Stany Zjednoczone podjęły kilka inicjatyw w celu opracowania wodorowych ogniw paliwowych, infrastruktury i technologii, dzięki którym pojazdy napędzane ogniwami paliwowymi będą praktyczne i ekonomiczne do 2020 roku. Na te cele przeznaczono ponad miliard dolarów.

Ogniwa paliwowe wytwarzają energię elektryczną cicho i wydajnie, nie zanieczyszczając środowiska. W przeciwieństwie do paliw kopalnych, produktami ubocznymi ogniw paliwowych są ciepło i woda. Jak to działa?

W tym artykule dokonamy krótkiego przeglądu każdej z istniejących obecnie technologii paliwowych, a także omówimy budowę i działanie ogniw paliwowych oraz porównamy je z innymi formami produkcji energii. Omówimy również niektóre przeszkody napotykane przez badaczy w uczynieniu ogniw paliwowych praktycznymi i przystępnymi cenowo dla konsumentów.

Ogniwa paliwowe są urządzenia do elektrochemicznej konwersji energii. Ogniwo paliwowe przekształca chemikalia, wodór i tlen, w wodę, wytwarzając w ten sposób energię elektryczną.

Kolejnym urządzeniem elektrochemicznym, które wszyscy dobrze znamy, jest bateria. Bateria zawiera wszystkie niezbędne pierwiastki chemiczne i zamienia te substancje w energię elektryczną. Oznacza to, że bateria w końcu „umiera” i albo ją wyrzucasz, albo ładujesz.

W ogniwie paliwowym stale podawane są chemikalia, dzięki czemu nigdy nie „umiera”. Energia elektryczna będzie generowana tak długo, jak chemikalia dostaną się do komórki. Większość używanych obecnie ogniw paliwowych wykorzystuje wodór i tlen.

Wodór jest najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem w naszej galaktyce. Jednak wodór praktycznie nie występuje na Ziemi w swojej elementarnej postaci. Inżynierowie i naukowcy muszą wydobywać czysty wodór ze związków wodoru, w tym paliw kopalnych lub wody. Aby wydobyć wodór z tych związków, trzeba wydatkować energię w postaci ciepła lub elektryczności.

Wynalezienie ogniw paliwowych

Sir William Grove wynalazł pierwsze ogniwo paliwowe w 1839 roku. Grove wiedział, że wodę można rozdzielić na wodór i tlen poprzez przejście prąd elektryczny przez nią (proces tzw elektroliza). Zasugerował, że w odwrotnej kolejności można uzyskać elektryczność i wodę. Stworzył prymitywne ogniwo paliwowe i nazwał je akumulator galwaniczny gazowy. Po eksperymentach ze swoim nowym wynalazkiem Grove udowodnił swoją hipotezę. Pięćdziesiąt lat później termin ten ukuli naukowcy Ludwig Mond i Charles Langer ogniwa paliwowe przy próbie zbudowania praktycznego modelu wytwarzania energii.

Ogniwo paliwowe będzie konkurować z wieloma innymi urządzeniami przetwarzającymi energię, m.in Turbiny gazowe w miejskich elektrowniach, silnikach wewnętrzne spalanie w samochodach, a także wszelkiego rodzaju akumulatory. Silniki spalinowe, podobnie jak turbiny gazowe, spalają różne rodzaje paliw i wykorzystują do działania ciśnienie wytwarzane przez rozprężanie gazów Praca mechaniczna. Baterie przekształcają energię chemiczną w energię elektryczną, gdy jest to potrzebne. Ogniwa paliwowe muszą wykonywać te zadania wydajniej.

Ogniwo paliwowe zapewnia napięcie stałe (prąd stały), które można wykorzystać do zasilania silników elektrycznych, oświetlenia i innych urządzeń elektrycznych.

Istnieje kilka różnych typów ogniw paliwowych, z których każdy wykorzystuje inne procesy chemiczne. Ogniwa paliwowe są zwykle klasyfikowane według ich temperatura robocza I typelektrolit, których używają. Niektóre typy ogniw paliwowych doskonale nadają się do stosowania w elektrowniach stacjonarnych. Inne mogą być przydatne do małych urządzeń przenośnych lub do zasilania samochodów. Główne typy ogniw paliwowych to:

Ogniwo paliwowe z membraną do wymiany polimerów (PEMFC)

PEMFC jest uważany za najbardziej prawdopodobnego kandydata do zastosowań transportowych. PEMFC charakteryzuje się zarówno dużą mocą, jak i stosunkowo niską temperaturą pracy (w zakresie od 60 do 80 stopni Celsjusza). Niska temperatura robocza oznacza, że ​​ogniwa paliwowe mogą szybko się rozgrzać, aby rozpocząć wytwarzanie energii elektrycznej.

Ogniwo paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC)

Te ogniwa paliwowe są najbardziej odpowiednie dla dużych stacjonarnych generatorów prądu, które mogłyby dostarczać energię elektryczną do fabryk lub miast. Ten typ ogniwa paliwowego działa w bardzo wysokich temperaturach (od 700 do 1000 stopni Celsjusza). Wysoka temperatura stanowi problem z niezawodnością, ponieważ niektóre ogniwa paliwowe mogą ulec awarii po kilku cyklach włączania i wyłączania. Jednak ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem są bardzo stabilne w ciągłej pracy. Rzeczywiście, ogniwa SOFC wykazały najdłuższą żywotność ze wszystkich ogniw paliwowych w określonych warunkach. Wysoka temperatura ma również tę zaletę, że para wytwarzana przez ogniwa paliwowe może być kierowana do turbin i generować więcej energii elektrycznej. Proces ten nazywa się kogeneracja ciepła i energii elektrycznej i poprawia ogólną wydajność systemu.

Alkaliczne ogniwo paliwowe (AFC)

Jest to jeden z najstarszych projektów ogniw paliwowych, stosowany od lat 60. XX wieku. AFC są bardzo podatne na zanieczyszczenia, ponieważ wymagają czystego wodoru i tlenu. Ponadto są bardzo drogie, więc mało prawdopodobne jest wprowadzenie tego typu ogniw paliwowych do masowej produkcji.

Ogniwo paliwowe ze stopionego węglanu (MCFC)

Podobnie jak SOFC, te ogniwa paliwowe najlepiej nadają się również do dużych stacjonarnych elektrowni i generatorów. Działają w temperaturze 600 stopni Celsjusza, dzięki czemu mogą generować parę, która z kolei może być wykorzystana do generowania jeszcze większej mocy. Mają niższą temperaturę pracy niż ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem, co oznacza, że ​​nie potrzebują takich żaroodpornych materiałów. Dzięki temu są trochę tańsze.

Ogniwo paliwowe na kwas fosforowy (PAFC)

Ogniwo paliwowe z kwasem fosforowym ma potencjał do zastosowania w małych stacjonarnych systemach zasilania. Pracuje na więcej wysoka temperatura niż ogniwo paliwowe z membraną do wymiany polimerów, więc rozgrzewanie trwa dłużej, przez co nie nadaje się do użytku w motoryzacji.

Ogniwa paliwowe na metanol Bezpośrednie ogniwa paliwowe na metanol (DMFC)

Ogniwa paliwowe na metanol są porównywalne z PEMFC pod względem temperatury roboczej, ale nie są tak wydajne. Ponadto DMFC wymagają dość dużo platyny jako katalizatora, co czyni te ogniwa paliwowe drogimi.

Ogniwo paliwowe z polimerową membraną wymienną

Ogniwo paliwowe z membraną do wymiany polimerów (PEMFC) jest jedną z najbardziej obiecujących technologii ogniw paliwowych. PEMFC wykorzystuje jedną z najprostszych reakcji ze wszystkich ogniw paliwowych. Zastanów się, z czego się składa.

1. A węzeł – Biegun ujemny ogniwa paliwowego. Przewodzi elektrony uwalniane z cząsteczek wodoru, po czym można je wykorzystać w obwodzie zewnętrznym. Posiada wygrawerowane kanały, przez które gazowy wodór rozprowadzany jest równomiernie po powierzchni katalizatora.

2.DO atom - biegun dodatni ogniwa paliwowego posiada również kanały rozprowadzające tlen po powierzchni katalizatora. Przewodzi również elektrony z zewnętrznego łańcucha katalizatora, gdzie mogą łączyć się z jonami wodoru i tlenu, tworząc wodę.

3.Membrana do wymiany elektrolitów i protonów. Jest to specjalnie obrobiony materiał, który przewodzi tylko dodatnio naładowane jony i blokuje elektrony. W PEMFC membrana musi być uwodniona, aby prawidłowo funkcjonować i pozostać stabilna.

4. Katalizator to specjalny materiał, który sprzyja reakcji tlenu i wodoru. Zwykle jest wykonany z nanocząstek platyny osadzonych bardzo cienko na kalce lub tkaninie. Katalizator ma taką strukturę powierzchni, że maksymalna powierzchnia platyny może być wystawiona na działanie wodoru lub tlenu.

Rysunek przedstawia gazowy wodór (H2) wchodzący pod ciśnieniem do ogniwa paliwowego od strony anody. Gdy cząsteczka H2 wejdzie w kontakt z platyną na katalizatorze, rozpada się na dwa jony H+ i dwa elektrony. Elektrony przechodzą przez anodę, gdzie są wykorzystywane w obwodach zewnętrznych (wykonują przydatne prace, takie jak obracanie silnika) i wracają na katodową stronę ogniwa paliwowego.

Tymczasem po stronie katody ogniwa paliwowego tlen (O2) z powietrza przechodzi przez katalizator, gdzie tworzy dwa atomy tlenu. Każdy z tych atomów ma silny ładunek ujemny. Ten ujemny ładunek przyciąga dwa jony H+ przez błonę, gdzie łączą się one z atomem tlenu i dwoma elektronami z zewnętrznego obwodu, tworząc cząsteczkę wody (H2O).

Ta reakcja w pojedynczym ogniwie paliwowym wytwarza tylko około 0,7 wolta. Aby podnieść napięcie do rozsądnego poziomu, wiele pojedynczych ogniw paliwowych musi zostać połączonych w stos ogniw paliwowych. Płytki bipolarne służą do łączenia jednego ogniwa paliwowego z drugim i ulegają utlenieniu przy malejącym potencjale. Dużym problemem z płytkami bipolarnymi jest ich stabilność. Metalowe płytki bipolarne mogą korodować, a produkty uboczne (jony żelaza i chromu) zmniejszają wydajność membran i elektrod ogniw paliwowych. Dlatego niskotemperaturowe ogniwa paliwowe wykorzystują metale lekkie, grafit i kompozyty węgla i materiału termoutwardzalnego (materiał termoutwardzalny to rodzaj tworzywa sztucznego, który pozostaje stały nawet pod wpływem wysokich temperatur) w postaci bipolarnego materiału arkuszowego.

Wydajność ogniw paliwowych

Zmniejszenie zanieczyszczenia jest jednym z głównych celów ogniwa paliwowego. Porównując samochód zasilany ogniwem paliwowym z samochodem napędzanym silnikiem benzynowym i samochodem zasilanym akumulatorem, można zobaczyć, jak ogniwa paliwowe mogą poprawić wydajność samochodów.

Ponieważ wszystkie trzy typy samochodów mają wiele takich samych komponentów, pominiemy tę część samochodu i porównamy wydajność do punktu, w którym wytwarzana jest moc mechaniczna. Zacznijmy od samochodu na ogniwa paliwowe.

Jeśli ogniwo paliwowe jest zasilane czystym wodorem, jego sprawność może sięgać nawet 80 proc. W ten sposób przekształca 80 procent energii zawartej w wodorze w energię elektryczną. Jednak nadal musimy zamienić energię elektryczną na pracę mechaniczną. Osiąga się to za pomocą silnika elektrycznego i falownika. Sprawność silnika + falownika również wynosi około 80 procent. Daje to ogólną wydajność około 80*80/100=64 procent. Pojazd koncepcyjny Hondy FCX podobno ma 60-procentową efektywność energetyczną.

Jeśli źródłem paliwa nie jest czysty wodór, pojazd będzie również potrzebował reformera. Reformery przekształcają paliwa węglowodorowe lub alkoholowe w wodór. Wytwarzają ciepło i oprócz wodoru wytwarzają również CO i CO2. Aby oczyścić powstały wodór, używają różne urządzenia, ale to czyszczenie jest niewystarczające i zmniejsza wydajność ogniwa paliwowego. Dlatego naukowcy postanowili skupić się na ogniwach paliwowych do pojazdów napędzanych czystym wodorem, pomimo problemów związanych z produkcją i magazynowaniem wodoru.

Sprawność silnika benzynowego i samochodu na akumulatory elektryczne

Sprawność samochodu napędzanego benzyną jest zaskakująco niska. Całe ciepło, które wychodzi w postaci spalin lub jest pochłaniane przez grzejnik, jest energią marnowaną. Silnik zużywa również dużo energii do obracania różnych pomp, wentylatorów i generatorów, które utrzymują go w ruchu. Tak więc ogólna sprawność samochodowego silnika benzynowego wynosi około 20 procent. Tak więc tylko około 20 procent energii cieplnej zawartej w benzynie jest przekształcane w pracę mechaniczną.

Pojazd elektryczny zasilany bateryjnie ma dość wysoką sprawność. Sprawność akumulatora wynosi około 90 procent (większość akumulatorów wytwarza trochę ciepła lub wymaga ogrzewania), a sprawność silnika + falownika wynosi około 80 procent. Daje to ogólną wydajność około 72 procent.

Ale to nie wszystko. Aby samochód elektryczny mógł się poruszać, najpierw trzeba gdzieś wytworzyć prąd. Jeśli była to elektrownia, która wykorzystywała proces spalania paliw kopalnych (zamiast energii jądrowej, wodnej, słonecznej lub wiatrowej), to tylko około 40 procent paliwa zużywanego przez elektrownię było przetwarzane na energię elektryczną. Ponadto proces ładowania samochodu wymaga konwersji prądu przemiennego (AC) na prąd stały (DC). Proces ten ma wydajność około 90 procent.

Teraz, jeśli spojrzymy na cały cykl, sprawność pojazdu elektrycznego wynosi 72 procent dla samego samochodu, 40 procent dla elektrowni i 90 procent dla ładowania samochodu. Daje to ogólną wydajność na poziomie 26 procent. Ogólna wydajność różni się znacznie w zależności od tego, która elektrownia jest używana do ładowania akumulatora. Jeśli prąd do samochodu jest wytwarzany na przykład przez elektrownię wodną, ​​to sprawność samochodu elektrycznego wyniesie około 65 proc.

Naukowcy badają i udoskonalają projekty, aby nadal poprawiać wydajność ogniw paliwowych. Jednym z nowych podejść jest połączenie pojazdów napędzanych ogniwami paliwowymi i akumulatorami. Opracowywany jest pojazd koncepcyjny, który będzie napędzany hybrydowym układem napędowym zasilanym ogniwami paliwowymi. Wykorzystuje baterię litową do zasilania samochodu, podczas gdy ogniwo paliwowe ładuje akumulator.

Pojazdy napędzane ogniwami paliwowymi są potencjalnie tak samo wydajne, jak samochód zasilany akumulatorem, który jest ładowany z elektrowni bez paliw kopalnych. Jednak osiągnięcie takiego potencjału w praktyczny i przystępny sposób może być trudne.

Dlaczego warto używać ogniw paliwowych?

Głównym powodem jest wszystko związane z ropą. Ameryka musi importować prawie 60 procent swojej ropy. Do 2025 roku import ma wzrosnąć do 68%. Amerykanie codziennie zużywają dwie trzecie ropy do transportu. Nawet gdyby każdy samochód na ulicy był samochodem hybrydowym, do 2025 r. Stany Zjednoczone nadal musiałyby zużywać taką samą ilość ropy, jaką zużywali Amerykanie w 2000 r. Rzeczywiście, Ameryka zużywa jedną czwartą całej ropy produkowanej na świecie, chociaż mieszka tu tylko 4,6% światowej populacji.

Eksperci spodziewają się, że ceny ropy będą nadal rosły w ciągu następnych kilku dekad, ponieważ tańsze źródła wyczerpią się. Firmy naftowe muszą rozwijać pola naftowe w coraz większym stopniu trudne warunki powoduje wzrost cen ropy.

Obawy wykraczają daleko poza bezpieczeństwo ekonomiczne. Znaczna część dochodów ze sprzedaży ropy jest przeznaczana na wspieranie międzynarodowego terroryzmu, radykalnych partii politycznych oraz niestabilnej sytuacji w regionach wydobywczych.

Wykorzystanie ropy naftowej i innych paliw kopalnych do produkcji energii powoduje zanieczyszczenie. Najlepiej, aby każdy znalazł alternatywę – spalanie paliw kopalnych w celu uzyskania energii.

Ogniwa paliwowe są atrakcyjną alternatywą dla uzależnienia od ropy naftowej. Ogniwa paliwowe zamiast zanieczyszczeń wytwarzają czystą wodę jako produkt uboczny. Chociaż inżynierowie tymczasowo skupili się na produkcji wodoru z różnych źródeł kopalnych, takich jak benzyna lub gazu ziemnego, badane są odnawialne, przyjazne dla środowiska sposoby produkcji wodoru w przyszłości. Najbardziej obiecujący będzie oczywiście proces pozyskiwania wodoru z wody.

Uzależnienie od ropy naftowej i globalne ocieplenie to problem międzynarodowy. Kilka krajów jest wspólnie zaangażowanych w rozwój badań i rozwoju technologii ogniw paliwowych.

Najwyraźniej naukowcy i producenci mają wiele do zrobienia, zanim ogniwa paliwowe staną się alternatywą dla obecnych metod produkcji energii. A jednak przy wsparciu całego świata i globalnej współpracy realny system energetyczny oparty na ogniwach paliwowych może stać się rzeczywistością już za kilkadziesiąt lat.

Ostatnio temat ogniw paliwowych jest na ustach wszystkich. I nie jest to zaskakujące, wraz z pojawieniem się tej technologii w świecie elektroniki, znalazła ona nowe narodziny. Światowi liderzy w dziedzinie mikroelektroniki ścigają się, by zaprezentować prototypy swoich przyszłych produktów, które będą integrować ich własne mini elektrownie. Powinno to z jednej strony osłabić przywiązanie urządzeń mobilnych do „gniazda”, a z drugiej wydłużyć ich żywotność baterii.

W dodatku część z nich działa na bazie etanolu, więc rozwój tych technologii przynosi bezpośrednią korzyść producentom napojów alkoholowych – za kilkanaście lat kolejki „informatyków” stojących za kolejną „dawką” po ich laptop ustawi się w kolejce do destylarni wina.

Nie możemy trzymać się z dala od „gorączki” ogniw paliwowych, która ogarnęła przemysł Hi-Tech, i spróbujemy dowiedzieć się, jakim zwierzęciem jest ta technologia, z czym się ją je i kiedy powinniśmy się jej spodziewać "żywnościowy". W tym artykule przyjrzymy się, jaką drogę przebyły ogniwa paliwowe od odkrycia tej technologii do Dzisiaj. Postaramy się również ocenić perspektywy ich wdrożenia i rozwoju w przyszłości.

Jak było

Zasada działania ogniwa paliwowego została po raz pierwszy opisana w 1838 roku przez Christiana Friedricha Schonbeina, a rok później w Philosophical Journal ukazał się jego artykuł na ten temat. Były to jednak tylko badania teoretyczne. Pierwsze działające ogniwo paliwowe ujrzało światło dzienne w 1843 roku w laboratorium naukowca walijskiego pochodzenia, Sir Williama Roberta Grove'a. Tworząc go, wynalazca użył materiałów podobnych do stosowanych w nowoczesne akumulatory na kwasie fosforowym. Następnie ogniwo paliwowe Sir Grove'a zostało ulepszone przez W. Thomasa Gruba. W 1955 roku ten chemik, który pracował dla legendarnej firmy General Electric, użyli sulfonowanej polistyrenowej membrany jonowymiennej jako elektrolitu w ogniwie paliwowym. Dopiero trzy lata później jego kolega Leonard Niedrach zaproponował technologię nakładania na membranę platyny, która pełniła rolę katalizatora w procesie utleniania wodoru i pobierania tlenu.

„Ojciec” ogniw paliwowych Christian Schönbein

Zasady te stały się podstawą nowej generacji ogniw paliwowych, nazwanych na cześć ich twórców elementami „Grubba-Nidracha”. Kontynuował rozwój General Electric w tym kierunku, w którym przy pomocy NASA i giganta lotniczego McDonnell Aircraft powstało pierwsze komercyjne ogniwo paliwowe. Nowa technologia została zauważona za granicą. A już w 1959 roku Brytyjczyk Francis Bacon (Francis Thomas Bacon) wprowadził stacjonarne ogniwo paliwowe o mocy 5 kW. Jego opatentowane rozwiązania zostały następnie licencjonowane przez Amerykanów i wykorzystane w statkach kosmicznych NASA w systemach zasilania i zaopatrzenia w wodę pitną. W tym samym roku Amerykanin Harry Ihrig zbudował pierwszy traktor zasilany ogniwami paliwowymi (całkowita moc 15 kW). Jako elektrolit w akumulatorach zastosowano wodorotlenek potasu, a jako odczynniki zastosowano sprężony wodór i tlen.

Po raz pierwszy produkcję stacjonarnych ogniw paliwowych do celów komercyjnych uruchomiła firma UTC Power, oferująca systemy zasilania awaryjnego dla szpitali, uczelni i centrów biznesowych. Firma ta, która jest światowym liderem w tej dziedzinie, nadal produkuje podobne rozwiązania o mocy do 200 kW. Jest też głównym dostawcą ogniw paliwowych dla NASA. Jej produkty były szeroko stosowane podczas programu kosmicznego Apollo i nadal są poszukiwane w ramach programu Space Shuttle. UTC Power oferuje również ogniwa paliwowe „konsumpcyjne” do szerokiego zakresu zastosowań w pojazdach. Jako pierwsza stworzyła ogniwo paliwowe umożliwiające odbiór prądu o ujemnych temperaturach dzięki zastosowaniu membrany do wymiany protonów.

Jak to działa

Naukowcy eksperymentowali z różnymi substancjami jako odczynnikami. Jednak podstawowe zasady działania ogniw paliwowych, pomimo znacznie różniących się charakterystyk wydajnościowych, pozostają niezmienione. Każde ogniwo paliwowe jest urządzeniem do elektrochemicznej konwersji energii. Wytwarza energię elektryczną z określonej ilości paliwa (po stronie anody) i utleniacza (po stronie katody). Reakcja przebiega w obecności elektrolitu (substancji zawierającej wolne jony i zachowującej się jak ośrodek przewodzący prąd elektryczny). W zasadzie w każdym takim urządzeniu wprowadzane są określone reagenty i produkty ich reakcji, które są usuwane po przeprowadzeniu reakcji elektrochemicznej. Elektrolit w tym przypadku służy jedynie jako medium do interakcji reagentów i nie zmienia się w ogniwie paliwowym. W oparciu o taki schemat idealne ogniwo paliwowe powinno działać tak długo, jak długo jest dostarczany materiał niezbędny do reakcji.

Ogniw paliwowych nie należy tutaj mylić z konwencjonalnymi bateriami. W pierwszym przypadku część "paliwa" jest zużywana do produkcji energii elektrycznej, którą później trzeba uzupełnić. W przypadku ogniw galwanicznych energia elektryczna magazynowana jest w zamkniętym układzie chemicznym. W przypadku akumulatorów podanie prądu umożliwia zajście odwrotnej reakcji elektrochemicznej i przywrócenie odczynników do ich pierwotnego stanu (tj. naładowanie). Możliwe są różne kombinacje paliwa i utleniacza. Na przykład wodorowe ogniwo paliwowe wykorzystuje wodór i tlen (środek utleniający) jako reagenty. Często jako paliwo stosuje się wodorowęglany i alkohole, a powietrze, chlor i dwutlenek chloru działają jako utleniacze.

Zachodząca w ogniwie paliwowym reakcja katalizy wybija elektrony i protony z paliwa, a poruszające się elektrony tworzą prąd elektryczny. Ogniwa paliwowe zazwyczaj wykorzystują platynę lub jej stopy jako katalizator, aby przyspieszyć reakcję. Inny proces katalityczny zwraca elektrony, łącząc je z protonami i utleniaczem, w wyniku czego powstają produkty reakcji (emisje). Z reguły emisje te to proste substancje: woda i dwutlenek węgla.

W konwencjonalnym ogniwie paliwowym z membraną do wymiany protonów (PEMFC) polimerowa membrana przewodząca protony oddziela anodę i katodę. Od strony katody wodór dyfunduje na katalizator anodowy, z którego następnie uwalniane są elektrony i protony. Protony przechodzą następnie przez membranę do katody, a elektrony, które nie mogą podążać za protonami (membrana jest izolowana elektrycznie), są kierowane przez zewnętrzny obwód obciążenia (układ zasilania). Po stronie katalizatora katodowego tlen reaguje z protonami, które przeszły przez membranę i elektronami, które wchodzą przez zewnętrzny obwód obciążenia. W wyniku tej reakcji otrzymuje się wodę (w postaci pary lub cieczy). Na przykład produktami reakcji w ogniwach paliwowych z wykorzystaniem paliw węglowodorowych (metanol, olej napędowy) są woda i dwutlenek węgla.

Ogniwa paliwowe prawie wszystkich typów ulegają stratom elektrycznym, spowodowanym zarówno naturalną rezystancją styków i elementów ogniwa paliwowego, jak i przepięciami elektrycznymi (dodatkowa energia potrzebna do przeprowadzenia początkowej reakcji). W niektórych przypadkach nie da się całkowicie uniknąć tych strat, a czasami „gra nie jest warta świeczki”, ale najczęściej można je sprowadzić do akceptowalnego minimum. Rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie zestawów tych urządzeń, w których ogniwa paliwowe, w zależności od wymagań stawianych układowi zasilania, mogą być łączone równolegle ( bardziej aktualny) lub szeregowo (wyższe napięcie).

Rodzaje ogniw paliwowych

Istnieje wiele rodzajów ogniw paliwowych, ale postaramy się pokrótce omówić najpopularniejsze z nich.

Alkaliczne ogniwa paliwowe (AFC)

Alkaliczne lub alkaliczne ogniwa paliwowe, zwane także ogniwami Bacona od ich brytyjskiego „ojca”, są jedną z najlepiej rozwiniętych technologii ogniw paliwowych. To właśnie te urządzenia pomogły człowiekowi postawić stopę na Księżycu. Ogólnie rzecz biorąc, NASA używa ogniw paliwowych tego typu od połowy lat 60. XX wieku. AFC zużywają wodór i czysty tlen do produkcji wody pitnej, ciepła i energii elektrycznej. W dużej mierze dzięki temu, że ta technologia jest doskonale rozwinięta, ma jedną z nich najwyższe wyniki skuteczność wśród podobne systemy(potencjał około 70%).

Jednak ta technologia ma również swoje wady. Ze względu na specyfikę stosowania ciekłej substancji alkalicznej jako elektrolitu, który nie blokuje dwutlenku węgla, wodorotlenek potasu (jedna z opcji stosowanego elektrolitu) może reagować z tym składnikiem zwykłego powietrza. Rezultatem może być trujący związek węglanu potasu. Aby tego uniknąć, konieczne jest użycie czystego tlenu lub oczyszczenie powietrza z dwutlenku węgla. Oczywiście wpływa to na koszt takich urządzeń. Jednak pomimo tego AFC są najtańszymi dostępnymi obecnie ogniwami paliwowymi w produkcji.

Bezpośrednie borowodorkowe ogniwa paliwowe (DBFC)

Ten podtyp alkalicznych ogniw paliwowych jako paliwo wykorzystuje borowodorek sodu. Jednak w przeciwieństwie do konwencjonalnych wodorowych AFC technologia ta ma jedną istotną zaletę - brak ryzyka powstania toksycznych związków po kontakcie z dwutlenkiem węgla. Jednak produktem jego reakcji jest substancja boraks, która jest szeroko stosowana w detergenty i mydło. Boraks jest stosunkowo nietoksyczny.

DBFC mogą być nawet tańsze niż tradycyjne ogniwa paliwowe, ponieważ nie wymagają drogich katalizatorów platynowych. Ponadto mają wyższą gęstość energii. Szacuje się, że wyprodukowanie kilograma borowodorku sodu kosztuje 50 dolarów, ale jeśli zorganizuje się masową produkcję i przetworzy boraks, ta sztabka może zostać zmniejszona 50-krotnie.

Ogniwa paliwowe z wodorkami metali (MHFC)

Ta podklasa alkalicznych ogniw paliwowych jest obecnie aktywnie badana. Cechą tych urządzeń jest możliwość chemicznego magazynowania wodoru wewnątrz ogniwa paliwowego. Bezpośrednie ogniwo paliwowe z borowodorkiem ma taką samą zdolność, ale w przeciwieństwie do niego, MHFC jest wypełnione czystym wodorem.

Wśród charakterystyczne cechy Te ogniwa paliwowe to:

• możliwość ładowania z energii elektrycznej;
• Praca w niskie temperatury- do -20°C;
• długi okres przydatności do spożycia;
• szybki „zimny” start;
• możliwość pracy przez pewien czas bez zewnętrznego źródła wodoru (na czas wymiany paliwa).

Pomimo tego, że wiele firm pracuje nad stworzeniem MHFC produkowanych masowo, wydajność prototypów nie jest wystarczająco wysoka w porównaniu z konkurencyjnymi technologiami. Jeden z najlepsza wydajność Gęstość prądu dla tych ogniw paliwowych wynosi 250 miliamperów na centymetr kwadratowy, podczas gdy konwencjonalne ogniwa paliwowe PEMFC zapewniają gęstość prądu 1 amper na centymetr kwadratowy.

Elektrogalwaniczne ogniwa paliwowe (EGFC)

Reakcja chemiczna w EGFC zachodzi z udziałem wodorotlenku potasu i tlenu. Powoduje to wytwarzanie prądu elektrycznego między ołowianą anodą a pozłacaną katodą. Napięcie wyjściowe z elektrogalwanicznego ogniwa paliwowego jest wprost proporcjonalne do ilości tlenu. Ta cecha umożliwiła szerokie zastosowanie EGFC jako urządzenia do testowania tlenu w sprzęcie do nurkowania i sprzęcie medycznym. Ale właśnie z powodu tej zależności ogniwa paliwowe oparte na wodorotlenku potasu mają bardzo ograniczony okres czasu. efektywna praca(o ile stężenie tlenu jest wysokie).

Pierwsze certyfikowane tlenomierze EGFC stały się powszechnie dostępne w 2005 roku, ale nie cieszyły się wówczas dużą popularnością. Wypuszczony dwa lata później znacznie zmodyfikowany model odniósł znacznie większy sukces, a nawet otrzymał nagrodę za „innowację” na specjalistycznym pokazie nurków na Florydzie. Obecnie korzystają z nich organizacje takie jak NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) oraz DDRC (Diving Diseases Research Center).

Bezpośrednie ogniwa paliwowe z kwasem mrówkowym (DFAFC)

Te ogniwa paliwowe są podtypem urządzeń z kwasem mrówkowym PEMFC. Dzięki swoim specyficznym cechom, te ogniwa paliwowe mają duże szanse stać się w przyszłości głównym źródłem zasilania przenośnej elektroniki, takiej jak laptopy, telefony komórkowe itp.

Podobnie jak metanol, kwas mrówkowy jest bezpośrednio podawany do ogniwa paliwowego bez specjalnego etapu oczyszczania. Przechowywanie tej substancji jest również znacznie bezpieczniejsze niż np. wodór, a poza tym nie jest konieczne zapewnienie żadnych szczególnych warunków przechowywania: kwas mrówkowy jest cieczą o temperaturze normalna temperatura. Ponadto technologia ta ma dwie niezaprzeczalne zalety w porównaniu z ogniwami paliwowymi zasilanymi bezpośrednio metanolem. Po pierwsze, w przeciwieństwie do metanolu, kwas mrówkowy nie przenika przez membranę. Dlatego wydajność DFAFC z definicji powinna być wyższa. Po drugie, w przypadku rozszczelnienia kwas mrówkowy nie jest aż tak groźny (metanol może spowodować ślepotę, a przy dużej dawce nawet śmierć).

Co ciekawe, do niedawna wielu naukowców nie widziało w tej technologii praktycznej przyszłości. Powodem, który skłonił naukowców do położenia kresu kwasowi mrówkowemu na wiele lat, było wysokie przepięcie elektrochemiczne, które doprowadziło do znacznych strat elektrycznych. Jednak wyniki ostatnich eksperymentów wykazały, że przyczyną tej nieefektywności było użycie platyny jako katalizatora, który tradycyjnie był szeroko stosowany do tego celu w ogniwach paliwowych. Po tym, jak naukowcy z University of Illinois przeprowadzili szereg eksperymentów z innymi materiałami, okazało się, że przy użyciu palladu jako katalizatora produktywność DFAFC jest wyższa niż w przypadku równoważnych ogniw paliwowych z bezpośrednim metanolem. Obecnie prawa do tej technologii posiada amerykańska firma Tekion, która oferuje swoją linię produktów Formira Power Pack do urządzeń mikroelektronicznych. System ten jest „dupleksem” składającym się z akumulatora i rzeczywistego ogniwa paliwowego. Po wyczerpaniu zapasu odczynników we wkładzie ładującym akumulator, użytkownik po prostu wymienia go na nowy. Tym samym staje się całkowicie niezależny od „gniazda”. Zgodnie z obietnicami producenta, czas między ładowaniami ulegnie podwojeniu, mimo że technologia będzie kosztować zaledwie 10-15% więcej niż konwencjonalne akumulatory. Jedyną poważną przeszkodą na drodze tej technologii może być fakt, że jest ona wspierana przez średniej wielkości firmę i może być po prostu „zapełniana” przez większych konkurentów prezentujących swoje technologie, które mogą nawet ustępować DFAFC pod względem liczby parametrów.

Ogniwa paliwowe z bezpośrednim metanolem (DMFC)

Te ogniwa paliwowe są podzbiorem urządzeń membranowych do wymiany protonów. Używają metanolu ładowanego do ogniwa paliwowego bez dalszego oczyszczania. Jednak alkohol metylowy jest znacznie łatwiejszy do przechowywania i nie jest wybuchowy (chociaż jest łatwopalny i może spowodować ślepotę). Jednocześnie pojemność energetyczna metanolu jest znacznie wyższa niż sprężonego wodoru.

Jednak ze względu na fakt, że metanol może przenikać przez membranę, wydajność DMFC przy dużych objętościach paliwa jest niska. I choć z tego powodu nie nadają się do transportu i duże instalacje, urządzenia te świetnie sprawdzają się jako zamienniki baterii do urządzeń mobilnych.

Ogniwa paliwowe z przetworzonym metanolem (RMFC)

Ogniwa paliwowe z przetworzonego metanolu różnią się od DMFC tylko tym, że przekształcają metanol w wodór i dwutlenek węgla przed wytworzeniem energii elektrycznej. Dzieje się w specjalne urządzenie zwany procesorem paliwowym. Po tym wstępnym etapie (reakcja przebiega w temperaturze powyżej 250°C) wodór ulega reakcji utleniania, w wyniku której powstaje woda i elektryczność.

Zastosowanie metanolu w RMFC wynika z faktu, że jest on naturalnym nośnikiem wodoru, aw odpowiednio niskiej (w porównaniu z innymi substancjami) temperaturze może ulec rozkładowi na wodór i dwutlenek węgla. Dlatego ta technologia jest bardziej zaawansowana niż DMFC. Ogniwa paliwowe z przetworzonego metanolu są bardziej wydajne, bardziej kompaktowe i działają w temperaturach poniżej zera.

Ogniwa paliwowe zasilane bezpośrednio etanolem (DEFC)

Kolejny przedstawiciel klasy ogniw paliwowych z siatką wymiany protonów. Jak sama nazwa wskazuje, etanol dostaje się do ogniwa paliwowego z pominięciem etapów dodatkowego oczyszczania lub rozkładu na prostsze substancje. Pierwszym plusem tych urządzeń jest użycie alkoholu etylowego zamiast toksycznego metanolu. Oznacza to, że nie trzeba inwestować dużych pieniędzy w rozwój tego paliwa.

Gęstość energetyczna alkoholu jest o około 30% wyższa niż metanolu. Ponadto można go pozyskać w dużych ilościach z biomasy. W celu obniżenia kosztów etanolowych ogniw paliwowych trwają intensywne poszukiwania alternatywnego materiału katalitycznego. Platyna, tradycyjnie stosowana w ogniwach paliwowych do tych celów, jest zbyt droga i stanowi istotną przeszkodę w masowym przyjęciu tych technologii. Rozwiązaniem tego problemu mogą być katalizatory wykonane z mieszaniny żelaza, miedzi i niklu, które wykazują imponujące wyniki w układach eksperymentalnych.

Cynkowo-powietrzne ogniwa paliwowe (ZAFC)

ZAFC wykorzystuje utlenianie cynku tlenem z powietrza do wytwarzania energii elektrycznej. Te ogniwa paliwowe są niedrogie w produkcji i zapewniają dość dużą gęstość energii. Obecnie stosowane są w aparatach słuchowych i eksperymentalnych samochodach elektrycznych.

Po stronie anody znajduje się mieszanina cząstek cynku z elektrolitem, a po stronie katody woda i tlen z powietrza, które reagując ze sobą tworzą grupę hydroksylową (jej cząsteczką jest atom tlenu i atom wodoru, pomiędzy którymi występuje wiązanie kowalencyjne). W wyniku reakcji hydroksylu z mieszaniną cynku uwalniane są elektrony, które trafiają na katodę. Maksymalne napięcie, jakie dają takie ogniwa paliwowe, wynosi 1,65 V, ale z reguły jest sztucznie obniżane do 1,4–1,35 V, co ogranicza dostęp powietrza do układu. Produktami końcowymi tej reakcji elektrochemicznej są tlenek cynku i woda.

Możliwe jest zastosowanie tej technologii zarówno w bateriach (bez ładowania), jak iw ogniwach paliwowych. W tym drugim przypadku komora od strony anody jest czyszczona i ponownie wypełniana pastą cynkową. Ogólnie rzecz biorąc, technologia ZAFC okazała się prostym i niezawodnym akumulatorem. Ich niepodważalną zaletą jest możliwość kontrolowania reakcji jedynie poprzez regulację dopływu powietrza do ogniwa paliwowego. Wielu badaczy rozważa cynkowo-powietrzne ogniwa paliwowe jako przyszłe główne źródło energii dla pojazdów elektrycznych.

Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe (MFC)

Pomysł wykorzystania bakterii dla dobra ludzkości nie jest nowy, choć dopiero niedawno doszło do realizacji tych pomysłów. Obecnie poruszana jest kwestia komercyjnego wykorzystania biotechnologii do produkcji różne produkty(np. produkcja wodoru z biomasy), neutralizacja szkodliwe substancje i wytwarzania energii elektrycznej. Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe, zwane również biologicznymi ogniwami paliwowymi, to biologiczny system elektrochemiczny, który wytwarza energię elektryczną za pomocą bakterii. Technologia ta opiera się na katabolizmie (rozkładzie złożonej cząsteczki na prostszą z uwolnieniem energii) substancji takich jak glukoza, octan (sól kwasu octowego), maślan (sól kwasu masłowego) czy ścieki. W wyniku ich utlenienia uwalniane są elektrony, które przenoszone są na anodę, po czym wytworzony prąd elektryczny przepływa przez przewodnik do katody.

W takich ogniwach paliwowych zwykle stosuje się mediatory poprawiające przepuszczalność elektronów. Problem polega na tym, że substancje pełniące rolę mediatorów są drogie i toksyczne. Jednak w przypadku zastosowania bakterii aktywnych elektrochemicznie nie ma potrzeby stosowania mediatorów. Takie „beznadajnikowe” mikrobiologiczne ogniwa paliwowe zaczęto tworzyć całkiem niedawno i dlatego nie wszystkie ich właściwości są dobrze zbadane.

Pomimo przeszkód, które MFC musi jeszcze pokonać, technologia ta ma ogromny potencjał. Po pierwsze, „paliwo” nie jest trudne do znalezienia. Co więcej, dzisiaj kwestia oczyszczania ścieków i usuwania wielu odpadów jest bardzo dotkliwa. Zastosowanie tej technologii mogłoby rozwiązać oba te problemy. Po drugie, teoretycznie jego wydajność może być bardzo wysoka. Głównym problemem dla inżynierów mikrobiologicznych ogniw paliwowych są, a właściwie najważniejszy element tego urządzenia, drobnoustroje. I choć mikrobiolodzy, którzy otrzymują liczne granty badawcze, cieszą się, pisarze science fiction również zacierają ręce w oczekiwaniu na sukces książek o konsekwencjach „publikacji” niewłaściwych mikroorganizmów. Oczywiście istnieje ryzyko wydobycia czegoś, co „przetrawi” nie tylko niepotrzebne odpady, ale i coś wartościowego. Tak więc w zasadzie, podobnie jak w przypadku każdej nowej biotechnologii, ludzie obawiają się pomysłu noszenia w kieszeni zarażonego bakteriami pudełka.

Aplikacja

Stacjonarne elektrownie domowe i przemysłowe

Ogniwa paliwowe są szeroko stosowane jako źródła energii w różnych dziedzinach systemy autonomiczne takich jak statki kosmiczne, zdalne stacje pogodowe, instalacje wojskowe itp. Główną zaletą takiego układu zasilania jest jego niezwykle wysoka niezawodność w porównaniu z innymi technologiami. Ze względu na brak ruchomych części i jakichkolwiek mechanizmów w ogniwach paliwowych, niezawodność układów zasilania może sięgać 99,99%. Dodatkowo w przypadku zastosowania wodoru jako odczynnika można uzyskać bardzo małą masę, co jest jednym z najważniejszych kryteriów w przypadku wyposażenia kosmicznego.

W ostatnim czasie coraz powszechniejsze stają się instalacje kogeneracyjne, szeroko stosowane w budynkach mieszkalnych i biurowych. Osobliwością tych systemów jest to, że stale wytwarzają energię elektryczną, która, jeśli nie zostanie natychmiast zużyta, służy do ogrzewania wody i powietrza. Pomimo tego, że sprawność elektryczna takich instalacji wynosi zaledwie 15-20%, wadę tę rekompensuje wykorzystanie niewykorzystanej energii elektrycznej do produkcji ciepła. Ogólnie rzecz biorąc, efektywność energetyczna takich połączonych systemów wynosi około 80%. Jeden z najlepsze odczynniki kwas fosforowy jest używany do takich ogniw paliwowych. Jednostki te zapewniają efektywność energetyczną na poziomie 90% (35-50% energii elektrycznej i pozostałej energii cieplnej).

Transport

Systemy energetyczne oparte na ogniwach paliwowych są również szeroko stosowane w transporcie. Nawiasem mówiąc, Niemcy jako jedni z pierwszych zainstalowali ogniwa paliwowe w pojazdach. Tak więc pierwsza na świecie komercyjna łódź wyposażona w taką konfigurację zadebiutowała osiem lat temu. Ten niewielki statek, nazwany „Hydra” i przeznaczony do przewozu do 22 pasażerów, został zwodowany w pobliżu byłej stolicy Niemiec w czerwcu 2000 roku. Wodór (alkaliczne ogniwo paliwowe) działa jako odczynnik przenoszący energię. Dzięki zastosowaniu alkalicznych (alkalicznych) ogniw paliwowych instalacja jest w stanie generować prąd w temperaturach do -10°C i nie „straszy” jej słona woda. Łódź "Hydra" z napędem silnik elektryczny o mocy 5 kW jest w stanie rozwinąć prędkość do 6 węzłów (około 12 km/h).

Łódź „Hydra”

Ogniwa paliwowe (zwłaszcza napędzane wodorem) stały się znacznie bardziej rozpowszechnione w transporcie lądowym. Ogólnie rzecz biorąc, wodór od dawna jest używany jako paliwo silniki samochodowe, i co do zasady konwencjonalny silnik spalanie wewnętrzne jest dość łatwe do konwersji na wykorzystanie tego paliwa alternatywnego. Jednak konwencjonalne spalanie wodoru jest mniej wydajne niż wytwarzanie energii elektrycznej w wyniku reakcji chemicznej między wodorem a tlenem. I idealnie, jeśli wodór zostanie zastosowany w ogniwach paliwowych, będzie całkowicie bezpieczny dla przyrody lub, jak to się mówi, „przyjazny dla środowiska”, ponieważ podczas reakcji chemicznej nie wydziela się dwutlenek węgla ani inne substancje, które dotykają „szklarni”. efekt".

To prawda, tutaj, jak można się spodziewać, jest kilka dużych „ale”. Faktem jest, że wiele technologii wytwarzania wodoru z zasobów nieodnawialnych (gaz ziemny, węgiel, produkty ropopochodne) nie jest tak przyjaznych dla środowiska, ponieważ w ich procesie uwalniana jest duża ilość dwutlenku węgla. Teoretycznie, jeśli do jej pozyskania zostaną wykorzystane zasoby odnawialne, to w ogóle nie wystąpią żadne szkodliwe emisje. Jednak w tym przypadku koszt znacznie wzrasta. Według wielu ekspertów z tych powodów potencjał wodoru jako substytutu benzyny czy gazu ziemnego jest bardzo ograniczony. Istnieją już tańsze alternatywy i najprawdopodobniej ogniwa paliwowe na pierwszym elemencie układu okresowego nie będą mogły stać się zjawiskiem masowym w pojazdach.

Producenci samochodów dość aktywnie eksperymentują z wodorem jako źródłem energii. A głównym tego powodem jest dość twarde stanowisko UE w sprawie szkodliwych emisji do atmosfery. Zachęceni coraz bardziej restrykcyjnymi ograniczeniami w Europie, Daimler AG, Fiat i Ford Motor Company przedstawiły swoją wizję przyszłości ogniw paliwowych w przemyśle motoryzacyjnym, wyposażając swoje modele podstawowe w podobne układy napędowe. Inny europejski gigant motoryzacyjny, Volkswagen, przygotowuje obecnie pojazd napędzany ogniwami paliwowymi. Firmy japońskie i południowokoreańskie nie pozostają w tyle. Jednak nie wszyscy stawiają na tę technologię. Wiele osób woli modyfikować silniki spalinowe lub łączyć je z silnikami elektrycznymi na baterie. Tą drogą poszły Toyota, Mazda i BMW. Z firm amerykańskich, oprócz Forda ze swoim modelem Focus, kilka samochodów na ogniwa paliwowe zaprezentował także General Motors. Wszystkie te przedsięwzięcia są aktywnie wspierane przez wiele państw. Na przykład w Stanach Zjednoczonych obowiązuje prawo, zgodnie z którym nowy samochód hybrydowy wchodzący na rynek jest zwolniony z podatków, które mogą być całkiem przyzwoitą kwotą, ponieważ z reguły takie samochody są droższe niż ich odpowiedniki z tradycyjnym spalaniem silniki. Tym samym hybrydy jako zakup stają się jeszcze bardziej atrakcyjne. Jednak na razie prawo to dotyczy tylko modeli wchodzących na rynek do momentu osiągnięcia poziomu sprzedaży 60 000 samochodów, po którym to świadczenie jest automatycznie anulowane.

Elektronika

Ostatnio ogniwa paliwowe są coraz częściej stosowane w laptopach, telefonach komórkowych i innych urządzeniach mobilnych. urządzenia elektryczne Oh. Powodem tego było szybko rosnące obżarstwo urządzeń zaprojektowanych z myślą o długim czasie pracy na baterii. W wyniku zastosowania dużych ekrany dotykowe, potężne narzędzia audio oraz wprowadzenie obsługi Wi-Fi, Bluetooth i innych protokołów komunikacji bezprzewodowej o wysokiej częstotliwości, zmieniły się również wymagania dotyczące pojemności baterii. I choć baterie przeszły długą drogę od czasów pierwszych telefonów komórkowych, to pod względem pojemności i zwartości (inaczej dziś kibice nie zostaliby wpuszczeni na stadiony z tą bronią z funkcją komunikacji), to wciąż nie nadążają z miniaturyzacją. elektroniczne obwody, ani chęci producentów do wbudowywania coraz większej liczby funkcji w swoje produkty. Inną istotną wadą obecnych akumulatorów jest ich długi czas ładowania. Wszystko prowadzi do tego, że im więcej funkcji w telefonie czy kieszonkowym odtwarzaczu multimedialnym zaprojektowanych z myślą o zwiększeniu autonomii jego właściciela (internet bezprzewodowy, systemy nawigacyjne itp.), tym bardziej zależne jest to urządzenie od „gniazda”.

Nie ma co mówić o laptopach, które są znacznie mniejsze niż te ograniczone maksymalnymi rozmiarami. Od dłuższego czasu tworzy się nisza superwydajnych laptopów, które w ogóle nie są przeznaczone do autonomicznej pracy, poza takim przenoszeniem z jednego biura do drugiego. A nawet najbardziej opłacalni członkowie świata laptopów mają trudności z zapewnieniem pełnego dnia pracy na baterii. Dlatego kwestia znalezienia alternatywy dla tradycyjnych baterii, która nie byłaby droższa, ale też znacznie wydajniejsza, jest bardzo paląca. A czołowi przedstawiciele branży od niedawna rozwiązują ten problem. Nie tak dawno temu wprowadzono komercyjne ogniwa paliwowe metanolowe, których masowe dostawy mogą rozpocząć się już w przyszłym roku.

Naukowcy z jakiegoś powodu wybrali metanol zamiast wodoru. Znacznie łatwiej jest przechowywać metanol, ponieważ nie wymaga on wysokiego ciśnienia ani specjalnych warunków reżim temperaturowy. Alkohol metylowy jest cieczą w temperaturze od -97,0°C do 64,7°C. W tym przypadku energia właściwa zawarta w N-tej objętości metanolu jest o rząd wielkości większa niż w tej samej objętości wodoru pod wysokim ciśnieniem. Technologia ogniw paliwowych z bezpośrednim metanolem, szeroko stosowana w mobilnych urządzeniach elektronicznych, polega na wykorzystaniu metanolu po prostym napełnieniu zbiornika ogniwa paliwowego, z pominięciem procedury konwersji katalitycznej (stąd nazwa „metanol bezpośredni”). Jest to również duża zaleta tej technologii.

Jednak, jak można się było spodziewać, wszystkie te plusy miały swoje minusy, co znacznie ograniczało zakres jego zastosowania. W związku z faktem, że mimo to technologia ta nie została jeszcze w pełni rozwinięta, problem niskiej sprawności takich ogniw paliwowych spowodowanej „przeciekaniem” metanolu przez materiał membrany pozostaje nierozwiązany. Ponadto nie mają imponujących właściwości dynamicznych. Nie jest łatwo zdecydować, co zrobić z dwutlenkiem węgla wytwarzanym na anodzie. Nowoczesne urządzenia DMFC nie są w stanie generować dużej energii, ale mają dużą pojemność energetyczną dla małej objętości materii. Oznacza to, że chociaż dużo energii nie jest jeszcze dostępne, ogniwa paliwowe wykorzystujące bezpośredni metanol mogą ją generować przez długi czas. To nie pozwala im, ze względu na ich małą moc, na bezpośrednie zastosowanie w pojazdach, ale czyni je prawie idealne rozwiązanie dla urządzeń mobilnych, w których żywotność baterii ma kluczowe znaczenie.

Ostatnie trendy

Chociaż ogniwa paliwowe do pojazdów produkowane są od dawna, to jak dotąd rozwiązania te nie rozpowszechniły się. Istnieje wiele powodów. A głównymi są ekonomiczna niecelowość i niechęć producentów do uruchomienia produkcji niedrogiego paliwa. Próby wymuszenia naturalnego procesu przejścia na odnawialne źródła energii, jak można było się spodziewać, nie przyniosły nic dobrego. Oczywiście przyczyna gwałtownego wzrostu cen produktów rolnych jest raczej ukryta nie w tym, że zaczęto je masowo przetwarzać na biopaliwa, ale w tym, że wiele krajów Afryki i Azji nie jest w stanie wyprodukować wystarczającej ilości produktów nawet w celu zaspokojenia krajowego popytu na produkty.

Oczywiście rezygnacja z biopaliw nie doprowadzi do znaczącej poprawy sytuacji na światowym rynku żywności, a wręcz przeciwnie może uderzyć w europejskich i amerykańskich rolników, którzy po raz pierwszy od wielu lat otrzymali możliwość zarobienia dobrych pieniędzy. Ale nie można skreślać etycznego aspektu tej sprawy, brzydko jest napełniać zbiorniki „chlebem”, gdy miliony ludzi głodują. Dlatego w szczególności europejscy politycy będą teraz bardziej chłodno podchodzić do biotechnologii, co potwierdza już rewizja strategii przejścia na odnawialne źródła energii.

W tej sytuacji mikroelektronika powinna stać się najbardziej obiecującym obszarem zastosowań ogniw paliwowych. To właśnie tam ogniwa paliwowe mają największe szanse na zdobycie przyczółka. Po pierwsze, ludzie kupujący telefony komórkowe są bardziej skłonni do eksperymentowania niż, powiedzmy, kupujący samochody. Po drugie, są gotowi wydawać pieniądze iz reguły nie mają nic przeciwko „ratowaniu świata”. Potwierdzeniem tego może być oszałamiający sukces czerwonej wersji „Bono” iPoda Nano, z którego część pieniędzy ze sprzedaży trafiła do Czerwonego Krzyża.

Wersja „Bono” Apple iPod Nano

Wśród tych, którzy zwrócili uwagę na ogniwa paliwowe do przenośnej elektroniki, są firmy, które wcześniej specjalizowały się w tworzeniu ogniw paliwowych, a teraz po prostu otworzyły nowy obszar ich zastosowania, a także czołowi producenci mikroelektroniki. Na przykład niedawno firma MTI Micro, która zmieniła cel swojej działalności na produkcję metanolowych ogniw paliwowych do mobilnych urządzeń elektronicznych, ogłosiła, że ​​rozpocznie masową produkcję w 2009 roku. Przedstawiła również pierwsze na świecie urządzenie GPS zasilane metanolem. Według przedstawicieli tej firmy, w niedalekiej przyszłości jej produkty całkowicie zastąpią tradycyjne akumulatory litowo-jonowe. To prawda, że ​​\u200b\u200bna początku nie będą tanie, ale ten problem towarzyszy każdej nowej technologii.

Dla firmy takiej jak Sony, która niedawno zaprezentowała swój wariant DMFC urządzenia zasilanego mediami, technologie te są nowe, ale poważnie myślą o tym, by nie zgubić się na obiecującym nowym rynku. Z kolei firma Sharp poszła jeszcze dalej i dzięki swojemu prototypowi ogniwa paliwowego ustanowiła niedawno światowy rekord wydajności energetycznej wynoszącej 0,3 wata na centymetr sześcienny metanolu. Z firmami produkującymi te ogniwa paliwowe spotkały się nawet rządy wielu krajów. Tak więc lotniska w USA, Kanadzie, Wielkiej Brytanii, Japonii i Chinach, pomimo toksyczności i łatwopalności metanolu, zniosły dotychczasowe ograniczenia dotyczące jego przewozu w kabinie. Oczywiście jest to dozwolone tylko w przypadku certyfikowanych ogniw paliwowych o maksymalnej pojemności 200 ml. Niemniej jednak po raz kolejny potwierdza to zainteresowanie tymi rozwiązaniami ze strony nie tylko entuzjastów, ale także państw.

To prawda, że ​​producenci wciąż starają się grać bezpiecznie i oferują ogniwa paliwowe głównie jako zapasowy system zasilania. Jednym z takich rozwiązań jest połączenie ogniwa paliwowego z baterią: dopóki jest paliwo, stale ładuje akumulator, a po jego wyczerpaniu użytkownik po prostu wymienia pusty wkład na nowy pojemnik z metanolem. Innym popularnym trendem jest tworzenie ładowarek do ogniw paliwowych. Można ich używać w podróży. Jednocześnie potrafią bardzo szybko ładować akumulatory. Innymi słowy, w przyszłości być może każdy będzie nosił takie „gniazdko” w kieszeni. Takie podejście może być szczególnie istotne w przypadku telefonów komórkowych. Z kolei laptopy równie dobrze w dającej się przewidzieć przyszłości mogą zyskać wbudowane ogniwa paliwowe, które jeśli nie całkowicie zastąpią ładowanie z „gniazdka”, to przynajmniej staną się dla niego poważną alternatywą.

I tak, zgodnie z prognozą największego niemieckiego koncernu chemicznego BASF, który niedawno ogłosił rozpoczęcie budowy swojego centrum rozwoju ogniw paliwowych w Japonii, do 2010 roku rynek tych urządzeń będzie wart 1 miliard dolarów. Jednocześnie jej analitycy przewidują wzrost rynku ogniw paliwowych do 20 miliardów dolarów do 2020 roku. Nawiasem mówiąc, w tym centrum BASF planuje rozwijać ogniwa paliwowe dla przenośnej elektroniki (w szczególności laptopów) i stacjonarnych systemów energetycznych. Miejsce na to przedsięwzięcie nie zostało wybrane przypadkowo – niemiecka firma postrzega lokalne firmy jako głównych nabywców tych technologii.

Zamiast konkluzji

Oczywiście nie należy oczekiwać od ogniw paliwowych, że staną się one zamiennikiem dotychczasowego układu zasilania. Przynajmniej w dającej się przewidzieć przyszłości. To miecz obosieczny: elektrownie przenośne są z pewnością bardziej wydajne, ze względu na brak strat związanych z dostarczaniem energii elektrycznej do konsumenta, ale warto też wziąć pod uwagę, że mogą stać się poważną konkurencją dla zasilania scentralizowanego tylko w przypadku utworzenia scentralizowanego systemu zasilania paliwem tych instalacji. Oznacza to, że „gniazdo” powinno zostać ostatecznie zastąpione pewną rurą, która dostarcza niezbędne odczynniki do każdego domu i każdego zakamarka. A to nie do końca swoboda i niezależność od zewnętrznych źródeł prądu, o której mówią producenci ogniw paliwowych.

Urządzenia te mają niezaprzeczalną zaletę w postaci szybkości ładowania – po prostu zmieniałem kartridż z metanolem (w skrajnych przypadkach odkorkowałem trofeum Jacka Danielsa) w aparacie i znowu skakałem po schodach Luwru. powiedzmy, że zwykły telefon ładuje się dwie godziny i będzie wymagał ładowania co 2-3 dni, to jest mało prawdopodobne, aby alternatywa w postaci wymiany wkładu sprzedawanego tylko w wyspecjalizowanych sklepach, nawet raz na dwa tygodnie, nie była tak popularna przez masowego użytkownika.Jeśli hermetyczny pojemnik kilkuset mililitrów paliwa trafi do konsumenta końcowego, jego cena będzie miała czas na znaczny wzrost.Tylko skala produkcji będzie w stanie zwalczyć ten wzrost cen, ale czy skala będzie popyt na rynku?I dopóki nie zostanie wybrany optymalny rodzaj paliwa, bardzo trudno będzie rozwiązać ten problem.problematyczny.

Z drugiej strony połączenie tradycyjnego ładowania typu plug-in, ogniw paliwowych i innych alternatywnych systemów zasilania energią (np. paneli słonecznych) może być rozwiązaniem problemu dywersyfikacji źródeł zasilania i przestawiania się na typy środowiskowe. Jednak w przypadku pewnej grupy produktów elektronicznych ogniwa paliwowe mogą być szeroko stosowane. Potwierdza to fakt, że Canon opatentował niedawno własne ogniwa paliwowe do aparatów cyfrowych i ogłosił strategię włączania tych technologii do swoich rozwiązań. Jeśli chodzi o laptopy, jeśli ogniwa paliwowe dotrą do nich w niedalekiej przyszłości, to najprawdopodobniej tylko jako zapasowy system zasilania. Teraz na przykład mówimy głównie o zewnętrznych modułach ładujących, które są dodatkowo podłączone do laptopa.

Technologie te mają jednak ogromne perspektywy rozwoju w dłuższej perspektywie. Szczególnie w obliczu zagrożenia głodem naftowym, który może wystąpić w ciągu najbliższych kilkudziesięciu lat. W tych warunkach ważniejsze jest nawet nie to, jak tania będzie produkcja ogniw paliwowych, ale ile wyniesie produkcja paliwa do nich niezależnie od branży petrochemicznej i czy będzie ona w stanie pokryć zapotrzebowanie.

Korzyści z ogniw/ogniw paliwowych

Ogniwo paliwowe to urządzenie, które wydajnie generuje prąd stały i ciepło z paliwa bogatego w wodór w wyniku reakcji elektrochemicznej.

Ogniwo paliwowe jest podobne do akumulatora, ponieważ generuje prąd stały w wyniku reakcji chemicznej. Ogniwo paliwowe zawiera anodę, katodę i elektrolit. Jednak w przeciwieństwie do akumulatorów, ogniwa paliwowe nie mogą magazynować energii elektrycznej, nie rozładowują się i nie wymagają ponownego ładowania. Ogniwa paliwowe/ogniwa paliwowe mogą w sposób ciągły generować energię elektryczną, o ile mają zapas paliwa i powietrza.

W przeciwieństwie do innych agregatów prądotwórczych, takich jak silniki spalinowe czy turbiny zasilane gazem, węglem, ropą itp., ogniwa/ogniwa paliwowe nie spalają paliwa. Oznacza to brak hałaśliwych wirników wysokociśnieniowych, głośnego wydechu, brak wibracji. Ogniwa/ogniwa paliwowe wytwarzają energię elektryczną poprzez cichą reakcję elektrochemiczną. Inną cechą ogniw/ogniw paliwowych jest to, że przekształcają energię chemiczną paliwa bezpośrednio w energię elektryczną, ciepło i wodę.

Ogniwa paliwowe są bardzo wydajne i nie wytwarzają dużych ilości gazów cieplarnianych, takich jak dwutlenek węgla, metan i podtlenek azotu. Jedynymi produktami emitowanymi podczas pracy są woda w postaci pary oraz niewielka ilość dwutlenku węgla, który w ogóle nie jest emitowany, jeśli jako paliwo stosuje się czysty wodór. Ogniwa/ogniwa paliwowe są montowane w zespoły, a następnie w poszczególne moduły funkcjonalne.

Historia rozwoju ogniw paliwowych/ogniw

W latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych XX wieku jedno z największych wyzwań dla ogniw paliwowych zrodziło się z zapotrzebowania amerykańskiej Narodowej Agencji Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej (NASA) na źródła energii do długotrwałych misji kosmicznych. NASA Alkaline Fuel Cell/Cell wykorzystuje wodór i tlen jako paliwo, łącząc je w reakcji elektrochemicznej. Wyjściem są trzy produkty uboczne reakcji przydatne w lotach kosmicznych - energia elektryczna do zasilania statku kosmicznego, woda do picia i systemów chłodzących oraz ciepło do utrzymania ciepła astronautów.

Odkrycie ogniw paliwowych datuje się na początek XIX wieku. Pierwsze dowody na działanie ogniw paliwowych uzyskano w 1838 roku.

Pod koniec lat trzydziestych XX wieku rozpoczęto prace nad alkalicznymi ogniwami paliwowymi, a do 1939 roku zbudowano ogniwo wykorzystujące wysokociśnieniowe niklowane elektrody. Podczas drugiej wojny światowej opracowano ogniwa paliwowe dla okrętów podwodnych brytyjskiej marynarki wojennej, aw 1958 roku wprowadzono zespół paliwowy składający się z alkalicznych ogniw paliwowych o średnicy nieco ponad 25 cm.

Zainteresowanie wzrosło w latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych, a także w latach osiemdziesiątych, kiedy w świecie przemysłowym brakowało paliwo ropopochodne. W tym samym okresie kraje świata również zaniepokoiły się problemem zanieczyszczenia powietrza i rozważały sposoby wytwarzania przyjaznej dla środowiska energii elektrycznej. Obecnie technologia ogniw/ogniw paliwowych przechodzi szybki rozwój.

Jak działają ogniwa/ogniwa paliwowe

Ogniwa paliwowe/ogniwa paliwowe wytwarzają energię elektryczną i ciepło poprzez trwającą reakcję elektrochemiczną z wykorzystaniem elektrolitu, katody i anody.

Anoda i katoda są oddzielone elektrolitem, który przewodzi protony. Po wejściu wodoru do anody i tlenu do katody rozpoczyna się reakcja chemiczna, w wyniku której powstaje prąd elektryczny, ciepło i woda.

Na katalizatorze anodowym wodór cząsteczkowy dysocjuje i traci elektrony. Jony wodoru (protony) przechodzą przez elektrolit do katody, podczas gdy elektrony przechodzą przez elektrolit i przez zewnętrzny obwód elektryczny, tworząc prąd stały, który można wykorzystać do zasilania urządzeń. Na katalizatorze katodowym cząsteczka tlenu łączy się z elektronem (który jest dostarczany z komunikacji zewnętrznej) i nadchodzącym protonem i tworzy wodę, która jest jedynym produktem reakcji (w postaci pary i/lub cieczy).

Poniżej odpowiednia reakcja:

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

Rodzaje i odmiany ogniw paliwowych

Podobnie jak istnieją różne typy silników spalinowych, istnieją różne typy ogniw paliwowych – wybór odpowiedniego typu ogniwa paliwowego zależy od jego zastosowania.

Ogniwa paliwowe dzielą się na wysokotemperaturowe i niskotemperaturowe. Niskotemperaturowe ogniwa paliwowe wymagają stosunkowo czystego wodoru jako paliwa. Często oznacza to, że przetwarzanie paliwa jest wymagane w celu przekształcenia paliwa podstawowego (takiego jak gaz ziemny) w czysty wodór. Ten proces zużywa dodatkową energię i wymaga specjalny sprzęt. Wysokotemperaturowe ogniwa paliwowe nie wymagają tej dodatkowej procedury, ponieważ mogą „wewnętrznie przetwarzać” paliwo w podwyższonej temperaturze, co oznacza, że ​​nie ma potrzeby inwestowania w infrastrukturę wodorową.

Ogniwa paliwowe/ogniwa na stopionym węglanie (MCFC)

Ogniwa paliwowe ze stopionym elektrolitem węglanowym to wysokotemperaturowe ogniwa paliwowe. Wysoka temperatura pracy pozwala na bezpośrednie wykorzystanie gazu ziemnego bez procesora paliwowego oraz niskokalorycznego gazu opałowego z paliw procesowych i innych źródeł.

Działanie RCFC różni się od innych ogniw paliwowych. Ogniwa te wykorzystują elektrolit z mieszaniny stopionych soli węglanowych. Obecnie stosuje się dwa rodzaje mieszanin: węglan litu i węglan potasu lub węglan litu i węglan sodu. Aby stopić sole węglanowe i osiągnąć wysoki stopień ruchliwość jonów w elektrolicie, ogniwa paliwowe ze stopionym elektrolitem węglanowym pracują w wysokich temperaturach (650°C). Wydajność waha się między 60-80%.

Po podgrzaniu do temperatury 650°C sole stają się przewodnikami dla jonów węglanowych (CO 3 2-). Jony te przechodzą z katody do anody, gdzie łączą się z wodorem, tworząc wodę, dwutlenek węgla i wolne elektrony. Te elektrony są przesyłane przez zewnętrzny obwód elektryczny z powrotem do katody, generując prąd elektryczny i ciepło jako produkt uboczny.

Reakcja anodowa: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Reakcja na katodzie: CO 2 + 1 / 2O 2 + 2e - \u003d\u003e CO 3 2-
Ogólna reakcja pierwiastka: H 2 (g) + 1/2O 2 (g) + CO 2 (katoda) => H 2 O (g) + CO 2 (anoda)

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

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

Ogniwa paliwowe ze stopionego węglanu nadają się do stosowania w dużych instalacjach stacjonarnych. Elektrownie cieplne o mocy elektrycznej 3,0 MW produkowane są na skalę przemysłową. Rozwijane są elektrownie o mocy do 110 MW.

Ogniwa paliwowe/ogniwa na bazie kwasu fosforowego (PFC)

Ogniwa paliwowe oparte na kwasie fosforowym (ortofosforowym) były pierwszymi ogniwami paliwowymi do użytku komercyjnego.

Ogniwa paliwowe oparte na kwasie fosforowym (ortofosforowym) wykorzystują elektrolit na bazie kwasu ortofosforowego (H 3 PO 4) o stężeniu do 100%. Przewodnictwo jonowe kwasu fosforowego jest niskie w niskich temperaturach, dlatego te ogniwa paliwowe są używane w temperaturach do 150-220°C.

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

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

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

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

Elektrownie cieplne o mocy elektrycznej do 500 kW są produkowane przemysłowo. Odpowiednie testy przeszły instalacje o mocy 11 MW. Rozwijane są elektrownie o mocy do 100 MW.

Ogniwa/ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC)

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

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

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

Sprawność generowanej energii elektrycznej jest najwyższa ze wszystkich ogniw paliwowych - około 60-70%. Wysokie temperatury robocze pozwalają na łączne wytwarzanie ciepła i energii elektrycznej w celu wytworzenia pary pod wysokim ciśnieniem. Połączenie wysokotemperaturowego ogniwa paliwowego z turbiną tworzy hybrydowe ogniwo paliwowe, które zwiększa wydajność wytwarzania energii nawet o 75%.

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

Ogniwa paliwowe/ogniwa z bezpośrednim utlenianiem metanolu (DOMTE)

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

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

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

Zaletą tego typu ogniw paliwowych są ich niewielkie rozmiary, wynikające z zastosowania paliwa płynnego oraz brak konieczności stosowania konwertera.

Alkaliczne ogniwa paliwowe/ogniwa (AFC)

Alkaliczne ogniwa paliwowe są jednymi z najwydajniejszych elementów wykorzystywanych do wytwarzania energii elektrycznej, a ich sprawność wytwarzania energii dochodzi do 70%.

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

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

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

Jeden z charakterystyczne cechy SHTE - wysoka wrażliwość na CO 2, który może być zawarty w paliwie lub powietrzu. CO 2 reaguje z elektrolitem, szybko go zatruwa i znacznie zmniejsza wydajność ogniwa paliwowego. Dlatego użycie SFC jest ograniczone do przestrzeni zamkniętych, takich jak pojazdy kosmiczne i podwodne, muszą one działać na czystym wodorze i tlenie. Co więcej, cząsteczki takie jak CO, H 2 O i CH4, które są bezpieczne dla innych ogniw paliwowych, a nawet paliwo dla niektórych z nich, są szkodliwe dla KŁŻ.

Ogniwa/ogniwa paliwowe z elektrolitem polimerowym (PETE)

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

Ogniwa/ogniwa paliwowe na paliwo stałe (SCFC)

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

Różne moduły ogniw paliwowych. bateria ogniw paliwowych

1. Bateria ogniw paliwowych
2. Inne urządzenia wysokotemperaturowe (zintegrowana wytwornica pary, komora spalania, zmieniacz bilansu cieplnego)
3. Izolacja odporna na ciepło

moduł ogniwa paliwowego

Analiza porównawcza rodzajów i odmian ogniw paliwowych

Innowacyjne, energooszczędne miejskie elektrociepłownie są zwykle budowane na ogniwach paliwowych ze stałym tlenkiem (SOFC), ogniwach paliwowych z elektrolitem polimerowym (PEFC), ogniwach paliwowych z kwasem fosforowym (PCFC), ogniwach paliwowych z membraną do wymiany protonów (MPFC) i alkalicznych ogniwach paliwowych ( APFC). Zwykle mają następujące cechy:

Za najbardziej odpowiednie należy uznać ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC), które:

• działają w wyższej temperaturze, co zmniejsza zapotrzebowanie na drogie metale szlachetne (takie jak platyna)
• może pracować na różnych rodzajach paliw węglowodorowych, głównie na gazie ziemnym
• mają dłuższy czas rozruchu i dlatego lepiej nadają się do długotrwałej pracy
• wykazują wysoką sprawność wytwarzania energii elektrycznej (do 70%)
• dzięki wysokim temperaturom pracy jednostki można łączyć z systemami odzysku ciepła, podnosząc całkowitą sprawność systemu do 85%
• charakteryzują się niemal zerową emisją, pracują cicho i mają niskie wymagania eksploatacyjne w porównaniu do istniejące technologie wytwarzanie energii

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

Ponieważ małe elektrownie cieplne można podłączyć do konwencjonalnej sieci gazowej, ogniwa paliwowe nie wymagają oddzielnego systemu zasilania wodorem. W przypadku stosowania małych elektrowni cieplnych opartych na ogniwach paliwowych ze stałym tlenkiem, wytworzone ciepło może zostać włączone do wymienników ciepła służących do podgrzewania wody i powietrze wentylacyjne, zwiększając ogólną wydajność systemu. Ta innowacyjna technologia najlepiej nadaje się do wydajnego wytwarzania energii bez potrzeby drogiej infrastruktury i skomplikowanej integracji przyrządów.

Zastosowania ogniw paliwowych/ogniw

Zastosowanie ogniw/ogniw paliwowych w systemach telekomunikacyjnych

Wraz z szybkim rozprzestrzenianiem się systemów komunikacji bezprzewodowej na całym świecie, a także rosnącymi korzyściami społecznymi i ekonomicznymi technologii telefonii komórkowej, potrzeba niezawodnego i ekonomicznego zasilania rezerwowego stała się krytyczna. Straty sieci elektroenergetycznej w ciągu roku spowodowane złymi warunkami pogodowymi, klęski żywiołowe lub ograniczona przepustowość sieci stanowią stałe wyzwanie dla operatorów sieci.

Tradycyjne rozwiązania w zakresie zasilania awaryjnego w telekomunikacji obejmują akumulatory (ogniwo kwasowo-ołowiowe z regulacją zaworów) do krótkotrwałego zasilania awaryjnego oraz generatory na olej napędowy i propan do dłuższego zasilania rezerwowego. Baterie są stosunkowo tanim źródłem zasilania awaryjnego na 1 do 2 godzin. Jednak baterie nie nadają się do dłuższych okresów podtrzymania, ponieważ są drogie w utrzymaniu, stają się zawodne po długim użytkowaniu, są wrażliwe na temperatury i są niebezpieczne dla środowiska po utylizacji. Generatory na olej napędowy i propan mogą zapewnić ciągłe zasilanie rezerwowe. Jednak generatory mogą być zawodne, wymagać intensywnej konserwacji i uwalniać do atmosfery duże ilości zanieczyszczeń i gazów cieplarnianych.

W celu wyeliminowania ograniczeń tradycyjnych rozwiązań zasilania rezerwowego opracowano innowacyjną technologię ekologicznych ogniw paliwowych. Ogniwa paliwowe są niezawodne, ciche, zawierają mniej ruchomych części niż generator, mają szerszy zakres temperatur pracy niż akumulator od -40°C do +50°C, dzięki czemu zapewniają niezwykle wysoki poziom oszczędności energii. Ponadto koszt eksploatacji takiej instalacji jest niższy niż w przypadku generatora. Niższe koszty ogniw paliwowych są wynikiem tylko jednej wizyty konserwacyjnej rocznie i znacznie wyższej wydajności zakładu. W końcu ogniwo paliwowe jest przyjaznym dla środowiska rozwiązaniem technologicznym o minimalnym wpływie na środowisko.

Instalacje na ogniwa paliwowe zapewniają zasilanie awaryjne dla krytycznych infrastruktur sieci komunikacyjnych do komunikacji bezprzewodowej, stałej i szerokopasmowej w systemie telekomunikacyjnym, w zakresie od 250W do 15kW, oferują wiele niezrównanych innowacyjnych funkcji:

• NIEZAWODNOŚĆ– Niewiele ruchomych części i brak rozładowania w trybie gotowości
• OSZCZĘDZANIE ENERGII
• CISZA– niski poziom hałasu
• STABILNOŚĆ– zakres pracy od -40°C do +50°C
• ZDOLNOŚĆ ADAPTACJI– instalacja zewnętrzna i wewnętrzna (kontener/kontener ochronny)
• WYSOKA MOC– do 15 kW
• NISKIE WYMAGANIA KONSERWACYJNE– minimalna roczna konserwacja
• GOSPODARKA- atrakcyjny całkowity koszt posiadania
• CZYSTA ENERGIA– niska emisja przy minimalnym wpływie na środowisko

System przez cały czas wykrywa napięcie szyny DC i płynnie akceptuje obciążenia krytyczne, jeśli napięcie szyny DC spadnie poniżej wartości zadanej zdefiniowanej przez użytkownika. System działa na wodór, który dostaje się do stosu ogniw paliwowych na jeden z dwóch sposobów - albo z komercyjnego źródła wodoru, albo z ciekłego paliwa metanolu i wody, przy użyciu pokładowego systemu reformingu.

Energia elektryczna jest wytwarzana przez stos ogniw paliwowych w postaci prądu stałego. Prąd stały jest przesyłany do konwertera, który przetwarza nieregulowany prąd stały ze stosu ogniw paliwowych na wysokiej jakości regulowany prąd stały dla wymaganych obciążeń. Instalacja ogniw paliwowych może zapewnić zasilanie awaryjne przez wiele dni, ponieważ czas ten jest ograniczony jedynie ilością wodoru lub paliwa metanol/woda dostępnych w magazynie.

Ogniwa paliwowe oferują wysoki poziom oszczędności energii, lepszą niezawodność systemu, bardziej przewidywalną wydajność w szerokim zakresie warunki klimatyczne i niezawodną żywotność w porównaniu ze standardowymi w branży akumulatorami kwasowo-ołowiowymi z regulowanymi zaworami. Koszty cyklu życia są również niższe ze względu na znacznie mniejsze wymagania dotyczące konserwacji i wymiany. Ogniwa paliwowe oferują użytkownikowi końcowemu korzyści środowiskowe, ponieważ koszty utylizacji i ryzyko odpowiedzialności cywilnej związane z ogniwami kwasowo-ołowiowymi stanowią coraz większy problem.

Na wydajność akumulatorów elektrycznych może niekorzystnie wpływać wiele czynników, takich jak poziom naładowania, temperatura, cykle, żywotność i inne zmienne. Dostarczona energia będzie się różnić w zależności od tych czynników i nie jest łatwa do przewidzenia. Osiągi ogniwa paliwowego z membraną do wymiany protonów (PEMFC) są względnie niezależne od tych czynników i mogą zapewnić moc krytyczną, o ile paliwo jest dostępne. Zwiększona przewidywalność jest ważną korzyścią w przypadku przejścia na ogniwa paliwowe w zastosowaniach związanych z zasilaniem rezerwowym o znaczeniu krytycznym.

Ogniwa paliwowe wytwarzają energię tylko wtedy, gdy dostarczane jest paliwo, podobnie jak generator z turbiną gazową, ale nie mają ruchomych części w strefie wytwarzania. Dlatego w przeciwieństwie do generatora nie podlegają szybkie zużycie i nie wymagają stałej konserwacji i smarowania.

Paliwem używanym do napędzania konwertera paliwa o przedłużonym czasie działania jest mieszanka paliwowa z metanolu i wody. Metanol jest powszechnie dostępnym, produkowanym komercyjnie paliwem, które obecnie ma wiele zastosowań, m.in. plastikowe butelki, dodatki silnikowe, farby emulsyjne. Metanol jest łatwy w transporcie, miesza się z wodą, ma dobrą biodegradowalność i nie zawiera siarki. Ma niską temperaturę zamarzania (-71°C) i nie rozkłada się podczas długiego przechowywania.

Zastosowanie ogniw/ogniw paliwowych w sieciach komunikacyjnych

Sieci bezpieczeństwa wymagają niezawodnych rozwiązań zasilania awaryjnego, które mogą działać godzinami lub dniami. sytuacje awaryjne jeśli sieć energetyczna nie jest już dostępna.

Dzięki niewielkiej liczbie ruchomych części i braku redukcji mocy w trybie gotowości innowacyjna technologia ogniw paliwowych stanowi atrakcyjne rozwiązanie w porównaniu z obecnie dostępnymi systemami zasilania rezerwowego.

Najbardziej przekonującym powodem stosowania technologii ogniw paliwowych w sieciach komunikacyjnych jest zwiększona ogólna niezawodność i bezpieczeństwo. Podczas zdarzeń takich jak przerwy w dostawie prądu, trzęsienia ziemi, burze i huragany ważne jest, aby systemy nadal działały i miały niezawodne zasilanie rezerwowe przez cały czas długi okres czasu, niezależnie od temperatury czy wieku systemu zasilania rezerwowego.

Asortyment zasilaczy do ogniw paliwowych jest idealny do obsługi bezpiecznych sieci komunikacyjnych. Dzięki swoim energooszczędnym zasadom konstrukcyjnym zapewniają przyjazne dla środowiska, niezawodne zasilanie rezerwowe o przedłużonym czasie działania (do kilku dni) do użytku w zakresie mocy od 250 W do 15 kW.

Zastosowanie ogniw/ogniw paliwowych w sieciach danych

Niezawodne zasilanie sieci danych, takich jak szybkie sieci transmisji danych i szkielety światłowodowe, ma kluczowe znaczenie na całym świecie. Informacje przesyłane takimi sieciami zawierają dane krytyczne dla instytucji takich jak banki, linie lotnicze czy ośrodki medyczne. Awaria zasilania w takich sieciach nie tylko stwarza zagrożenie dla przesyłanych informacji, ale z reguły prowadzi do znacznych strat finansowych. Niezawodny innowacyjne instalacje na ogniwach paliwowych, zapewniając zasilanie rezerwowe, zapewniają niezawodność potrzebną do zapewnienia nieprzerwanego zasilania.

Ogniwa paliwowe pracujące na ciekłej mieszance paliwowej metanolu i wody zapewniają niezawodne zasilanie rezerwowe o przedłużonym czasie działania, nawet do kilku dni. Ponadto jednostki te charakteryzują się znacznie mniejszymi wymaganiami konserwacyjnymi w porównaniu z generatorami i akumulatorami, wymagając tylko jednej wizyty konserwacyjnej rocznie.

Charakterystyka typowych zastosowań instalacji ogniw paliwowych w sieciach danych:

• Aplikacje o mocy wejściowej od 100 W do 15 kW
• Aplikacje z wymaganiami dotyczącymi żywotności baterii > 4 godziny
• Repeatery w systemach światłowodowych (hierarchia synchronicznych systemów cyfrowych, szybki internet, voice over IP…)
• Węzły sieciowe szybkiej transmisji danych
• Węzły transmisyjne WiMAX

Instalacje zasilania awaryjnego z ogniwami paliwowymi oferują liczne korzyści dla infrastruktury sieci danych o znaczeniu krytycznym w porównaniu z tradycyjnymi autonomicznymi bateriami lub generatory diesla, co pozwala na zwiększenie możliwości wykorzystania na miejscu:

1. Technologia paliw płynnych rozwiązuje problem magazynowania wodoru i zapewnia praktycznie nieograniczoną moc rezerwową.
2. Ze względu na cichą pracę, niewielką wagę, odporność na skrajne temperatury i praktycznie bezwibracyjną pracę, ogniwa paliwowe mogą być instalowane na zewnątrz, w obiektach przemysłowych/kontenerach lub na dachach.
3. Przygotowania na miejscu do użytkowania systemu są szybkie i ekonomiczne, a koszt eksploatacji niski.
4. Paliwo jest biodegradowalne i stanowi przyjazne dla środowiska rozwiązanie dla środowiska miejskiego.

Zastosowanie ogniw/ogniw paliwowych w systemach bezpieczeństwa

Najbardziej starannie zaprojektowane systemy bezpieczeństwa budynków i systemy komunikacji są tak niezawodne, jak moc, która je zasila. Chociaż większość systemów obejmuje pewien rodzaj rezerwowego systemu zasilania bezprzerwowego na wypadek krótkotrwałych przerw w zasilaniu, nie zapewniają one dłuższych przerw w dostawie prądu, które mogą wystąpić po klęskach żywiołowych lub atakach terrorystycznych. Może to być krytyczny problem dla wielu agencji korporacyjnych i rządowych.

Istotne systemy, takie jak monitoring CCTV i systemy kontroli dostępu (czytniki kart identyfikacyjnych, urządzenia zamykające drzwi, technologia identyfikacji biometrycznej itp.), automatyczne alarm przeciwpożarowy i przeciwpożarowe, systemy sterowania windami i sieci telekomunikacyjne są zagrożone w przypadku braku niezawodnego alternatywnego źródła ciągłego zasilania.

Generatory Diesla są hałaśliwe, trudne do zlokalizowania i doskonale zdają sobie sprawę z ich niezawodności i problemów z konserwacją. Natomiast instalacja rezerwowa z ogniwami paliwowymi jest cicha, niezawodna, ma zerową lub bardzo niską emisję i jest łatwa do zainstalowania na dachu lub na zewnątrz budynku. Nie rozładowuje się ani nie traci mocy w trybie czuwania. Zapewnia ciągłość pracy krytycznych systemów, nawet po zaprzestaniu działalności instytucji i opuszczeniu budynku przez ludzi.

Innowacyjne instalacje ogniw paliwowych chronią kosztowne inwestycje w krytycznych zastosowaniach. Zapewniają przyjazne dla środowiska, niezawodne zasilanie rezerwowe o przedłużonym czasie działania (do wielu dni) w zakresie mocy od 250 W do 15 kW, w połączeniu z wieloma niezrównanymi funkcjami, a przede wszystkim wysokim poziomem oszczędności energii.

Jednostki zapasowe zasilane ogniwami paliwowymi oferują wiele zalet w zastosowaniach o znaczeniu krytycznym, takich jak systemy bezpieczeństwa i zarządzania budynkiem, w porównaniu z tradycyjnymi generatorami akumulatorowymi lub dieslowskimi. Technologia paliw płynnych rozwiązuje problem magazynowania wodoru i zapewnia praktycznie nieograniczoną moc rezerwową.

Zastosowanie ogniw/ogniw paliwowych w ciepłownictwie i energetyce domowej

Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC) są wykorzystywane do budowy niezawodnych, energooszczędnych i bezemisyjnych elektrowni cieplnych do wytwarzania energii elektrycznej i ciepła z powszechnie dostępnych źródeł gazu ziemnego i paliw odnawialnych. Te innowacyjne jednostki są wykorzystywane na wielu różnych rynkach, od domowego wytwarzania energii po zasilanie odległych obszarów, a także jako pomocnicze źródła zasilania.

Zastosowanie ogniw/ogniw paliwowych w sieciach dystrybucyjnych

Małe elektrownie cieplne są zaprojektowane do pracy w rozproszonej sieci wytwarzania energii, składającej się z dużej liczby małych zespołów prądotwórczych zamiast jednej scentralizowanej elektrowni.

Poniższy rysunek przedstawia utratę sprawności wytwarzania energii elektrycznej, gdy jest ona wytwarzana w elektrociepłowni i przesyłana do domów tradycyjnymi sieciami przesyłowymi stosowanymi w ten moment. Straty wydajności w wytwarzaniu okręgowym obejmują straty z elektrowni, przesyłu niskiego i wysokiego napięcia oraz straty w dystrybucji.

Na rysunku przedstawiono wyniki integracji małych elektrowni cieplnych: energia elektryczna jest wytwarzana ze sprawnością wytwarzania do 60% w punkcie poboru. Ponadto gospodarstwo domowe może wykorzystać ciepło wytwarzane przez ogniwa paliwowe do ogrzewania wody i pomieszczeń, co zwiększa ogólną efektywność przetwarzania energii paliwa i poprawia oszczędność energii.

Wykorzystanie ogniw paliwowych do ochrony środowiska – Wykorzystanie powiązanego gazu ziemnego

Jednym z najważniejszych zadań w przemyśle naftowym jest utylizacja towarzyszącego gazu ziemnego. Istniejące metody utylizacji towarzyszącego gazu ropopochodnego mają wiele wad, z których główną jest nieopłacalność ekonomiczna. Powiązany gaz ropopochodny jest spalany w pochodniach, co powoduje ogromne szkody dla środowiska i zdrowia ludzi.

Innowacyjne elektrociepłownie z ogniwami paliwowymi wykorzystujące powiązany gaz ropopochodny jako paliwo otwierają drogę do radykalnego i opłacalnego rozwiązania problemów związanego z wykorzystaniem gazu ropopochodnego.

1. Jedną z głównych zalet instalacji ogniw paliwowych jest to, że mogą one działać niezawodnie i w sposób zrównoważony na gazie ropopochodnym o zmiennym składzie. Ze względu na bezpłomieniową reakcję chemiczną leżącą u podstaw działania ogniwa paliwowego, zmniejszenie procentowej zawartości np. metanu powoduje jedynie odpowiednie zmniejszenie mocy wyjściowej.
2. Elastyczność w stosunku do obciążenia elektrycznego odbiorników, różnicy, skoku obciążenia.
3. Do instalacji i podłączenia elektrowni cieplnych na ogniwa paliwowe ich realizacja nie wymaga nakładów inwestycyjnych, gdyż Jednostki łatwo montuje się na nieprzygotowanych terenach w pobliżu pól, są łatwe w obsłudze, niezawodne i wydajne.
4. Wysoka automatyzacja i nowoczesne zdalne sterowanie nie wymagają stałej obecności personelu na terenie zakładu.
5. Prostota i doskonałość techniczna konstrukcja: brak części ruchomych, brak tarcia, brak układów smarowania daje znaczne korzyści ekonomiczne z eksploatacji instalacji ogniw paliwowych.
6. Zużycie wody: brak przy temperaturach otoczenia do +30°C i znikome przy temperaturach wyższych.
7. Wylot wody: brak.
8. Ponadto elektrownie cieplne z ogniwami paliwowymi nie hałasują, nie wibrują, nie emitują szkodliwych emisji do atmosfery

OGNIWO PALIWOWE
generator elektrochemiczny, urządzenie zapewniające bezpośrednią konwersję energii chemicznej na energię elektryczną. Chociaż to samo dzieje się w akumulatorach elektrycznych, ogniwa paliwowe mają dwie istotne różnice: 1) działają tak długo, jak długo paliwo i utleniacz są dostarczane z zewnętrznego źródła; 2) skład chemiczny elektrolit nie zmienia się podczas pracy, tj. ogniwo paliwowe nie wymaga ładowania.
Zobacz też ZASILANIE BATERII .
Zasada działania. Ogniwo paliwowe (rys. 1) składa się z dwóch elektrod oddzielonych elektrolitem, układów doprowadzenia paliwa do jednej elektrody i utleniacza do drugiej oraz układu usuwania produktów reakcji. W większości przypadków katalizatory stosuje się w celu przyspieszenia reakcji chemicznej. Ogniwo paliwowe jest połączone zewnętrznym obwodem elektrycznym z obciążeniem, które zużywa energię elektryczną.

W tym pokazanym na rys. W kwaśnym ogniwie paliwowym wodór jest dostarczany przez wydrążoną anodę i dostaje się do elektrolitu przez bardzo drobne pory w materiale elektrody. W tym przypadku cząsteczki wodoru rozkładają się na atomy, które w wyniku chemisorpcji, z których każdy odda jeden elektron, zamieniają się w dodatnio naładowane jony. Proces ten można opisać następującymi równaniami:

Jony wodoru dyfundują przez elektrolit do pozytywna strona element. Tlen dostarczony do katody przechodzi do elektrolitu, a także reaguje z udziałem katalizatora na powierzchni elektrody. W połączeniu z jonami wodoru i elektronami pochodzącymi z obwodu zewnętrznego powstaje woda:

Ogniwa paliwowe z alkalicznymi elektrolitami (zwykle stężonymi wodorotlenkami sodu lub potasu) podlegają podobnym reakcjom chemicznym. Wodór przechodzi przez anodę i reaguje w obecności katalizatora z jonami hydroksylowymi (OH-) obecnymi w elektrolicie, tworząc wodę i elektron:

Na katodzie tlen reaguje z wodą zawartą w elektrolicie i elektronami z obwodu zewnętrznego. W kolejnych etapach reakcji powstają jony hydroksylowe (a także perhydroksyl O2H-). Wynikową reakcję na katodzie można zapisać jako:

Przepływ elektronów i jonów utrzymuje równowagę ładunku i materii w elektrolicie. Powstająca w wyniku reakcji woda częściowo rozcieńcza elektrolit. W każdym ogniwie paliwowym część energii reakcji chemicznej jest zamieniana na ciepło. Przepływ elektronów w obwodzie zewnętrznym jest prądem stałym, który służy do wykonania pracy. Większość reakcji w ogniwach paliwowych zapewnia pole elektromagnetyczne o wartości około 1 V. Otwarcie obwodu lub zatrzymanie ruchu jonów zatrzymuje działanie ogniwa paliwowego. Proces zachodzący w wodorowo-tlenowym ogniwie paliwowym jest z natury odwrotnością dobrze znanego procesu elektrolizy, w którym woda ulega dysocjacji, gdy prąd elektryczny przepływa przez elektrolit. Rzeczywiście, w niektórych typach ogniw paliwowych proces można odwrócić – podając napięcie na elektrody, woda może zostać rozłożona na wodór i tlen, które mogą zostać zebrane na elektrodach. Jeśli przerwiemy ładowanie ogniwa i podłączymy do niego obciążenie, takie regeneracyjne ogniwo paliwowe natychmiast zacznie działać w swoim normalnym trybie. Teoretycznie wymiary ogniwa paliwowego mogą być dowolnie duże. Jednak w praktyce kilka ogniw łączy się w małe moduły lub baterie, które łączy się szeregowo lub równolegle.
Rodzaje ogniw paliwowych. Istnieją różne rodzaje ogniw paliwowych. Można je sklasyfikować na przykład według stosowanego paliwa, ciśnienia roboczego i temperatury oraz rodzaju zastosowania.
Elementy na paliwie wodorowym. W opisanym powyżej typowym ogniwie wodór i tlen są przenoszone do elektrolitu przez mikroporowate elektrody węglowe lub metalowe. Wysoką gęstość prądu uzyskuje się w ogniwach pracujących w podwyższonej temperaturze (około 250°C) i wysokim ciśnieniu. Najszersze zastosowanie komercyjne najwyraźniej znajdą ogniwa wykorzystujące paliwo wodorowe otrzymywane z przetwarzania paliw węglowodorowych, takich jak gaz ziemny czy produkty ropopochodne. Łącząc dużą liczbę elementów, możesz tworzyć potężne elektrownie. W instalacjach tych prąd stały generowany przez ogniwa jest przetwarzany na prąd przemienny o standardowych parametrach. Nowym typem pierwiastków zdolnych do pracy na wodorze i tlenie w normalnej temperaturze i ciśnieniu są pierwiastki z membranami jonowymiennymi (rys. 2). W ogniwach tych zamiast ciekłego elektrolitu pomiędzy elektrodami znajduje się polimerowa membrana, przez którą swobodnie przechodzą jony. W takich komórkach powietrze może być używane razem z tlenem. Woda powstająca podczas pracy ogniwa nie rozpuszcza stałego elektrolitu i może być łatwo usunięta.

Pierwiastki na paliwa węglowodorowe i węglowe. Przedmiotem intensywnych badań są ogniwa paliwowe, które mogą przetwarzać energię chemiczną powszechnie dostępnych i stosunkowo niedrogich paliw, takich jak propan, gaz ziemny, metanol, nafta czy benzyna, bezpośrednio na energię elektryczną. Jednak nie osiągnięto jeszcze znaczącego postępu w rozwoju ogniw paliwowych działających na gazy otrzymane z paliw węglowodorowych w normalnych temperaturach. Aby zwiększyć szybkość reakcji paliw węglowodorowych i węglowych, konieczne jest zwiększenie temperatury pracy ogniwa paliwowego. Elektrolity to stopione węglany lub inne sole, które są zamknięte w porowatej matrycy ceramicznej. Paliwo „rozszczepia się” w ogniwie, tworząc wodór i tlenek węgla, które podtrzymują reakcję generującą prąd w ogniwie. Elementy pracujące na innych paliwach. Zasadniczo reakcje w ogniwach paliwowych nie muszą być reakcjami utleniania konwencjonalnych paliw. W przyszłości można znaleźć inne reakcje chemiczne, które pozwolą na wydajne bezpośrednie wytwarzanie energii elektrycznej. W niektórych urządzeniach energię elektryczną uzyskuje się poprzez utlenianie np. cynku, sodu czy magnezu, z których wykonuje się zużywalne elektrody.
Efektywność. Zamiana energii z paliw konwencjonalnych (węgiel, ropa naftowa, gaz ziemny) na energię elektryczną była dotychczas procesem wieloetapowym. Spalanie paliwa w celu wytworzenia pary lub gazu potrzebnego do napędzania turbiny lub silnika spalinowego, który z kolei napędza generator elektryczny, nie jest procesem bardzo wydajnym. Rzeczywiście, współczynnik wykorzystania energii takiej przemiany jest ograniczony drugą zasadą termodynamiki i trudno go znacznie podnieść powyżej istniejącego poziomu (patrz także CIEPŁO; TERMODYNAMIKA). Współczynnik wykorzystania energii paliwowej najnowocześniejszych elektrowni z turbiną parową nie przekracza 40%. W przypadku ogniw paliwowych nie ma termodynamicznego ograniczenia współczynnika wykorzystania energii. W istniejących ogniwach paliwowych od 60 do 70% energii paliwa jest bezpośrednio przekształcane w energię elektryczną, a elektrownie wykorzystujące wodór z paliw węglowodorowych są projektowane z wydajnością 40-45%.
Aplikacje. Ogniwa paliwowe mogą w niedalekiej przyszłości stać się powszechnie stosowanym źródłem energii w transporcie, przemyśle i przemyśle gospodarstwo domowe. Wysoki koszt ogniw paliwowych ograniczył ich zastosowanie w zastosowaniach wojskowych i kosmicznych. Zamierzone zastosowania ogniw paliwowych obejmują ich wykorzystanie jako przenośnych źródeł zasilania dla potrzeb wojskowych oraz kompaktowych alternatywnych źródeł zasilania dla satelitów bliskich Ziemi z panelami słonecznymi, gdy przechodzą one przez rozszerzone zacienione sekcje orbity. Niewielkie rozmiary i masa ogniw paliwowych umożliwiły wykorzystanie ich w załogowych lotach na Księżyc. Ogniwa paliwowe na pokładzie trzymiejscowego statku kosmicznego Apollo były wykorzystywane do zasilania komputerów pokładowych i systemów komunikacji radiowej. Ogniwa paliwowe mogą być wykorzystywane do zasilania sprzętu w odległych obszarach, w pojazdach terenowych, na przykład w budownictwie. W połączeniu z silnikiem elektrycznym prądu stałego ogniwo paliwowe będzie wydajnym źródłem napędu pojazdu. Do powszechnego stosowania ogniw paliwowych wymagany jest znaczny postęp technologiczny, redukcja kosztów oraz możliwość efektywnego wykorzystania taniego paliwa. Gdy te warunki zostaną spełnione, ogniwa paliwowe sprawią, że energia elektryczna i mechaniczna będzie powszechnie dostępna na całym świecie.
Zobacz też ZASOBY ENERGETYCZNE .
LITERATURA
Bagotsky V.S., Skundin A.M. Źródła chemiczne aktualny. M., 1981 Crompton T. Bieżące źródła. M., 1985, 1986

Encyklopedia Colliera. - Społeczeństwo otwarte. 2000 .

Zobacz, co „OGNIWO PALIWOWE” znajduje się w innych słownikach:

ELEMENT PALIWOWY, ELEMENT ELEKTROCHEMICZNY do bezpośredniej konwersji energii utleniania paliwa na energię elektryczną. Odpowiednio zaprojektowane elektrody są zanurzane w ELEKTROLICIE, a paliwo (na przykład wodór) jest dostarczane do jednego ... Naukowy i techniczny słownik encyklopedyczny

Ogniwo galwaniczne, w którym reakcja redoks jest utrzymywana przez ciągłe dostarczanie odczynników (paliwa, np. wodoru i utleniacza, np. tlenu) ze specjalnych zbiorników. Najważniejsza część... ... Wielki słownik encyklopedyczny

ogniwo paliwowe- Podstawowy element, w którym energia elektryczna jest wytwarzana w wyniku reakcji elektrochemicznych pomiędzy substancjami aktywnymi dostarczanymi w sposób ciągły do ​​elektrod z zewnątrz. [GOST 15596 82] PL ogniwo paliwowe, które może zmieniać energię chemiczną z… … Podręcznik tłumacza technicznego

Ogniwo paliwowe z bezpośrednim metanolem Ogniwo paliwowe to urządzenie elektrochemiczne podobne do ogniwa galwanicznego, ale różniące się od niego ... Wikipedia

Oczekuje się, że w ciągu najbliższych dwóch lat na rynku komputerów mobilnych i przenośnych urządzeń elektronicznych pojawi się duża liczba produkowanych seryjnie modeli wyposażonych w źródła zasilania z chemicznych ogniw paliwowych.

Wycieczka do historii

Pierwsze eksperymenty nad stworzeniem ogniw paliwowych przeprowadzono w XIX wieku. W 1839 roku angielski fizyk Grove przeprowadzając elektrolizę wody odkrył, że po wyłączeniu zewnętrznego źródła prądu między elektrodami powstaje prąd stały. Jednak odkrycia w tej dziedzinie, dokonane przez wielu wybitnych naukowców XIX wieku, nie znalazły praktycznego zastosowania, stając się własnością wyłącznie nauki akademickiej.

Naukowcy powrócili do tworzenia ogniw paliwowych do zastosowań aplikacyjnych dopiero na początku lat pięćdziesiątych. W tym okresie zespoły badawcze w USA, Japonii, ZSRR i wielu krajach Europy Zachodniej zaczęły aktywnie badać możliwości praktycznego zastosowania reaktorów chemicznych do wytwarzania energii elektrycznej.

Pierwszym obszarem praktycznego zastosowania ogniw paliwowych była astronautyka. Ogniwa paliwowe różnych konstrukcji zastosowano w amerykańskich statkach kosmicznych Gemini, Apollo i Shuttle, a także w promie kosmicznym wielokrotnego użytku Buran stworzonym w ZSRR.

Kolejną falę zainteresowania chemicznymi ogniwami paliwowymi wywołał kryzys energetyczny lat 70. W tym okresie wiele firm zajmowało się badaniami nad wykorzystaniem alternatywnych źródeł energii w transporcie, a także w zastosowaniach domowych i przemysłowych. Nawiasem mówiąc, właśnie w tej dziedzinie rozpoczęła swoją działalność znana już firma ARS.

Obecnie istnieją cztery główne obszary zastosowań elektrowni na ogniwa paliwowe: elektrownie do różnych pojazdów (od skuterów po autobusy), rozwiązania stacjonarne o dużej i małej skali oraz zasilacze do urządzeń mobilnych. W tym artykule skupimy się głównie na rozwiązaniach dla urządzeń przenośnych.

Czym są ogniwa paliwowe

Przede wszystkim należy wyjaśnić, o czym będzie mowa. Ogniwa paliwowe to wyspecjalizowane reaktory chemiczne przeznaczone do bezpośredniej konwersji energii uwalnianej podczas reakcji utleniania paliwa na energię elektryczną.

Należy zauważyć, że ogniwa paliwowe różnią się od akumulatorów galwanicznych co najmniej dwiema zasadniczymi różnicami, również dotyczącymi urządzeń przetwarzających energię zachodzących w nich reakcji chemicznych na energię elektryczną. Po pierwsze w ogniwach paliwowych stosowane są elektrody, które nie zużywają się podczas pracy, a po drugie substancje niezbędne do reakcji dostarczane są z zewnątrz, a nie są początkowo umieszczane wewnątrz ogniwa (jak ma to miejsce w przypadku konwencjonalnych akumulatorów).

Zastosowanie elektrod nie podlegających zużyciu może znacznie wydłużyć żywotność ogniw paliwowych w porównaniu do akumulatorów galwanicznych. Dodatkowo, dzięki zastosowaniu zewnętrznego układu zasilania paliwem, procedura przywracania sprawności ogniw paliwowych jest znacznie uproszczona i tańsza.

	Rodzaje chemicznych ogniw paliwowych Ogniwa paliwowe z membraną jonowymienną (Proton Exchange Membrane, PEM) Technologia wytwarzania elementów tego typu została opracowana w latach 50-tych XX wieku przez inżynierów firmy General Electric. Podobne ogniwa paliwowe były używane do generowania energii elektrycznej w amerykańskim statku kosmicznym Gemini. Osobliwość Elementy PEM to zastosowanie elektrod grafitowych i stałego elektrolitu polimerowego (lub, jak to się nazywa, membrany jonowymiennej Proton Exchange Membrane). Ogniwa PEM wykorzystują czysty wodór jako paliwo, podczas gdy tlen zawarty w powietrzu działa jako środek utleniający. Wodór dostarczany jest od strony anody, gdzie zachodzi reakcja elektrochemiczna: 2H2 -> 4H++4e. Jony wodoru przemieszczają się z anody do katody przez elektrolit (przewodnik jonowy), natomiast elektrony przez obwód zewnętrzny. Na katodzie, od strony której doprowadzany jest utleniacz (tlen lub powietrze), utlenia się wodór, tworząc czysta woda: O2 + 4H + + 4e -> 2H2O. Temperatura pracy ogniw PEM wynosi około 80°C. W takich warunkach reakcje elektrochemiczne przebiegają zbyt wolno, dlatego w konstrukcji tego typu ogniw stosuje się katalizator zwykle cienką warstwę platyny na każdej z elektrod. Jedno ogniwo takiego elementu, składające się z pary elektrod i membrany jonowymiennej, jest w stanie wytworzyć napięcie rzędu 0,7 V. Aby zwiększyć napięcie wyjściowe, szereg pojedynczych ogniw podłącza się do akumulatora. Ogniwa PEM są w stanie pracować w stosunkowo niskiej temperaturze otoczenia i charakteryzują się dość wysoką wydajnością (od 40 do 50%). Obecnie na bazie elementów PEM powstały działające prototypy elektrowni o mocy do 50 kW; w opracowaniu są urządzenia o mocy do 250 kW. Istnieje kilka ograniczeń uniemożliwiających szersze zastosowanie tej technologii. Jest to stosunkowo wysoki koszt materiałów do produkcji membran i katalizatora. Ponadto jako paliwo można stosować tylko czysty wodór. Alkaliczne ogniwa paliwowe (AFC) Projekt pierwszego alkalicznego ogniwa paliwowego opracował rosyjski naukowiec P. Jabłoczkow w 1887 roku. Jako elektrolit w ogniwach alkalicznych stosuje się stężony wodorotlenek potasu (KOH) lub jego wodny roztwór, a nikiel jest głównym materiałem do produkcji elektrod. Czysty wodór jest używany jako paliwo, a czysty tlen jako utleniacz. Reakcja utleniania wodoru przebiega poprzez elektroutlenianie wodoru na anodzie: 2H2 + 4OH - 4e -> 4H2O i elektroredukcja tlenu na katodzie: O2 + 2H2O + 4e -> 4OH -. Jony wodorotlenkowe poruszają się w elektrolicie od katody do anody, a elektrony poruszają się wzdłuż obwodu zewnętrznego od anody do katody. Ogniwa alkaliczne pracują w temperaturze ok. 80°C, jednak znacznie (o rząd wielkości) ustępują ogniwom PEM gęstością mocy, przez co ich wymiary (przy porównywalnych parametrach) są znacznie większe. Jednak koszt produkcji ogniw alkalicznych jest znacznie niższy niż PEM. Główną wadą pierwiastków alkalicznych jest konieczność stosowania czystego tlenu i wodoru, ponieważ obecność zanieczyszczeń w postaci dwutlenku węgla (CO2) w paliwie lub utleniaczu prowadzi do karbonizacji alkaliów. Ogniwa paliwowe z kwasem fosforowym (PAFC) Elektrolitem stosowanym w ogniwach fosforanowych jest ciekły kwas fosforowy, zwykle zawarty w porach matrycy z węglika krzemu. Grafit jest używany do produkcji elektrod. Reakcje elektroutleniania wodoru zachodzące w ogniwach fosforanowych są podobne do zachodzących w ogniwach PEM. Temperatura pracy ogniw fosforanowych jest nieco wyższa w porównaniu z ogniwami PEM i alkalicznymi i wynosi od 150 do 200°C. Niemniej jednak, aby zapewnić wymaganą szybkość reakcji elektrochemicznych, konieczne jest zastosowanie katalizatorów (platyny lub stopów na jej bazie). Ze względu na wyższą temperaturę pracy ogniwa fosforanowe są mniej wrażliwe na czystość chemiczną paliwa (wodoru) niż ogniwa PEM i alkaliczne. Pozwala to na stosowanie mieszanki paliwowej zawierającej 1-2% tlenku węgla. Zwykłe powietrze może być użyte jako środek utleniający, ponieważ zawarte w nim substancje nie reagują z elektrolitem. Elementy kwasu fosforowego mają stosunkowo niską sprawność (około 40%) i potrzebują trochę czasu, aby osiągnąć tryb pracy podczas zimnego rozruchu. Jednak PAFC mają również szereg zalet, w tym prostszą konstrukcję, a także wysoką stabilność i niską lotność elektrolitu. Obecnie na bazie pierwiastków kwasu fosforowego powstało i oddano do komercyjnej eksploatacji dużą liczbę elektrowni o mocy od 200 kW do 20 MW. Ogniwa paliwowe z bezpośrednim utlenianiem metanolu (Direct Methanol Fuel Cells, DMFC) Pierwiastki z bezpośrednim utlenianiem metanolu to jedna z opcji wykonania pierwiastków z membraną jonowymienną. Paliwem dla pierwiastków DMFC jest wodny roztwór alkoholu metylowego (metanol). Potrzebny do reakcji wodór (oraz produkt uboczny w postaci dwutlenku węgla) otrzymuje się przez bezpośrednie elektroutlenianie roztworu metanolu na anodzie: CH3OH + H2O -> CO2 + 6H + + 6e. Na katodzie zachodzi reakcja utleniania wodoru z tworzeniem wody: 3/2O 2 + 6H + + 6e -> 3H2O. Temperatura robocza ogniw DMFC wynosi około 120°C, czyli jest nieco wyższa niż w przypadku ogniw wodorowych PEM. Wadą konwersji w niskiej temperaturze są większe wymagania dla katalizatorów. Nieuchronnie prowadzi to do wzrostu kosztu takich ogniw paliwowych, ale tę wadę rekompensuje wygoda stosowania paliwa płynnego i brak konieczności stosowania zewnętrznego konwertera do produkcji czystego wodoru. Ogniwa paliwowe z elektrolitem ze stopu węglanu litu i sodu (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC) Ten typ ogniw paliwowych należy do urządzeń wysokotemperaturowych. Wykorzystują elektrolit składający się z węglanu litu (Li 2 CO 3) lub węglanu sodu (Na 2 CO 3) znajdującego się w porach matrycy ceramicznej. Nikiel domieszkowany chromem jest używany jako materiał anody, a litowany tlenek niklu (NiO + LiO 2) jest używany jako katoda. Po podgrzaniu do temperatury około 650°C składniki elektrolitu topią się, w wyniku czego powstają jony soli dwutlenku węgla przemieszczające się z katody do anody, gdzie reagują z wodorem: CO 3 2– + H 2 -> H 2 O + CO 2 + 2e. Uwolnione elektrony przemieszczają się wzdłuż obwodu zewnętrznego z powrotem do katody, gdzie zachodzi reakcja: CO 2 + 1/2 O 2 + 2e -> CO 3 2–. Wysoka temperatura pracy tych elementów umożliwia wykorzystanie jako paliwa gazu ziemnego (metanu), który poprzez wbudowany konwerter przetwarzany jest na wodór i tlenek węgla: CH4 + H2O<->CO + 3H2. Elementy MCFC charakteryzują się wysoką sprawnością (do 60%) i pozwalają na zastosowanie tańszego i bardziej dostępnego niklu zamiast platyny jako katalizatora. Ze względu na dużą ilość ciepła uwalnianego podczas pracy, ten typ ogniwa paliwowego dobrze nadaje się do tworzenia stacjonarnych źródeł energii elektrycznej i cieplnej, ale jest mało przydatny do pracy w warunkach mobilnych. Obecnie na bazie elementów MCFC powstają już elektrownie stacjonarne o mocy do 2 MW. Ogniwa paliwowe ze stałym elektrolitem (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC) Ten typ elementu ma jeszcze wyższą temperaturę pracy (od 800 do 1000°C) niż opisany powyżej MCFC. SOFC wykorzystuje ceramiczny elektrolit na bazie tlenku cyrkonu (ZrO 2 ) stabilizowanego tlenkiem itru (Y 2 O 3 ). Na katodzie zachodzi reakcja elektrochemiczna z utworzeniem ujemnie naładowanych jonów tlenu: O 2 + 4e -> 2O 2–. Ujemnie naładowane jony tlenu poruszają się w elektrolicie w kierunku od katody do anody, gdzie paliwo jest utleniane (zwykle mieszanina wodoru i tlenku węgla, tworząc wodę i dwutlenek węgla: H 2 + 2O 2– -> H 2 O + 2e; CO + 2O 2– -> CO 2 + 2e. Ogniwa SOFC oferują te same korzyści, co ogniwa MCFC, w tym możliwość wykorzystania gazu ziemnego jako paliwa. Składniki SOFC mają wyższą stabilność chemiczną, ale koszt ich produkcji jest nieco wyższy w porównaniu z MCFC.

Działanie chemicznych ogniw paliwowych wspomagane jest przez dostawę dwóch składników wspomagających reakcję – paliwa i utleniacza. W zależności od typu ogniwa paliwowego jako paliwo może być stosowany wodór gazowy, gaz ziemny (metan) oraz ciekłe paliwo węglowodorowe (np. metanol). Czynnikiem utleniającym jest zwykle tlen zawarty w powietrzu, a niektóre typy ogniw paliwowych mogą pracować tylko z czystym tlenem.

Konstrukcja każdego chemicznego ogniwa paliwowego składa się z dwóch elektrod (katody i anody) oraz umieszczonej pomiędzy nimi warstwy elektrolitu, medium, które zapewnia ruch jonów z jednej elektrody na drugą i blokuje ruch elektronów. Aby reakcja przebiegała szybciej, w elektrodach często stosuje się katalizatory. W zależności od właściwości chemicznych i fizycznych zastosowanego elektrolitu, ogniwa paliwowe dzielą się na kilka różnych typów (więcej szczegółów w ramce „Rodzaje chemicznych ogniw paliwowych”).

Zalety ogniw paliwowych

W porównaniu z szeroko stosowanymi obecnie autonomicznymi zasilaczami stosowanymi w komputerach przenośnych i urządzeniach przenośnych, chemiczne ogniwa paliwowe mają szereg istotnych zalet.

Przede wszystkim warto zwrócić uwagę na wysoką sprawność ogniw paliwowych, która w zależności od rodzaju wynosi od 40 do 60%. Wysoka wydajność umożliwia wytwarzanie zasilaczy o wyższej energochłonności właściwej, dzięki czemu uzyskuje się zmniejszenie ich wagi i wskaźników wielkości przy zachowaniu mocy i żywotności baterii. Ponadto bardziej energochłonne zasilacze mogą znacznie wydłużyć żywotność baterii istniejących urządzeń bez zwiększania ich rozmiaru i wagi.

Kolejną ważną zaletą chemicznych ogniw paliwowych jest możliwość niemal natychmiastowego odnowienia ich zasobu energetycznego nawet w przypadku braku zewnętrznych źródeł zasilania do tego wystarczy zainstalować nowy pojemnik (wkład) ze zużytym paliwem. Zastosowanie elektrod, które nie ulegają zużyciu w procesie reakcji, pozwala na tworzenie ogniw paliwowych o bardzo długiej żywotności i niskim całkowitym koszcie posiadania.

Należy również zauważyć, że chemiczne ogniwa paliwowe są znacznie bardziej przyjazne dla środowiska niż baterie galwaniczne. Materiały eksploatacyjne do ogniw paliwowych to tylko pojemniki z paliwem, a głównym produktem reakcji jest zwykła woda. Zastąpienie obecnych baterii i akumulatorów ogniwami paliwowymi znacznie zmniejszy ilość odpadów zawierających substancje toksyczne i szkodliwe dla środowiska, które mają być poddane recyklingowi.

Problem z platyną

Pomimo oczywistej przewagi chemicznych ogniw paliwowych nad wieloma obecnymi źródłami zasilania przenośnych komputerów osobistych i urządzeń elektronicznych, istnieją pewne przeszkody w masowym przyjęciu nowej technologii.

Najbardziej odpowiednie do stosunkowo małych zastosowań przenośnych są ogniwa paliwowe o niskiej temperaturze roboczej, takie jak PEM i DMCF. Jednak aby zapewnić akceptowalną szybkość reakcji chemicznych w takich pierwiastkach konieczne jest zastosowanie katalizatorów. Obecnie w ogniwach PEM i DMCF stosuje się katalizatory wykonane z platyny i jej stopów. Biorąc pod uwagę stosunkowo niewielkie zasoby naturalne tej substancji, a także jej wysoki koszt, jednym z głównych zadań stojących przed twórcami źródeł zasilania opartych na ogniwach paliwowych jest poszukiwanie i tworzenie nowych katalizatorów. Innym możliwym rozwiązaniem problemu jest zastosowanie wysokotemperaturowych ogniw paliwowych, jednak z wielu powodów takie źródła zasilania obecnie praktycznie nie nadają się do zastosowania w urządzeniach przenośnych.

Posuwając się naprzód: prototypowanie

Pomimo występowania wielu problemów, w ciągu ostatnich dwóch lat wyraźnie wzrosła aktywność zespołów rozwojowych zajmujących się tworzeniem ogniw paliwowych do przenośnych komputerów PC i urządzeń elektronicznych. Ponadto wzrosła również liczba firm prowadzących takie prace.

Jeśli mówimy o stosowanych technologiach, to najpopularniejszymi rozwiązaniami w tym segmencie są ogniwa paliwowe PEM i DMFC. Spośród firm opracowujących ogniwa paliwowe do urządzeń mobilnych około 45% polegało na technologii PEM, około 40% na DMFC i mniej niż 10% na SOFC. Wygoda i łatwość stosowania paliw płynnych to istotna przewaga DMFC nad PEM, aw ostatnim roku stało się jasne, że większość projektów będących na skraju komercjalizacji opiera się na technologii DMFC.

Prototyp PDA ze zintegrowanym ogniwem paliwowym stworzony przez programistów Hitachi

Na początku ubiegłego roku firma Hitachi zademonstrowała prototyp PDA ze zintegrowanym ogniwem paliwowym i ogłosiła zamiar rozpoczęcia sprzedaży próbnej partii takich urządzeń w 2005 roku. Ogniwo paliwowe jest uzupełniane za pomocą cylindrycznego wkładu (o średnicy 1 cm i wysokości 5 cm) zawierającego 20% wodny roztwór metanolu. Według twórców, paliwo zawarte we wkładzie wystarczy, aby zapewnić aktywna praca z PDA w ciągu 6-8 godzin.

W czerwcu ubiegłego roku firma Toshiba zaprezentowała prototypowe, kompaktowe ogniwo DMFC przeznaczone do zasilania cyfrowych odtwarzaczy multimedialnych i telefonów komórkowych. Wymiary tego bloku to 22X56X4,5 mm, waga 8,5 g. Jako paliwo wykorzystuje stężony metanol (99,5%). Jeden ładunek paliwa (2 cm3) wystarcza do zasilania odbiornika o mocy 100 mW (np. przenośnego odtwarzacza MP3) przez 20 godzin. W trakcie prac nad tym prototypem zastosowano kilka nowych rozwiązań, w szczególności zoptymalizowano budowę elektrod oraz polimerową membranę, co umożliwia wykorzystanie jako paliwa stężonego metanolu.

Wiadomo, że jeden z producentów telefonów komórkowych KDDI bacznie obserwuje rozwój Toshiby i Hitachi w dziedzinie małych ogniw paliwowych. KDDI planuje wprowadzić na rynek telefony komórkowe zasilane ogniwami paliwowymi w ciągu najbliższych dwóch lat.

Kilka firm już zademonstrowało prototypowe rozwiązania dla laptopów. W szczególności Casio zaprezentowało prototyp laptopa wyposażonego w zasilacz zawierający element PEM oraz konwerter metanolu. Na początku ubiegłego roku Samsung zaprezentował prototyp laptopa opartego na platformie mobilnej Centrino, wyposażonego w ogniwo paliwowe, które zapewnia pracę urządzenia przez 10 godzin.

W listopadzie 2004 roku pracownicy Tokijskiego Instytutu Badań Materiałów i Energii (Materials and Energy Research Institute Tokyo, MERIT) opublikowali informację o pracach nad stworzeniem ogniwa paliwowego własnej konstrukcji, które będzie tańsze i bardziej zwarte niż DMFC. Będzie wykorzystywać borowodorek sodu jako paliwo. Według twórców, dzięki temu czas pracy ogniwa paliwowego wydłuży się czterokrotnie w porównaniu do ogniwa DMFC wypełnionego taką samą objętością metanolu.

Prototyp ogniwa paliwowego zaprezentowany przez pracowników firmy MERIT wykonany jest w obudowie o wymiarach 80X84,6X3 mm i jest w stanie pracować z obciążeniem do 20 W. Do zasilania mocniejszych urządzeń można użyć akumulatorów składających się z kilku ogniw. Zgodnie z istniejącymi planami rozmieszczenie produkcja seryjna takie elementy zaplanowano na początek 2006 r.

Lody się załamały...

W połowie grudnia firma Intermec Technologies wprowadziła na rynek Ręczny Czytnik RFID, pierwsze masowo produkowane urządzenie wyposażone w małogabarytowy element DMFC. Zastosowane w urządzeniu ogniwo paliwowe Mobion zostało opracowane przez firmę MTI MicroFuel Cells, która planuje uruchomić produkcję takich zasilaczy do PDA, smartfonów i innych urządzeń przenośnych. Według twórców MTI MicroFuel Cells element Mobion pozwala kilkukrotnie wydłużyć czas pracy urządzeń bez ładowania w porównaniu do baterie litowo-jonowe ten sam rozmiar.

Zdaniem wielu ekspertów w nadchodzącym roku należy spodziewać się szeregu masowo produkowanych urządzeń przenośnych wyposażonych w ogniwa paliwowe. A przyszłość rynku przenośnych zasilaczy będzie w dużej mierze zależała od tego, jak udany będzie ich debiut.