilo je njihovu snagu nivou na kojem baterija takvih gorivnih ćelija, koja zauzima mali dio prtljažnika automobila, može osigurati energiju potrebnu za vožnju automobila.
Proteklih godina, većina vodećih svjetskih proizvođača automobila uložila je velika sredstva u razvoj dizajna automobila koristeći gorive ćelije. Mnogi su već demonstrirali vozila na gorive ćelije sa zadovoljavajućom snagom i dinamičkim karakteristikama, iako su bila prilično skupa.
Poboljšanje dizajna takvih automobila je veoma intenzivno.

Vozilo na gorivne ćelije, koristi elektranu koja se nalazi ispod poda vozila

Automobil NECAR V je baziran na automobilu Mercedes-Benz A-klase, a cijela elektrana, zajedno sa gorivnim ćelijama, nalazi se ispod poda automobila. Ovakvo konstruktivno rješenje omogućava smještaj četiri putnika i prtljaga u automobilu. Ovdje se kao gorivo za automobil ne koristi vodonik, već metanol. Metanol se uz pomoć reformera (uređaja koji metanol pretvara u vodonik) pretvara u vodonik, koji je neophodan za napajanje gorivne ćelije. Korištenje reformatora u automobilu omogućava korištenje gotovo bilo kojeg ugljikovodika kao goriva, što omogućuje punjenje automobila na gorive ćelije koristeći postojeću mrežu benzinskih stanica. Teoretski, gorivne ćelije ne proizvode ništa osim struje i vode. Pretvaranje goriva (benzin ili metanol) u vodonik potreban za gorivu ćeliju donekle smanjuje ekološku privlačnost takvog vozila.
Kompanija Honda, koja se bavi gorivim ćelijama od 1989. godine, proizvela je malu seriju Honda FCX-V4 vozila 2003. sa Ballardovim gorivnim ćelijama tipa membrane za protonsku izmjenu. Ove gorivne ćelije proizvode 78 kW električne energije, a koriste se za pogon pogonskih kotača. vučni motori sa snagom od 60 kW i obrtnim momentom od 272 N m. Automobil na gorive ćelije, u poređenju sa tradicionalnim automobilom, ima oko 40% manju masu, što mu obezbeđuje odličnu dinamiku, a snabdevanje komprimovanim vodonikom omogućava da trči do 355 km.

Honda FCX koristi snagu gorivnih ćelija da se pokreće.
Honda FCX je prvo vozilo na gorivne ćelije na svijetu koje je dobilo vladinu certifikaciju u Sjedinjenim Državama. Auto ima ZEV certifikat - Zero Emission Vehicle (vozilo bez zagađenja). Honda još neće prodavati ove automobile, ali iznajmljuje oko 30 automobila po jedinici. Kaliforniji i Tokiju, gdje već postoji infrastruktura za gorivo vodonikom.

Konceptni automobil General Motorsa Hy Wire ima elektranu na gorive ćelije

General Motors provodi veliko istraživanje o razvoju i stvaranju vozila na gorive ćelije.

Hy Wire šasija vozila

Tokom stvaranja koncept automobila GM Hy Wire je primio 26 patenata. Osnova automobila je funkcionalna platforma debljine 150 mm. Unutar platforme nalaze se boce vodonika, elektrana na gorive ćelije i sistemi upravljanja vozilom koji se koriste Najnovije tehnologije elektronska kontrola putem žice. Šasija Hy Wire automobila je tanka platforma koja sadrži sve glavne strukturne elemente automobila: cilindre sa vodonikom, gorivne ćelije, baterije, elektromotore i upravljačke sisteme. Ovakav pristup dizajnu omogućava promenu karoserije automobila tokom rada. Kompanija takođe testira eksperimentalna Opel vozila sa gorivnim ćelijama i dizajnira pogon za proizvodnju gorivih ćelija.

Dizajn "sigurnog" rezervoara za gorivo za tečni vodonik:
1 - uređaj za punjenje;
2 - vanjski rezervoar;
3 - oslonci;
4 - senzor nivoa;
5 - unutrašnji rezervoar;
6 - linija za punjenje;
7 - izolacija i vakuum;
8 - grijač;
9 - montažna kutija

Problemu korištenja vodonika kao goriva za automobile posvećuje se velika pažnja. BMW kompanija. Zajedno sa Magnom Steyer, poznatom po radu na korištenju tečnog vodonika u svemirskim istraživanjima, BMW je razvio rezervoar za gorivo za tečni vodonik koji se može koristiti u automobilima.

Testovi su potvrdili sigurnost upotrebe rezervoara za gorivo sa tečnim vodonikom

Kompanija je izvršila niz ispitivanja sigurnosti konstrukcije prema standardnim metodama i potvrdila njenu pouzdanost.
2002. godine na sajmu automobila u Frankfurtu (Njemačka) prikazan je Mini Cooper Hydrogen, koji kao gorivo koristi tečni vodonik. Rezervoar za gorivo ovog automobila zauzima isti prostor kao i konvencionalni rezervoar za gas. Vodonik se u ovom automobilu ne koristi za gorive ćelije, već kao gorivo za motore sa unutrašnjim sagorevanjem.

Prvi na svijetu stock car sa gorivnom ćelijom umjesto baterije

BMW je 2003. godine najavio lansiranje prvog serijskog automobila sa gorivom BMW element 750 hl. Baterija gorivih ćelija koristi se umjesto tradicionalne baterije. Ovo vozilo ima 12-cilindarski motor sa unutrašnjim sagorevanjem koji pokreće vodonik, sa gorivnom ćelijom kao alternativom konvencionalna baterija, pružajući mogućnost rada klima uređaja i ostalih potrošača električne energije tokom dugotrajnog parkiranja automobila sa ugašenim motorom.

Punjenje vodonikom vrši robot, vozač nije uključen u ovaj proces

Ista kompanija BMW razvila je i robotske dispenzere goriva koji omogućavaju brzo i sigurno punjenje automobila tečnim vodonikom.
Pojava posljednjih godina veliki broj Razvoj vozila koja koriste alternativna goriva i alternativne pogone ukazuje na to da će motori sa unutrašnjim sagorevanjem, koji su dominirali automobilima u prošlom veku, na kraju ustupiti mesto čistijim, efikasnijim i tišim dizajnom. Njihovu široku upotrebu trenutno koče ne tehnički, već ekonomski i društveni problemi. Za njihovu široku upotrebu potrebno je stvoriti određenu infrastrukturu za razvoj proizvodnje alternativnih goriva, stvaranje i distribuciju novih punionice i prevazilaženje niza psiholoških barijera. Upotreba vodonika kao goriva za vozila zahtijevat će rješavanje problema skladištenja, isporuke i distribucije, uz primjenu ozbiljnih mjera sigurnosti.
Teoretski, vodonik je dostupan u neograničenim količinama, ali je njegova proizvodnja vrlo energetski intenzivna. Osim toga, da bi se automobili pretvorili da rade na vodikovo gorivo, moraju se napraviti dvije velike promjene u elektroenergetskom sistemu: prvo, prebaciti njegov rad sa benzina na metanol, a zatim, neko vrijeme, na vodonik. Proći će neko vrijeme prije nego što se ovaj problem riješi.

Sir William Grove znao je mnogo o elektrolizi, pa je pretpostavio da bi procesom (koji razdvaja vodu na vodonik i kisik provodeći kroz nju elektricitet) mogao proizvesti ako se pokrene obrnutim redosledom. Nakon proračuna na papiru, otišao je u eksperimentalnu fazu i uspio dokazati svoje ideje. Provjerenu hipotezu razvili su naučnici Ludwig Mond i njegov pomoćnik Charles Langre, poboljšali tehnologiju i 1889. godine dali joj ime koje je uključivalo dvije riječi - "goriva ćelija".

Sada je ova fraza postala čvrsto uspostavljena u svakodnevnom životu vozača. Sigurno ste više puta čuli izraz "goriva ćelija". U vijestima na Internetu, na TV-u sve više bljeskaju novonastale riječi. Obično se odnose na priče o najnovijim hibridni automobili ili razvojne programe za ova hibridna vozila.

Na primjer, prije 11 godina u SAD-u je pokrenut program „Inicijativa za vodonično gorivo“. Program se fokusirao na razvoj vodoničnih gorivnih ćelija i infrastrukturnih tehnologija potrebnih da vozila na gorivne ćelije budu praktična i ekonomski održiva do 2020. godine. Inače, za to vrijeme za program je izdvojeno više od milijardu dolara, što ukazuje na ozbiljnu opkladu na koju su američke vlasti napravile.

S druge strane okeana, proizvođači automobila su također bili na oprezu, započevši ili nastavljajući svoja istraživanja o automobilima na gorive ćelije. , pa čak i nastavio raditi na izgradnji robusne tehnologije gorivnih ćelija.

Najveći uspjeh u ovoj oblasti među svim svjetskim proizvođačima automobila postigla su dva japanska proizvođača automobila, i. Njihovi modeli gorivnih ćelija su već ušli masovna proizvodnja dok su njihovi konkurenti odmah iza njih.

Stoga su gorivne ćelije u automobilskoj industriji tu da ostanu. Razmotrite principe tehnologije i njenu primjenu u modernim automobilima.

Princip rada gorivne ćelije

Zapravo, . Sa tehničke tačke gledišta, gorivna ćelija se može definisati kao elektrohemijski uređaj za pretvaranje energije. On pretvara čestice vodonika i kiseonika u vodu, pri čemu se proizvodi električna energija, jednosmerna struja.

Postoji mnogo vrsta gorivnih ćelija, neke se već koriste u automobilima, druge se testiraju u istraživanju. Većina njih koristi vodonik i kisik kao glavne kemijske elemente potrebne za konverziju.

Sličan postupak se događa i kod konvencionalne baterije, jedina razlika je što ona već ima sve potrebne kemikalije potrebne za konverziju "na brodu", dok se gorivna ćelija može "napuniti" iz eksterni izvor, zahvaljujući čemu se može nastaviti proces "proizvodnje" električne energije. Osim vodene pare i struje, dr nusproizvod postupak je generirana toplina.

Protonska izmjenjivačka gorivna ćelija vodik-kiseonik sadrži polimernu membranu koja provode proton i koja razdvaja dvije elektrode, anodu i katodu. Svaka elektroda je obično ugljična ploča (matrica) sa deponiranim katalizatorom - platinom ili legurom platinoida i drugim sastavima.

Na anodnom katalizatoru, molekularni vodonik disocira i gubi elektrone. Kationi vodika se vode kroz membranu do katode, ali se elektroni odaju u vanjsko kolo, jer membrana ne dozvoljava elektronima da prođu.

Na katodnom katalizatoru, molekul kiseonika se kombinuje sa elektronom (koji se dovodi iz spoljnih komunikacija) i dolaznim protonom i formira vodu, koja je jedini proizvod reakcije (u obliku pare i/ili tečnosti).

wikipedia.org

Primjena u automobilima

Od svih vrsta gorivnih ćelija, čini se da je najbolji kandidat za primjenu u Vozilo ah čelične gorivne ćelije bazirane na membranama za izmjenu protona ili kako ih na zapadu zovu - Polymer Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC). Glavni razlozi za to su njegova velika gustina snage i relativno niska radna temperatura, što zauzvrat znači da nije potrebno mnogo vremena da se gorivne ćelije puste u rad. Brzo će se zagrijati i početi proizvoditi potrebnu količinu električne energije. Također koristi jednu od najjednostavnijih reakcija svih vrsta gorivnih ćelija.

Prvo vozilo sa ovom tehnologijom napravljeno je davne 1994. godine kada je Mercedes-Benz predstavio MB100 baziran na NECAR1 (novi električni automobil 1). Pored male izlazne snage (samo 50 kilovata), najviše veliki nedostatak ovog koncepta je bilo da gorivna ćelija zauzima čitav volumen tovarni prostor kombi.

Štaviše, sa tačke gledišta pasivna sigurnost, to je bila užasna ideja za masovnu proizvodnju, s obzirom na potrebu da se na brod ugradi masivni rezervoar napunjen zapaljivim vodonikom pod pritiskom.

Tokom sljedeće decenije, tehnologija je evoluirala i jedan od najnovijih Mercedesovih koncepata gorivnih ćelija imao je izlaznu snagu od 115 KS. (85 kW) i domet od oko 400 kilometara prije dopunjavanja goriva. Naravno, Nijemci nisu bili jedini pioniri u razvoju gorivih ćelija budućnosti. Ne zaboravite dva Japanca, Toyotu i . Jedan od najvećih automobilskih igrača bila je Honda, koja je predstavila serijski automobil sa elektrana na vodonične gorive ćelije. Leasing prodaja FCX Clarityja u Sjedinjenim Državama počela je u ljeto 2008., a nešto kasnije prodaja automobila se preselila u Japan.

Toyota je otišla još dalje sa Miraijem, čiji je napredni sistem vodoničnih gorivnih ćelija očigledno sposoban dati futurističkom automobilu domet od 520 km na jednom rezervoaru koji se može napuniti gorivom za manje od pet minuta, baš kao i konvencionalni. Brojke potrošnje goriva će zadiviti svakog skeptika, nevjerovatne su čak i za automobil sa klasičnom elektranom, troši 3,5 litara, bez obzira da li se automobil koristi u gradu, na autoputu ili u kombinovanom ciklusu.

Prošlo je osam godina. Honda je to vrijeme dobro iskoristila. Sekunda Honda generacija FCX Clarity je sada u prodaji. Njegove gorive ćelije su 33% kompaktnije od prvog modela, sa 60% povećanjem gustine snage. Honda uvjerava da su gorivne ćelije i integrirane pogonska jedinica u Clarity Fuel Cell je uporediv po veličini sa V6 motorom, koji ostavlja dovoljno unutrašnji prostor za pet putnika i njihov prtljag.

Procijenjeni domet je 500 km, a početna cijena novih artikala bi trebala biti fiksirana na 60.000 dolara. Skupo? Naprotiv, veoma je jeftin. Početkom 2000. godine, automobili sa ovim tehnologijama koštali su 100.000 dolara.

Kao što postoje različite vrste motora sa unutrašnjim sagorevanjem, postoje Razne vrste gorivne ćelije - izbor odgovarajuće vrste gorivne ćelije zavisi od njene primene.

Gorivne ćelije se dijele na visokotemperaturne i niskotemperaturne. Niskotemperaturne gorivne ćelije zahtevaju relativno čist vodonik kao gorivo. To često znači da je prerada goriva potrebna za pretvaranje primarnog goriva (kao što je prirodni plin) u čisti vodonik. Ovaj proces troši dodatnu energiju i zahtijeva posebnu opremu. Visokotemperaturne gorivne ćelije ne trebaju ovu dodatnu proceduru, jer mogu "interno pretvoriti" gorivo u povišene temperature, što znači da nema potrebe za ulaganjem u vodoničnu infrastrukturu.

Gorivne ćelije na rastopljenom karbonatu (MCFC)

Gorivne ćelije sa rastopljenim karbonatnim elektrolitom su gorive ćelije visoke temperature. Visoka radna temperatura omogućava direktnu upotrebu prirodnog gasa bez procesora goriva i niskokalorične vrednosti gorivog gasa iz procesnih goriva i drugih izvora. Ovaj proces je razvijen sredinom 1960-ih. Od tog vremena tehnologija proizvodnje, performanse i pouzdanost su poboljšani.

Rad RCFC-a se razlikuje od ostalih gorivnih ćelija. Ove ćelije koriste elektrolit iz mješavine rastopljenih karbonatnih soli. Trenutno se koriste dvije vrste mješavina: litijum karbonat i kalijum karbonat ili litijum karbonat i natrijum karbonat. Za topljenje karbonatnih soli i postizanje visok stepen mobilnost jona u elektrolitu, gorivne ćelije sa rastopljenim karbonatnim elektrolitom rade na visokim temperaturama (650°C). Efikasnost varira između 60-80%.

Kada se zagreju na temperaturu od 650°C, soli postaju provodnik za karbonatne jone (CO 3 2-). Ovi ioni prelaze s katode na anodu gdje se spajaju s vodikom i formiraju vodu, ugljični dioksid i slobodne elektrone. Ovi elektroni se šalju duž vanjskog električni krug natrag na katodu, dok generira struja i toplina kao nusproizvod.

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

Visoke radne temperature gorivnih ćelija rastopljenog karbonatnog elektrolita imaju određene prednosti. Na visokim temperaturama, prirodni gas se interno reformiše, eliminišući potrebu za procesorom goriva. Osim toga, prednosti uključuju mogućnost korištenja standardnih materijala za konstrukciju, kao što su lim od nehrđajućeg čelika i nikl katalizator na elektrodama. Otpadna toplota se može koristiti za proizvodnju pare visokog pritiska za razne industrijske i komercijalne svrhe.

Visoke temperature reakcije u elektrolitu također imaju svoje prednosti. Korištenju visokih temperatura potrebno je dugo vremena da se postignu optimalni radni uvjeti, a sistem sporije reaguje na promjene u potrošnji energije. Ove karakteristike omogućavaju upotrebu sistema gorivnih ćelija sa rastopljenim karbonatnim elektrolitom u uslovima konstantne snage. Visoke temperature sprečavaju oštećenje gorivih ćelija ugljičnim monoksidom, "trovanje" itd.

Gorivne ćelije od rastopljenog karbonata su pogodne za upotrebu u velikim stacionarnim instalacijama. Termoelektrane izlazne električne snage od 2,8 MW industrijski se proizvode. Razvijaju se postrojenja sa izlaznom snagom do 100 MW.

Gorivne ćelije fosforne kiseline (PFC)

Gorivne ćelije na bazi fosforne (ortofosforne) kiseline bile su prve gorive ćelije za komercijalnu upotrebu. Ovaj proces je razvijen sredinom 1960-ih i testiran je od 1970-ih. Od tada, stabilnost, performanse i troškovi su povećani.

Gorivne ćelije na bazi fosforne (ortofosforne) kiseline koriste elektrolit na bazi fosforna kiselina(H 3 PO 4) sa koncentracijom do 100%. Jonska provodljivost fosforne kiseline je niska na niskim temperaturama, zbog čega se ove gorive ćelije koriste na temperaturama do 150-220°C.

Nosač naboja u gorivnim ćelijama ovog tipa je vodonik (H+, proton). Sličan proces se događa u gorivnim ćelijama s protonskom izmjenom (MEFC), u kojima se vodonik doveden na anodu dijeli na protone i elektrone. Protoni prolaze kroz elektrolit i kombinuju se sa kiseonikom iz vazduha na katodi i formiraju vodu. Elektroni se usmjeravaju duž vanjskog električnog kola i stvara se električna struja. Ispod su reakcije koje stvaraju električnu energiju i toplinu.

Reakcija na anodi: 2H 2 => 4H + + 4e -
Reakcija na katodi: O 2 (g) + 4H + + 4e - \u003d\u003e 2H 2 O
Opća reakcija elementa: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Efikasnost gorivih ćelija na bazi fosforne (ortofosforne) kiseline je više od 40% pri generisanju električne energije. U kombinovanoj proizvodnji toplotne i električne energije ukupna efikasnost je oko 85%. Osim toga, s obzirom na radne temperature, otpadna toplina se može koristiti za zagrijavanje vode i stvaranje pare pri atmosferskom pritisku.

Visoke performanse termoelektrana na gorivne ćelije na bazi fosforne (ortofosforne) kiseline u kombinovanoj proizvodnji toplotne i električne energije jedna je od prednosti ove vrste gorivih ćelija. Postrojenja koriste ugljični monoksid u koncentraciji od oko 1,5%, što uvelike proširuje izbor goriva. Osim toga, CO 2 ne utiče na elektrolit i rad gorivne ćelije, ova vrsta ćelija radi sa reformisanim prirodnim gorivom. Jednostavan dizajn, niska isparljivost elektrolita i povećana stabilnost također su prednosti ove vrste gorivih ćelija.

Termoelektrane izlazne električne snage do 400 kW se proizvode industrijski. Instalacije za 11 MW su prošle odgovarajuće testove. Razvijaju se postrojenja sa izlaznom snagom do 100 MW.

Gorivne ćelije sa membranom za izmjenu protona (PME)

Najviše se smatraju gorivne ćelije sa membranom za izmjenu protona najbolji tip gorivne ćelije za proizvodnju snage vozila koja može zamijeniti benzinske i dizel motore s unutrašnjim sagorijevanjem. Ove gorivne ćelije je prvi put koristila NASA za program Gemini. Danas se razvijaju i demonstriraju instalacije na MOPFC snage od 1 W do 2 kW.

Ove gorivne ćelije koriste čvrstu polimernu membranu (tanki plastični film) kao elektrolit. Kada je impregniran vodom, ovaj polimer propušta protone, ali ne provodi elektrone.

Gorivo je vodonik, a nosilac naboja je vodikov jon (proton). Na anodi, molekul vodonika se razdvaja na vodikov jon (proton) i elektrone. Ioni vodika prolaze kroz elektrolit do katode, dok se elektroni kreću po vanjskom krugu i proizvode električnu energiju. Kiseonik, koji se uzima iz vazduha, dovodi se do katode i kombinuje se sa elektronima i ionima vodonika da bi formirao vodu. Na elektrodama se odvijaju sljedeće reakcije:

Reakcija na anodi: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reakcija na katodi: O 2 + 2H 2 O + 4e - \u003d\u003e 4OH -
Opća reakcija elementa: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

U poređenju sa drugim tipovima gorivih ćelija, gorivne ćelije sa membranom za izmjenu protona proizvode više snage za dati volumen ili težinu gorivne ćelije. Ova karakteristika im omogućava da budu kompaktni i lagani. Osim toga, radna temperatura je manja od 100°C, što vam omogućava brz početak rada. Ove karakteristike, kao i mogućnost brze promjene izlazne energije, samo su neke od karakteristika koje ove gorivne ćelije čine glavnim kandidatom za upotrebu u vozilima.

Još jedna prednost je što je elektrolit čvrsta, a ne tečna supstanca. Zadržavanje plinova na katodi i anodi lakše je s čvrstim elektrolitom i stoga su takve gorive ćelije jeftinije za proizvodnju. U poređenju sa drugim elektrolitima, upotreba čvrstog elektrolita ne izaziva probleme kao što je orijentacija, manje je problema zbog pojave korozije, što dovodi do dužeg trajanja ćelije i njenih komponenti.

Čvrste oksidne gorivne ćelije (SOFC)

Čvrste oksidne gorivne ćelije su gorivne ćelije s najvišom radnom temperaturom. Radna temperatura može varirati od 600°C do 1000°C, što omogućava upotrebu različitih vrsta goriva bez posebne predtretmana. Za podnošenje ovih visokih temperatura, korišteni elektrolit je tanak čvrsti metalni oksid na bazi keramike, često legura itrijuma i cirkonija, koji je provodnik kisikovih (O 2 -) jona. Tehnologija upotrebe čvrstih oksidnih gorivnih ćelija razvija se od kasnih 1950-ih. i ima dvije konfiguracije: ravan i cijevni.

Čvrsti elektrolit osigurava hermetički prijelaz plina s jedne elektrode na drugu, dok se tekući elektroliti nalaze u poroznoj podlozi. Nosač naboja u gorivnim ćelijama ovog tipa je jon kiseonika (O 2 -). Na katodi se molekuli kisika odvajaju od zraka na ion kisika i četiri elektrona. Ioni kiseonika prolaze kroz elektrolit i spajaju se sa vodonikom da bi formirali četiri slobodna elektrona. Elektroni se usmjeravaju kroz vanjski električni krug, stvarajući električnu struju i otpadnu toplinu.

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

Efikasnost proizvedene električne energije je najveća od svih gorivnih ćelija - oko 60%. Pored toga, visoke radne temperature omogućavaju kombinovanu proizvodnju toplote i energije za stvaranje pare pod visokim pritiskom. Kombinovanjem gorivne ćelije visoke temperature sa turbinom stvara se hibridna gorivna ćelija koja povećava efikasnost proizvodnje električne energije do 70%.

Čvrste oksidne gorivne ćelije rade na veoma visokim temperaturama (600°C-1000°C), što rezultira dugo vremena za postizanje optimalnih radnih uslova, a sistem sporije reaguje na promene u potrošnji energije. Na tako visokim radnim temperaturama nije potreban pretvarač za rekuperaciju vodonika iz goriva, što omogućava termoelektranu da radi sa relativno nečistim gorivima iz gasifikacije uglja ili otpadnih gasova i slično. Takođe, ova gorivna ćelija je odlična za rad velike snage, uključujući industrijske i velike centralne elektrane. Industrijski proizvedeni moduli sa izlaznom električnom snagom od 100 kW.

Gorivne ćelije sa direktnom oksidacijom metanola (DOMTE)

Tehnologija korištenja gorivnih ćelija s direktnom oksidacijom metanola prolazi kroz period aktivnog razvoja. Uspješno se etablirao u oblasti napajanja mobilnih telefona, laptopa, kao i za izradu prijenosnih izvora napajanja. čemu je usmjerena buduća primjena ovih elemenata.

Struktura gorivih ćelija sa direktnom oksidacijom metanola je slična gorivim ćelijama sa membranom za izmjenu protona (MOFEC), tj. polimer se koristi kao elektrolit, a vodikov ion (proton) se koristi kao nosilac naboja. Međutim, tečni metanol (CH 3 OH) se oksidira u prisustvu vode na anodi, oslobađajući CO 2 , vodikove ione i elektrone, koji se vode kroz vanjski električni krug, te se stvara električna struja. Vodikovi joni prolaze kroz elektrolit i reagiraju s kisikom iz zraka i elektronima iz vanjskog kruga i formiraju vodu na anodi.

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

Razvoj ovih gorivnih ćelija počeo je početkom 1990-ih. Nakon razvoja poboljšanih katalizatora, i zahvaljujući drugim nedavnim inovacijama, gustina snage i efikasnost povećani su do 40%.

Ovi elementi su testirani u temperaturnom opsegu od 50-120°C. Sa niskim radnim temperaturama i bez potrebe za pretvaračem, gorive ćelije s direktnim metanolom su najbolji kandidati za primjenu u rasponu od mobilnih telefona i drugih potrošačkih proizvoda do automobilskih motora. Prednost ove vrste gorivnih ćelija je njihova mala veličina, zbog upotrebe tečnog goriva, te odsustvo potrebe za korištenjem pretvarača.

Alkalne gorive ćelije (AFC)

Alkalne gorivne ćelije (ALFC) jedna su od najviše proučavanih tehnologija i koriste se od sredine 1960-ih. od strane NASA-e u programima Apollo i Space Shuttle. Na brodu ovih svemirski brodovi gorivne ćelije proizvode struju i vodu za piće. Alkalne gorivne ćelije su jedan od najefikasnijih elemenata koji se koriste za proizvodnju električne energije, sa efikasnošću proizvodnje električne energije do 70%.

Alkalne gorive ćelije koriste elektrolit, tj. vodeni rastvor kalijum hidroksida, koji se nalazi u poroznoj, stabilizovanoj matrici. Koncentracija kalijum hidroksida može varirati u zavisnosti od radne temperature gorivne ćelije, koja se kreće od 65°C do 220°C. Nosač naboja u SFC-u je hidroksidni ion (OH-) koji se kreće od katode do anode gdje reaguje sa vodonikom da bi proizveo vodu i elektrone. Voda proizvedena na anodi vraća se na katodu, gdje opet stvara hidroksidne ione. Kao rezultat ove serije reakcija koje se odvijaju u gorivoj ćeliji, proizvodi se električna energija i, kao nusproizvod, toplina:

Reakcija na anodi: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reakcija na katodi: O 2 + 2H 2 O + 4e - \u003d\u003e 4OH -
Opšta reakcija sistema: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Prednost SFC-a je u tome što su ove gorivne ćelije najjeftinije za proizvodnju, budući da katalizator potreban na elektrodama može biti bilo koja od supstanci koje su jeftinije od onih koje se koriste kao katalizatori za druge gorivne ćelije. Osim toga, SCFC rade na relativno niskoj temperaturi i spadaju među najefikasnije gorive ćelije - takve karakteristike mogu doprinijeti bržem stvaranju energije i visokoj efikasnosti goriva.

Jedan od karakteristične karakteristike SHTE - visoka osjetljivost na CO 2 koji može biti sadržan u gorivu ili zraku. CO 2 reaguje sa elektrolitom, brzo ga truje i uveliko smanjuje efikasnost gorivne ćelije. Stoga je upotreba SFC-a ograničena na zatvorene prostore kao što su svemirska i podvodna vozila, oni moraju raditi na čistom vodiku i kisiku. Štaviše, molekuli kao što su CO, H 2 O i CH 4 , koji su sigurni za druge gorivne ćelije, pa čak i gorivo za neke od njih, štetni su za SFC.

Gorivne ćelije sa polimernim elektrolitom (PETE)

U slučaju gorivnih ćelija polimernog elektrolita, polimerna membrana se sastoji od polimernih vlakana sa vodenim područjima u kojima postoji provodljivost vodenih jona H 2 O + (proton, crvena) vezanih za molekul vode. Molekuli vode predstavljaju problem zbog spore izmjene jona. Zbog toga je potrebna visoka koncentracija vode i u gorivu i na elektrodama izduvnih gasova, što ograničava radnu temperaturu na 100°C.

Čvrste kiselinske gorivne ćelije (SCFC)

U ćelijama sa čvrstim kiselim gorivom, elektrolit (C s HSO 4 ) ne sadrži vodu. Radna temperatura je dakle 100-300°C. Rotacija SO 4 2-oksi anjona omogućava protonima (crvenim) da se kreću kao što je prikazano na slici. Tipično, gorivna ćelija s čvrstom kiselinom je sendvič u kojem je vrlo tanak sloj čvrstog kiselinskog spoja u sendviču između dvije čvrsto stisnute elektrode kako bi se osigurao dobar kontakt. Kada se zagrije, organska komponenta isparava, ostavljajući kroz pore u elektrodama, zadržavajući sposobnost brojnih kontakata između goriva (ili kisika na drugom kraju ćelije), elektrolita i elektroda.

Tip gorivne ćelije	Radna temperatura	Efikasnost proizvodnje energije	Vrsta goriva	Područje primjene
RKTE	550–700°C	50-70%		Srednje i velike instalacije
FKTE	100–220°C	35-40%	čisti vodonik	Velike instalacije
MOPTE	30-100°C	35-50%	čisti vodonik	Male instalacije
SOFC	450–1000°C	45-70%	Većina vrsta ugljikovodično gorivo	Male, srednje i velike instalacije
POMTE	20-90°C	20-30%	metanol	Prijenosne jedinice
SHTE	50–200°C	40-65%	čisti vodonik	istraživanje svemira
PETE	30-100°C	35-50%	čisti vodonik	Male instalacije

Stručnjaci za energetiku primjećuju da u većini razvijenih zemalja brzo raste interesovanje za disperzovane izvore energije relativno malog kapaciteta. Glavne prednosti ovih autonomnih elektrana su umjereni kapitalni troškovi tokom izgradnje, brzo puštanje u rad, relativno jednostavno održavanje i dobre ekološke performanse. Sa autonomnim sistemom napajanja nisu potrebna ulaganja u dalekovode i trafostanice. Položaj autonomnih izvora energije direktno na mjestima potrošnje ne samo da eliminira gubitke u mrežama, već i povećava pouzdanost napajanja.

Poznati su autonomni izvori energije kao što su male gasne turbine (gasne turbine), motori sa unutrašnjim sagorevanjem, vetroturbine i solarni paneli na poluprovodnicima.

Za razliku od motora sa unutrašnjim sagorevanjem ili turbina na ugalj/gas, gorivne ćelije ne sagorevaju gorivo. Oni pretvaraju hemijsku energiju goriva u električnu kroz hemijsku reakciju. Stoga gorivne ćelije ne proizvode mnogo gasovi staklene bašte koji se oslobađaju tokom sagorijevanja goriva, kao što su ugljični dioksid (CO2), metan (CH4) i dušikov oksid (NOx). Emisije gorivih ćelija su voda u obliku pare i niske razine ugljičnog dioksida (ili nikakva emisija CO2) kada se vodonik koristi kao gorivo za ćelije. Osim toga, gorivne ćelije rade tiho jer ne uključuju bučne rotore visokog pritiska i nema buke izduvnih gasova ili vibracija tokom rada.

Gorivna ćelija pretvara hemijsku energiju goriva u električnu hemijskom reakcijom sa kiseonikom ili drugim oksidacionim agensom. Gorivne ćelije se sastoje od anode (negativna strana), katode ( pozitivnu stranu) i elektrolit koji omogućava kretanje naelektrisanja između dvije strane gorivne ćelije (Slika: Šematski dijagram gorivih ćelija).

Elektroni se kreću od anode do katode kroz vanjsko kolo, stvarajući električnu energiju jednosmerna struja. Zbog činjenice da je glavna razlika između različitih tipova gorivih ćelija elektrolit, gorivne ćelije se dijele prema vrsti korištenog elektrolita, tj. visokotemperaturne i niskotemperaturne gorivne ćelije (TEPM, PMTE). Vodonik je najčešće gorivo, ali ponekad se mogu koristiti i ugljovodonici kao što su prirodni gas i alkoholi (tj. metanol). Gorivne ćelije se razlikuju od baterija po tome što im je potreban stalan izvor goriva i kisika/vazduha za održavanje kemijske reakcije, a proizvode električnu energiju sve dok se napajaju.

Gorivne ćelije imaju sljedeće prednosti u odnosu na konvencionalne izvore energije kao što su motori s unutarnjim sagorijevanjem ili baterije:

• Gorivne ćelije imaju više visoka efikasnost nego dizel ili plinski motori.
• Većina gorivih ćelija je tiha u poređenju sa motorima sa unutrašnjim sagorevanjem. Stoga su pogodni za zgrade sa posebnim zahtjevima, kao što su bolnice.
• Gorivne ćelije ne dovode do zagađenja uzrokovanog sagorijevanjem fosilnih goriva; na primjer, jedini nusproizvod vodoničnih gorivnih ćelija je voda.
• Ako se vodonik dobije elektrolizom vode koju daje obnovljivi izvor energije, tada se pri korištenju gorivih ćelija ne oslobađa staklenički plin tijekom cijelog ciklusa.
• Gorive ćelije ne zahtijevaju konvencionalna goriva kao što su nafta ili plin, tako da se ekonomska ovisnost o zemljama proizvođačima nafte može ukloniti i postići veća energetska sigurnost.
• Gorivne ćelije ne ovise o energetskim mrežama, jer se vodonik može proizvoditi bilo gdje gdje su voda i struja dostupni, a proizvedeno gorivo se može distribuirati.
• Kada se koriste stacionarne gorivne ćelije za proizvodnju energije na mjestu potrošnje, mogu se koristiti decentralizirane energetske mreže koje su potencijalno stabilnije.
• Niskotemperaturne gorivne ćelije (TEPM, PMTE) imaju nizak nivo prijenos topline, što ih čini idealnim za razne primjene.
• Gorivne ćelije sa više visoke temperature proizvode visokokvalitetnu procesnu toplinu zajedno sa električnom energijom i vrlo su pogodni za kogeneraciju (npr koprodukcija toplotna i električna energija za stambene zgrade).
• Vrijeme rada je mnogo duže od vremena rada baterija, jer je potrebno samo više goriva da bi se produžilo vrijeme rada, a nije potrebno povećanje produktivnosti postrojenja.
• Za razliku od baterija, gorivne ćelije imaju "efekat memorije" kada se pune gorivom.
• Održavanje gorivih ćelija je jednostavno jer nemaju velike pokretne dijelove.

Najčešće gorivo za gorive ćelije je vodonik, jer ne emituje štetne zagađivače. Međutim, mogu se koristiti i druga goriva, a pogonjene gorive ćelije prirodni gas, smatraju se efikasnim alternativa kada je prirodni plin dostupan po konkurentnim cijenama. U gorivim ćelijama, protok goriva i oksidansa prolazi kroz elektrode koje su razdvojene elektrolitom. Ovo uzrokuje hemijsku reakciju koja proizvodi električnu energiju; nema potrebe za sagorevanjem goriva ili dodavanjem toplotne energije, što je obično slučaj sa tradicionalnim metodama proizvodnje električne energije. Pri korištenju prirodnog čistog vodika kao goriva i kisika kao oksidacijskog sredstva, kao rezultat reakcije koja se javlja u gorivoj ćeliji, proizvodi se voda, toplinska energija i električna energija. Kada se koriste s drugim gorivima, gorivne ćelije emituju vrlo niske emisije zagađivača i proizvode visokokvalitetnu i pouzdanu električnu energiju.

Prednosti gorivnih ćelija prirodnog gasa su sledeće:

• Pogodnosti za okruženje - Gorivne ćelije su čista metoda proizvodnje električne energije iz fosilnih goriva. Budući da gorivne ćelije koje rade na čistom vodiku i kisiku proizvode samo vodu, struju i toplinu; druge vrste gorivnih ćelija emituju zanemarljive količine sumpornih jedinjenja i veoma niske nivoe ugljen-dioksida. Međutim, ugljični dioksid koji emituju gorivne ćelije je koncentrisan i lako se može uhvatiti umjesto da se ispusti u atmosferu.
• Efikasnost- Gorivne ćelije pretvaraju energiju dostupnu u fosilnim gorivima u električnu energiju mnogo efikasnije od konvencionalnih metoda proizvodnje električne energije na gorivo. To znači da je za proizvodnju iste količine električne energije potrebno manje goriva. Prema Nacionalnoj laboratoriji za energetsku tehnologiju 58, mogu se proizvoditi gorivne ćelije (u kombinaciji sa turbinama na prirodni gas) koje će raditi u opsegu snage od 1 do 20 MWe sa efikasnošću od 70%. Ova efikasnost je mnogo veća od efikasnosti koja se može postići tradicionalnim metodama proizvodnje električne energije u specificiranom opsegu snage.
• Proizvodnja sa distribucijom- Gorivne ćelije se mogu proizvoditi u vrlo malim veličinama; ovo omogućava njihovo postavljanje na mjesta gdje je potrebna struja. Ovo se odnosi na stambene, poslovne, industrijske, pa čak i instalacije za vozila.
• Pouzdanost- Gorivne ćelije su potpuno zatvoreni uređaji bez pokretnih dijelova ili složenih mašina. To ih čini pouzdanim izvorima električne energije, sposobnim da rade mnogo sati. Osim toga, oni su gotovo nečujni i sigurni izvori električne energije. Takođe u gorivim ćelijama nema strujnih udara; to znači da se mogu koristiti u slučajevima kada je potreban stalno funkcionalan, pouzdan izvor električne energije.

Donedavno su manje popularne bile gorivne ćelije (FC), koje su elektrohemijski generatori sposobni da hemijsku energiju pretvaraju u električnu, zaobilazeći procese sagorevanja, pretvarajući toplotnu energiju u mehaničku, a potonju u električnu. Električna energija se stvara u gorivim ćelijama zbog kemijske reakcije između redukcijskog agensa i oksidacijskog sredstva, koji se kontinuirano dovode do elektroda. Redukciono sredstvo je najčešće vodonik, a oksidaciono sredstvo kiseonik ili vazduh. Kombinacija gorivih ćelija i uređaja za snabdevanje reagensima, uklanjanje produkata reakcije i toplote (koja se može iskoristiti) je elektrohemijski generator.
U poslednjoj deceniji 20. veka, kada su pouzdanost napajanja i briga o životnoj sredini bili od posebne važnosti, mnoge firme u Evropi, Japanu i Sjedinjenim Državama počele su da razvijaju i proizvode nekoliko varijanti gorivnih ćelija.
Najjednostavnije su alkalne gorivne ćelije, od kojih je započeo razvoj ove vrste autonomnih izvora energije. Radna temperatura u ovim gorivnim ćelijama je 80-95°C, elektrolit je 30% rastvor kaustičnog kalijuma. Alkalne gorive ćelije rade na čistom vodoniku.
Zadnji put rasprostranjena dobio PEM gorivu ćeliju sa membranama za izmjenu protona (sa polimernim elektrolitom). Radna temperatura u ovom procesu je takođe 80-95°C, ali se kao elektrolit koristi čvrsta jonoizmenjivačka membrana sa perfluorsulfonskom kiselinom.
Doduše, komercijalno najatraktivnija je gorivna ćelija PAFC fosforne kiseline, koja postiže efikasnost od 40% samo u proizvodnji električne energije i -85% kada se koristi proizvedena toplota. Radna temperatura ove gorivne ćelije je 175–200°C, elektrolit je silicijum karbid koji impregnira tečnom fosfornom kiselinom i povezan sa teflonom.

Paket ćelija je opremljen sa dve porozne grafitne elektrode i orto-fosfornom kiselinom kao elektrolitom. Elektrode su obložene platinastim katalizatorom. U reformatoru prirodni plin, u interakciji s parom, prelazi u vodonik i CO, koji se u konvertoru dodatno oksidira u CO2. Nadalje, pod utjecajem katalizatora, molekule vodonika na anodi disociraju u ione H. Elektroni oslobođeni u ovoj reakciji usmjeravaju se kroz opterećenje na katodu. Na katodi reagiraju s ionima vodika koji difundiraju kroz elektrolit i s ionima kisika, koji nastaju kao rezultat katalitičke oksidacije kisika zraka na katodi, na kraju stvarajući vodu.
Gorivne ćelije sa rastopljenim karbonatom tipa MCFC takođe spadaju u perspektivne tipove gorivnih ćelija. Ova gorivna ćelija, kada radi na metan, ima efikasnost od 50-57% za električnu energiju. Radna temperatura 540-650°C, elektrolit - rastopljeni karbonat kalijum i natrijum alkalija u ljusci - matrica od litijum-aluminijum oksida LiA102.
I, konačno, gorivni element koji najviše obećava je SOFC. To je gorivna ćelija od čvrstog oksida koja koristi bilo koje plinovito gorivo i najprikladnija je za relativno velike instalacije. Njegova energetska efikasnost je 50-55%, a kada se koristi u kombinovanim postrojenjima i do 65%. Radna temperatura 980-1000°C, elektrolit - čvrsti cirkonijum, stabilizovan itrijumom.

Na sl. 2 prikazuje 24-ćelijsku SOFC bateriju koju je razvila Siemens Westinghouse Power Corporation (SWP - Njemačka). Ova baterija je osnova elektrohemijskog generatora koji pokreće prirodni gas. Prva demonstraciona ispitivanja elektrane ovog tipa snage 400 W obavljena su već 1986. godine. U narednim godinama dizajn čvrstih oksidnih gorivnih ćelija je poboljšan i njihova snaga je povećana.

Najuspješnija su bila demonstracijska ispitivanja elektrane snage 100 kW puštene u rad 1999. Elektrana je potvrdila mogućnost dobijanja električne energije sa visokim učinkom (46%), a pokazala je i visoku stabilnost karakteristika. Time je dokazana mogućnost rada elektrane najmanje 40 hiljada sati uz prihvatljiv pad snage.

2001. godine razvijena je nova elektrana na bazi čvrstih oksidnih elemenata, koja radi na atmosferskom pritisku. Baterija (elektrohemijski generator) elektrane snage 250 kW sa kombinovanom proizvodnjom električne i toplotne energije uključivala je 2304 čvrsta oksidna cevna elementa. Pored toga, instalacija je uključivala inverter, regenerator, grijač na gorivo (prirodni plin), komoru za sagorijevanje za grijanje zraka, izmjenjivač topline za zagrijavanje vode zbog topline dimnih plinova i drugo. pomoćna oprema. Gde dimenzije instalacije su bile prilično umjerene: 2,6x3,0x10,8 m.
Određeni napredak u razvoju velikih gorivnih ćelija postigli su japanski stručnjaci. Istraživački rad započeli su u Japanu još 1972. godine, ali je značajan napredak postignut tek sredinom 1990-ih. Eksperimentalni moduli gorivih ćelija imali su snagu od 50 do 1000 kW, od kojih je 2/3 radilo na prirodni gas.
U Japanu je 1994. godine izgrađena elektrana na gorivne ćelije od 1 MW. Sa ukupnim faktorom efikasnosti (sa proizvodnjom pare i tople vode) od 71%, instalacija je imala faktor efikasnosti za snabdevanje električnom energijom od najmanje 36%. Od 1995. godine, prema izvještajima štampe, u Tokiju radi elektrana na gorive ćelije sa fosfornom kiselinom od 11 MW, a opšta vlast proizvedene gorivne ćelije do 2000. dostigle su 40 MW.

Sve gore navedene instalacije pripadaju industrijskoj klasi. Njihovi programeri stalno nastoje povećati snagu jedinica kako bi poboljšali troškovne karakteristike (specifični troškovi po kW instalirane snage i trošak proizvedene električne energije). Ali postoji nekoliko kompanija koje su postavile drugačiji cilj: razviti najjednostavnije instalacije za domaću potrošnju, uključujući pojedinačna napajanja. I u ovoj oblasti postoje značajna dostignuća:

• Plug Power LLC je razvio jedinicu gorivih ćelija od 7 kW za napajanje kuće;
• H Power Corporation proizvodi punjače baterija od 50-100 W koji se koriste u transportu;
• Intern company. Fuel Cells LLC proizvodi vozila od 50-300W i lična napajanja;
• Analytic Power Inc. je razvila osobna napajanja od 150 W za američku vojsku, kao i kućna napajanja gorivih ćelija od 3 kW do 10 kW.

Koje su prednosti gorivnih ćelija koje potiču brojne kompanije da ulažu velika sredstva u njihov razvoj?
Pored visoke pouzdanosti, elektrohemijski generatori imaju i visoku efikasnost, što ih povoljno razlikuje od parnih turbinskih postrojenja, pa čak i od postrojenja sa jednostavnim ciklusnim gasnim turbinama. Važna prednost gorivnih ćelija je pogodnost njihove upotrebe kao raspršenih izvora energije: modularni dizajn omogućava vam da serijski povežete bilo koji broj pojedinačni elementi sa formiranjem baterije - idealan kvalitet za izgradnju snage.

Ali najvažniji argument u korist gorivnih ćelija je njihov ekološki učinak. Emisije NOX i CO iz ovih instalacija su toliko male da, na primjer, okružne vlasti za kvalitetu zraka u regijama (gdje su propisi o kontroli okoliša najstroži u SAD-u) ni ne spominju ovu opremu u svim zahtjevima u pogledu zaštite atmosfere.

Brojne prednosti gorivnih ćelija, nažalost, trenutno ne mogu nadmašiti njihov jedini nedostatak - visoku cijenu.U SAD-u, na primjer, specifični kapitalni troškovi za izgradnju elektrane, čak i sa najkonkurentnijim gorivnim ćelijama, iznose oko 3.500 USD/kW . Iako vlada daje subvenciju od 1.000 USD/kWh kako bi stimulirala potražnju za ovom tehnologijom, cijena izgradnje takvih objekata ostaje prilično visoka. Pogotovo kada se uporede sa kapitalnim troškovima za izgradnju mini-CHP sa gasnim turbinama ili sa motorima sa unutrašnjim sagorevanjem megavatnog opsega snage, koji iznose oko 500 USD/kW.

Posljednjih godina postignut je određeni napredak u smanjenju troškova FC instalacija. Izgradnja elektrana sa gorivnim ćelijama na bazi fosforne kiseline kapaciteta 0,2-1,0 MW, što je gore navedeno, koštalo je 1.700 dolara/kW. Trošak proizvodnje energije u takvim instalacijama u Njemačkoj, kada se koristi 6000 sati godišnje, izračunava se na 7,5-10 centi/kWh. Postrojenje PC25 snage 200 kW kojim upravlja Hessische EAG (Darmstadt) također ima dobre ekonomske pokazatelje: cijenu električne energije, uključujući amortizacije, troškovi goriva i održavanja instalacije su iznosili 15 centi/kWh. Isti pokazatelj za TE na lignit iznosio je 5,6 centa/kWh u elektroprivredi, 4,7 centa/kWh na kameni ugalj, 4,7 centa/kWh za postrojenja s kombinovanim ciklusom i dizel elektrane- 10,3 centa/kWh.

Izgradnja veće fabrike gorivnih ćelija (N=1564 kW), koja radi od 1997. godine u Kelnu, zahtevala je specifične kapitalne troškove u iznosu od 1500-1750 USD/kW, ali je cena stvarnih gorivnih ćelija bila samo 400 USD/kW

Sve navedeno pokazuje da gorivne ćelije jesu perspektivni pogled oprema za proizvodnju energije za industriju i offline instalacije komunalni sektor. Visoka efikasnost korištenje plina i odlične ekološke karakteristike daju razlog za vjerovanje da će nakon rješavanja najvažnijeg zadatka - smanjenja troškova - ova vrsta elektroenergetske opreme biti tražena na tržištu autonomnih sistema za opskrbu toplinom i električnom energijom.

Nissanova vodonična gorivna ćelija

Mobilna elektronika se svake godine poboljšava, postaje sve raširenija i pristupačnija: PDA uređaji, laptopi, mobilni i digitalni uređaji, okviri za fotografije, itd. veličina.. Tehnologije napajanja, za razliku od poluvodičke tehnologije, ne idu skokovima i granicama.

Dostupne baterije i akumulatori za napajanje dostignuća industrije postaju nedovoljni, pa je pitanje alternativnih izvora veoma akutno. Gorivne ćelije su daleko najperspektivniji smjer. Princip njihovog rada otkrio je davne 1839. William Grove, koji je proizveo električnu energiju mijenjajući elektrolizu vode.

Video: Dokumentarac, gorivne ćelije za transport: prošlost, sadašnjost, budućnost

Gorivne ćelije interesuju proizvođače automobila, a za njih su zainteresovani i kreatori svemirskih letelica. Godine 1965. čak ih je Amerika testirala na Gemini 5 lansiranom u svemir, a kasnije i na Apollu. Milioni dolara se ulažu u istraživanje gorivnih ćelija danas, kada postoje problemi povezani sa zagađenjem životne sredine, povećanjem emisije gasova staklene bašte nastalih tokom sagorevanja organsko gorivo, čije rezerve takođe nisu beskonačne.

Gorivna ćelija, koja se često naziva i elektrohemijski generator, radi na način opisan u nastavku.

Biti, kao i akumulatori i baterije, galvanska ćelija, ali s tom razlikom što se aktivne tvari u njoj pohranjuju odvojeno. Dolaze do elektroda kako se koriste. Gori na negativnoj elektrodi prirodno gorivo ili bilo koju supstancu izvedenu iz njega, koja može biti gasovita (vodonik, na primer, i ugljen monoksid) ili tečna, kao što su alkoholi. Na pozitivnoj elektrodi, u pravilu, reagira kisik.

Ali princip rada koji izgleda jednostavno nije lako pretočiti u stvarnost.

DIY gorivne ćelije

Video: DIY vodonične gorivne ćelije

Nažalost, nemamo fotografije kako bi ovaj goriv element trebao izgledati, nadamo se vašoj mašti.

Gorivna ćelija male snage vlastitim rukama može se napraviti čak iu školskoj laboratoriji. Morate se opskrbiti starom gas maskom, nekoliko komada pleksiglasa, lugom i vodeni rastvor etil alkohol (jednostavnije, votka), koji će služiti kao "gorivo" za gorivnu ćeliju.

Prije svega, potrebno vam je kućište za gorivnu ćeliju, koje je najbolje napraviti od pleksiglasa, debljine najmanje pet milimetara. Unutrašnje pregrade (pet pregrada iznutra) mogu se napraviti malo tanje - 3 cm. Za lijepljenje pleksiglasa koristi se ljepilo sljedećeg sastava: šest grama čipsa od pleksiglasa otopljeno je u sto grama hloroforma ili dihloroetana (rade ispod haube ).

U vanjskom zidu sada je potrebno izbušiti rupu u koju je potrebno umetnuti odvodnu staklenu cijev promjera 5-6 centimetara kroz gumeni čep.

Svi to znaju u periodnom sistemu na lijevoj strani donji ugao najaktivniji su metali, a visokoaktivni metaloidi su u tabeli u gornjem desnom uglu, tj. sposobnost doniranja elektrona povećava se odozgo prema dolje i s desna na lijevo. Elementi koji se pod određenim uslovima mogu manifestovati kao metali ili metaloidi nalaze se u centru tabele.

Sada u drugi i četvrti odjeljak ulijemo aktivni ugljen iz gas maske (između prve pregrade i druge, kao i treće i četvrte), koja će djelovati kao elektrode. Kako se ugalj ne bi izlio kroz rupice, može se staviti u najlonsku tkaninu (dostat će ženske najlonske čarape). IN

Gorivo će cirkulisati u prvoj komori, u petoj bi trebalo da postoji snabdevač kiseonikom - vazduh. Između elektroda će biti elektrolit, a kako bi se spriječilo njegovo curenje u zračnu komoru, potrebno ga je natopiti otopinom parafina u benzinu (omjer 2 grama parafina na pola čaše benzina) prije punjenja četvrte komore ugljem za zračni elektrolit. Na sloj uglja potrebno je staviti (blago pritiskanje) bakrene ploče na koje su zalemljene žice. Preko njih će se struja preusmjeriti sa elektroda.

Ostaje samo napuniti element. Za to je potrebna votka, koja se mora razrijediti vodom u omjeru 1: 1. Zatim pažljivo dodajte trista do tri stotine i pedeset grama kaustičnog kalijuma. Za elektrolit, 70 grama kaustičnog kalijuma rastvoreno je u 200 grama vode.

Gorivna ćelija je spremna za testiranje. Sada morate istovremeno sipati gorivo u prvu komoru, a elektrolit u treću. Voltmetar pričvršćen na elektrode trebao bi pokazati od 07 volti do 0,9. Da obezbedi kontinuirani rad elementa, potrebno je isprazniti istrošeno gorivo (ocijediti u čašu) i dodati novo gorivo (kroz gumenu cijev). Brzina pomaka se kontrolira stiskanjem cijevi. Ovako izgleda rad gorivne ćelije u laboratorijskim uslovima, čija je snaga razumljivo mala.

Video: Goriva ćelija ili vječna baterija kod kuće

Da bi snaga bila veća, naučnici već dugo rade na ovom problemu. Gorivne ćelije metanola i etanola nalaze se na čeliku za aktivni razvoj. Ali, nažalost, do sada ne postoji način da se oni provedu u praksi.

Zašto je gorivna ćelija odabrana kao alternativni izvor energije

Kao alternativni izvor energije odabrana je gorivna ćelija, budući da je krajnji proizvod sagorijevanja vodonika u njoj voda. Problem je samo u pronalaženju jeftinog i efikasan način dobijanje vodonika. Kolosalna sredstva uložena u razvoj vodonik generatora i gorivnih ćelija ne mogu ne uroditi plodom, pa je tehnološki iskorak i njihova stvarna upotreba u svakodnevnom životu samo pitanje vremena.

Već danas čudovišta automobilske industrije: General Motors, Honda, Dreimler Koisler, Ballard demonstriraju autobuse i automobile koji rade na gorive ćelije snage do 50 kW. Ali, problemi povezani s njihovom sigurnošću, pouzdanošću, troškovima - još nisu riješeni. Kao što je već spomenuto, za razliku od tradicionalnih izvora energije – baterija i baterija, u ovom slučaju, oksidant i gorivo se napajaju izvana, a gorivna ćelija je samo posrednik u tekućoj reakciji sagorijevanja goriva i pretvaranja oslobođene energije u električnu energiju. . „Izgaranje“ se javlja samo ako element daje struju opterećenju, kao dizel električni generator, ali bez generatora i dizela, a također i bez buke, dima i pregrijavanja. Istovremeno, efikasnost je mnogo veća, jer nema međumehanizma.

Video: Automobil na vodikove gorive ćelije

Velike nade polažu se u upotrebu nanotehnologija i nanomaterijala, koji će pomoći u minijaturizaciji gorivnih ćelija, uz povećanje njihove snage. Bilo je izvještaja da su stvoreni ultra efikasni katalizatori, kao i dizajni gorivih ćelija koji nemaju membrane. U njima se, zajedno s oksidatorom, elementu dovodi gorivo (na primjer, metan). Zanimljiva su rješenja u kojima se kao oksidant koristi kisik otopljen u vodi, a kao gorivo se koriste organske nečistoće koje se nakupljaju u zagađenim vodama. To su takozvane ćelije za biogorivo.

Gorivne ćelije, prema mišljenju stručnjaka, mogu ući na masovno tržište u narednim godinama