Jak działają ogniwa paliwowe. Czym są ogniwa paliwowe

12.10.2019

W Nowoczesne życie chemiczne źródła prądu są wszędzie wokół nas: baterie w latarkach, baterie w telefonach komórkowych, wodorowe ogniwa paliwowe, które są już stosowane w niektórych samochodach. Szybki rozwój technologii elektrochemicznych może doprowadzić do tego, że w niedalekiej przyszłości zamiast samochodów benzynowych będziemy otoczeni wyłącznie pojazdami elektrycznymi, telefony nie będą się już szybko rozładowywać, a każdy dom będzie miał własne ogniwo paliwowe elektryczne. generator. Jeden ze wspólnych programów Uralskiego Uniwersytetu Federalnego z Instytutem Elektrochemii Wysokotemperaturowej Uralskiego Oddziału Rosyjskiej Akademii Nauk, w partnerstwie z którym publikujemy ten artykuł, poświęcony jest poprawie wydajności elektrochemicznych magazynów i generatorów prądu .

Dziś jest ich wiele różne rodzaje baterie, wśród których coraz trudniej nawigować. Nie dla wszystkich jest jasne, czym bateria różni się od superkondensatora i dlaczego można stosować wodorowe ogniwo paliwowe bez obawy o szkodę dla środowiska. W tym artykule porozmawiamy o tym, w jaki sposób reakcje chemiczne są wykorzystywane do wytwarzania energii elektrycznej, jaka jest różnica między głównymi typami nowoczesnych źródeł prądu chemicznego i jakie perspektywy otwierają się dla energii elektrochemicznej.

Chemia jako źródło energii elektrycznej

Najpierw spójrzmy, dlaczego energia chemiczna może być w ogóle wykorzystywana do generowania elektryczności. Chodzi o to, że w reakcjach redoks elektrony są przenoszone między dwoma różnymi jonami. Jeśli dwie połówki Reakcja chemiczna rozłożone w przestrzeni tak, aby utlenianie i redukcja zachodziły oddzielnie od siebie, wtedy można mieć pewność, że elektron, który odrywa się od jednego jonu, nie pada od razu na drugi, ale najpierw przechodzi po z góry określonej dla niego ścieżce. Ta reakcja może być wykorzystana jako źródło prądu elektrycznego.

Koncepcja ta została po raz pierwszy wdrożona w XVIII wieku przez włoskiego fizjologa Luigiego Galvaniego. Działanie tradycyjnego ogniwa galwanicznego opiera się na reakcjach redukcji i utleniania metali o różnej aktywności. Na przykład klasyczne ogniwo to ogniwo galwaniczne, w którym cynk jest utleniany, a miedź jest redukowana. Reakcje redukcji i utleniania zachodzą odpowiednio na katodzie i anodzie. Aby jony miedzi i cynku nie dostały się na „obce terytorium”, gdzie mogą bezpośrednio ze sobą reagować, między anodą a katodą umieszcza się zwykle specjalną membranę. W rezultacie między elektrodami powstaje różnica potencjałów. Jeśli na przykład połączysz elektrody z żarówką, w powstałym obwodzie elektrycznym zaczyna płynąć prąd i żarówka się zapala.

Schemat ogniwa galwanicznego

Wikimedia Commons

Oprócz materiałów anody i katody ważnym składnikiem chemicznego źródła prądu jest elektrolit, wewnątrz którego poruszają się jony i na granicy którego zachodzą wszystkie reakcje elektrochemiczne z elektrodami. W takim przypadku elektrolit nie musi być płynny – może to być zarówno materiał polimerowy, jak i ceramiczny.

Główną wadą ogniwa galwanicznego jest jego ograniczony czas pracy. Gdy tylko reakcja dobiegnie końca (czyli cała stopniowo rozpuszczająca się anoda zostanie całkowicie zużyta), taki element po prostu przestanie działać.

Baterie alkaliczne palcowe

Akumulator

Pierwszym krokiem w kierunku rozszerzenia możliwości chemicznych źródeł prądu było stworzenie baterii – źródła prądu, które można ładować, a tym samym ponownie wykorzystywać. W tym celu naukowcy po prostu zaproponowali zastosowanie odwracalnych reakcji chemicznych. Po całkowitym rozładowaniu akumulatora po raz pierwszy, za pomocą zewnętrznego źródła prądu, reakcja, która w nim zaszła, może rozpocząć się w przeciwnym kierunku. Spowoduje to przywrócenie pierwotnego stanu, dzięki czemu bateria będzie mogła być ponownie użyta po ponownym naładowaniu.

Samochodowy akumulator kwasowo-ołowiowy

Do tej pory powstało wiele różnych typów baterii, które różnią się rodzajem zachodzącej w nich reakcji chemicznej. Najpopularniejszymi typami akumulatorów są akumulatory kwasowo-ołowiowe (lub po prostu ołowiowe), które opierają się na reakcji utleniania-redukcji ołowiu. Takie urządzenia mają dość długą żywotność, a ich zużycie energii wynosi do 60 watogodzin na kilogram. Jeszcze bardziej popularny w ostatnie czasy to akumulatory litowo-jonowe oparte na reakcji redoks litu. Energochłonność nowoczesnych akumulatorów litowo-jonowych przekracza obecnie 250 watogodzin na kilogram.

Akumulator litowo-jonowy do telefonu komórkowego

Głównymi problemami akumulatorów litowo-jonowych są ich niska sprawność w niskich temperaturach, szybkie starzenie się i zwiększona wybuchowość. A ze względu na fakt, że lit metaliczny bardzo aktywnie reaguje z wodą, tworząc gazowy wodór, a podczas spalania akumulatora uwalniany jest tlen, samozapłon akumulatora litowo-jonowego jest bardzo trudny w użyciu przy tradycyjnych metodach gaszenia. W celu poprawy bezpieczeństwa takiego akumulatora i skrócenia czasu jego ładowania naukowcy proponują materiał katodowy, który zapobiega tworzeniu się dendrytycznych struktur litu, a do elektrolitu dodają substancje tworzące struktury wybuchowe oraz składniki zapalające się we wczesnych stadiach .

Elektrolit stały

Jako inny mniej oczywisty sposób na zwiększenie wydajności i bezpieczeństwa baterii, chemicy zaproponowali nie ograniczanie się do ciekłych elektrolitów w chemicznych źródłach prądu, ale stworzenie całkowicie stałego źródła prądu. W takich urządzeniach w ogóle nie ma składników płynnych, ale jest między nimi warstwowa struktura stałej anody, stałej katody i stałego elektrolitu. Elektrolit pełni jednocześnie funkcję membrany. Nośnikami ładunku w stałym elektrolicie mogą być różne jony, w zależności od jego składu i reakcji zachodzących na anodzie i katodzie. Ale zawsze są one wystarczająco małymi jonami, które mogą poruszać się stosunkowo swobodnie przez kryształ, na przykład protony H +, jony Li + litu lub jony tlenu O 2 .

Wodorowe ogniwa paliwowe

Możliwość ładowania i specjalne środki bezpieczeństwa sprawiają, że akumulatory są znacznie bardziej obiecującym źródłem prądu niż konwencjonalne akumulatory, ale mimo to każda bateria zawiera w sobie ograniczoną ilość odczynników, a co za tym idzie, ograniczony dopływ energii i za każdym razem akumulator musi być ładowany wznowić działanie.

Aby bateria była „nieskończona”, jako źródło energii można użyć nie tych substancji, które znajdują się w komórce, ale specjalnie przepompowanego przez nią paliwa. Co najlepsze, jako takie paliwo najlepiej nadaje się substancja, która jest tak prosta w składzie, jak to tylko możliwe, przyjazna dla środowiska i dostępna w obfitości na Ziemi.

Najbardziej odpowiednią substancją tego typu jest wodór. Jego utlenianie tlenem z powietrza do wody (zgodnie z reakcją 2H 2 + O 2 → 2H 2 O) jest prostą reakcją redoks, a jako źródło prądu można również wykorzystać transport elektronów między jonami. Reakcja przebiegająca w tym przypadku jest rodzajem reakcji odwrotnej do reakcji elektrolizy wody (w której pod wpływem prądu elektrycznego woda rozkłada się na tlen i wodór) i po raz pierwszy zaproponowano taki schemat w połowa XIX wieku.

Ale pomimo tego, że obwód wygląda dość prosto, stworzenie wydajnego urządzenia opartego na tej zasadzie wcale nie jest trywialnym zadaniem. W tym celu konieczne jest oddzielenie przepływów tlenu i wodoru w przestrzeni, zapewnienie transportu niezbędnych jonów przez elektrolit oraz ograniczenie ewentualnych strat energii na wszystkich etapach pracy.

Schemat ideowy działania wodorowego ogniwa paliwowego

Schemat działającego wodorowego ogniwa paliwowego jest bardzo podobny do schematu chemicznego źródła prądu, ale zawiera dodatkowe kanały do dostarczania paliwa i utleniacza oraz usuwania produktów reakcji i nadmiaru dostarczanych gazów. Elektrody w takim elemencie są porowatymi katalizatorami przewodzącymi. Do anody doprowadzane jest paliwo gazowe (wodór), a do katody środek utleniający (tlen z powietrza), a na granicy każdej z elektrod z elektrolitem zachodzi jej własna reakcja połówkowa (utlenianie odpowiednio wodoru i redukcji tlenu). W tym przypadku, w zależności od rodzaju ogniwa paliwowego i rodzaju elektrolitu, samo tworzenie wody może przebiegać albo w przestrzeni anodowej, albo katodowej.

Wodorowe ogniwo paliwowe Toyoty

Joseph Brent / flickr

Jeśli elektrolitem jest polimer przewodzący protony lub membrana ceramiczna, roztwór kwasu lub zasady, to nośnikiem ładunku w elektrolicie są jony wodoru. W tym przypadku wodór cząsteczkowy jest utleniany na anodzie do jonów wodoru, które przechodzą przez elektrolit i tam reagują z tlenem. Jeżeli nośnikiem ładunku jest jon tlenu O 2–, jak w przypadku stałego elektrolitu tlenkowego, to tlen jest redukowany do jonu na katodzie, jon ten przechodzi przez elektrolit i utlenia wodór na anodzie tworząc wodę i wolny elektrony.

Oprócz reakcji utleniania wodoru w ogniwach paliwowych zaproponowano wykorzystanie innych rodzajów reakcji. Na przykład zamiast wodoru paliwem redukującym może być metanol, który jest utleniany tlenem do dwutlenku węgla i wody.

Wydajność ogniw paliwowych

Pomimo wszystkich zalet wodorowych ogniw paliwowych (takich jak przyjazność dla środowiska, praktycznie nieograniczona wydajność, kompaktowy rozmiar i wysoka energochłonność), mają one również szereg wad. Należą do nich przede wszystkim stopniowe starzenie się komponentów i trudności w przechowywaniu wodoru. To nad tym, jak wyeliminować te niedociągnięcia, naukowcy pracują dzisiaj.

Obecnie proponuje się zwiększenie sprawności ogniw paliwowych poprzez zmianę składu elektrolitu, właściwości elektrody katalitycznej oraz geometrii układu (zapewniającego doprowadzenie gazów opałowych do żądany punkt i zmniejszyć skutki uboczne). Do rozwiązania problemu magazynowania gazowego wodoru stosuje się materiały zawierające platynę, do nasycenia których np. membrany grafenowe.

Dzięki temu możliwe jest uzyskanie wzrostu stabilności ogniwa paliwowego oraz żywotności poszczególnych jego elementów. Teraz współczynnik konwersji energii chemicznej na energię elektryczną w takich ogniwach sięga 80 proc., a w pewnych warunkach może być nawet wyższy.

Ogromne perspektywy dla energii wodorowej wiążą się z możliwością łączenia ogniw paliwowych w całe baterie, przekształcając je w generatory elektryczne o dużej mocy. Już teraz generatory elektryczne działające na wodorowych ogniwach paliwowych mają moc do kilkuset kilowatów i są wykorzystywane jako źródła zasilania pojazdów.

Alternatywne przechowywanie elektrochemiczne

Oprócz klasycznych elektrochemicznych źródeł prądu, jako urządzenia magazynujące energię stosuje się również bardziej nietypowe systemy. Jednym z takich systemów jest superkondensator (lub jonizator) - urządzenie, w którym następuje separacja i akumulacja ładunku w wyniku tworzenia się podwójnej warstwy w pobliżu naładowanej powierzchni. Na styku elektroda-elektrolit w takim urządzeniu jony o różnych znakach układają się w dwie warstwy, tzw. „podwójną warstwę elektryczną”, tworząc rodzaj bardzo cienkiego kondensatora. Pojemność takiego kondensatora, czyli ilość nagromadzonego ładunku, będzie określona przez pole powierzchni właściwej materiału elektrody, dlatego korzystne jest, aby jako materiał na superkondensatory.

Jonizatory są mistrzami wśród ładująco-rozładowujących źródeł prądu chemicznego pod względem szybkości ładowania, co jest niewątpliwą zaletą tego typu urządzeń. Niestety są również rekordzistami pod względem szybkości rozładunku. Gęstość energii jonizatorów jest ośmiokrotnie mniejsza w porównaniu z akumulatorami ołowiowymi i 25 razy mniejsza niż w przypadku akumulatorów litowo-jonowych. Klasyczne jonizatory „dwuwarstwowe” nie wykorzystują w swoim rdzeniu reakcji elektrochemicznej, a określenie „kondensator” jest do nich najdokładniej stosowane. Jednak w tych wersjach jonizatorów, które opierają się na reakcji elektrochemicznej, a akumulacja ładunku sięga w głąb elektrody, możliwe jest uzyskanie wyższych czasów rozładowania przy zachowaniu szybkiego tempa ładowania. Wysiłki twórców superkondensatorów mają na celu stworzenie urządzeń hybrydowych z akumulatorami, które łączą zalety superkondensatorów, przede wszystkim wysoką szybkość ładowania, oraz zalety akumulatorów - dużą energochłonność i długi czas rozładowania. Wyobraź sobie w niedalekiej przyszłości baterię jonizacyjną, która naładuje się w kilka minut i zasili laptopa lub smartfona przez dzień lub dłużej!

Pomimo tego, że obecnie gęstość energii superkondensatorów jest wciąż kilkakrotnie mniejsza niż gęstość energii akumulatorów, są one wykorzystywane w elektronice użytkowej oraz w silnikach różnych pojazdów, w tym większości.

* * *

Tak więc dzisiaj jest duża liczba urządzenia elektrochemiczne, z których każdy jest obiecujący ze względu na swoje specyficzne zastosowania. Aby poprawić wydajność tych urządzeń, naukowcy muszą rozwiązać szereg problemów, zarówno podstawowych, jak i technologicznych. Większość tych zadań w ramach jednego z przełomowych projektów jest wykonywana na Uralskim Uniwersytecie Federalnym, dlatego poprosiliśmy Maxima Ananieva, dyrektora Instytutu Elektrochemii Wysokotemperaturowej Uralskiego Oddziału Rosyjskiej Akademii Nauk, prof. Zakładu Elektrochemicznej Technologii Produkcji Instytutu Technologii Chemicznej Uralskiego Uniwersytetu Federalnego, aby omówić najbliższe plany i perspektywy rozwoju nowoczesnych ogniw paliwowych.

N+1: Czy w najbliższej przyszłości istnieje alternatywa dla najpopularniejszych akumulatorów Li-Ion?

Maksym Ananiew: Współczesne wysiłki twórców akumulatorów mają na celu zastąpienie rodzaju nośnika ładunku w elektrolicie z litu na sód, potas i aluminium. W wyniku wymiany litu możliwe będzie obniżenie kosztów baterii, choć proporcjonalnie wzrośnie charakterystyka wagowa i rozmiarowa. Innymi słowy, przy tych samych właściwościach elektrycznych akumulator sodowo-jonowy będzie większy i cięższy niż akumulator litowo-jonowy.

Ponadto jednym z obiecujących obszarów rozwoju w zakresie ulepszania akumulatorów jest tworzenie hybrydowych źródeł energii chemicznej opartych na połączeniu akumulatorów metalowo-jonowych z elektrodą powietrzną, jak w ogniwach paliwowych. Generalnie kierunek tworzenia systemów hybrydowych, jak już pokazano na przykładzie superkondensatorów, najwidoczniej pozwoli nam w niedalekiej przyszłości zobaczyć na rynku chemiczne źródła energii o wysokich parametrach konsumenckich.

Uralski Uniwersytet Federalny wraz z partnerami akademickimi i przemysłowymi z Rosji i świata realizuje obecnie sześć megaprojektów, które koncentrują się na przełomowych obszarach badań naukowych. Jednym z takich projektów jest „Perspektywiczne technologie energii elektrochemicznej od projektowania chemicznego nowych materiałów do urządzeń elektrochemicznych nowej generacji w celu zachowania i konwersji energii”.

Grupa naukowców ze Strategicznej Jednostki Akademickiej (SAU) UrFU School of Natural Sciences and Mathematics, w skład której wchodzi Maxim Ananiev, zajmuje się projektowaniem i rozwojem nowych materiałów i technologii, w tym ogniw paliwowych, ogniw elektrolitycznych, baterii grafenowych, elektrochemicznych systemy magazynowania energii i superkondensatory.

Prace badawczo-naukowe prowadzone są w stałej współpracy z Instytutem Elektrochemii Wysokotemperaturowej Uralskiego Oddziału Rosyjskiej Akademii Nauk i przy wsparciu partnerów.

Jakie ogniwa paliwowe są obecnie opracowywane i mają największy potencjał?

Jednym z najbardziej obiecujących typów ogniw paliwowych są ogniwa protonowo-ceramiczne. Mają przewagę nad polimerowymi ogniwami paliwowymi z membraną do wymiany protonów i ogniwami ze stałym tlenkiem, ponieważ mogą działać z bezpośrednim zasilaniem paliwem węglowodorowym. To znacznie upraszcza konstrukcję elektrowni opartej na protonowo-ceramicznych ogniwach paliwowych i systemie sterowania, a tym samym zwiększa niezawodność działania. Co prawda ten rodzaj ogniw paliwowych jest obecnie historycznie mniej rozwinięty, ale współczesne badania naukowe pozwalają mieć nadzieję na wysoki potencjał tej technologii w przyszłości.

Jakimi problemami związanymi z ogniwami paliwowymi zajmuje się obecnie Uralski Uniwersytet Federalny?

Obecnie naukowcy UrFU wraz z Instytutem Elektrochemii Wysokotemperaturowej (IHTE) Uralskiego Oddziału Rosyjskiej Akademii Nauk pracują nad stworzeniem wysokowydajnych urządzeń elektrochemicznych i autonomicznych generatorów mocy do zastosowań w energetyce rozproszonej. Tworzenie elektrowni dla energetyki rozproszonej początkowo implikuje rozwój systemów hybrydowych opartych na generatorze energii elektrycznej i urządzeniu magazynującym, jakim są baterie. Jednocześnie ogniwo paliwowe pracuje nieprzerwanie, zapewniając obciążenie w godzinach szczytu, a w stanie spoczynku ładuje akumulator, który sam może stanowić rezerwę zarówno w przypadku dużego poboru mocy, jak i w sytuacjach awaryjnych.

Chemicy z Uralskiego Uniwersytetu Federalnego i IHTE osiągnęli największy sukces w rozwoju ogniw paliwowych ze stałym tlenkiem i protonowo-ceramicznymi. Od 2016 roku na Uralu, wspólnie z Państwową Korporacją Rosatom, powstała pierwsza rosyjska produkcja elektrowni oparta na ogniwach paliwowych ze stałym tlenkiem. Rozwój naukowców z Uralu przeszedł już testy „polowe” w stacji ochrony katodowej gazociągu na terenie doświadczalnym Uraltransgaz LLC. Elektrownia o mocy znamionowej 1,5 kilowata przepracowała ponad 10 tys. godzin i wykazała się dużym potencjałem wykorzystania takich urządzeń.

W ramach wspólnego laboratorium Uralskiego Uniwersytetu Federalnego i IHTE opracowywane są urządzenia elektrochemiczne oparte na ceramicznej membranie przewodzącej protony. Umożliwi to w niedalekiej przyszłości obniżenie temperatur pracy ogniw paliwowych ze stałym tlenkiem z 900 do 500 stopni Celsjusza oraz zaniechanie wstępnego reformingu paliwa węglowodorowego, tworząc w ten sposób opłacalne generatory elektrochemiczne zdolne do pracy w warunkach rozwinięta infrastruktura dostaw gazu w Rosji.

Aleksander Dubow

Elektronika mobilna z roku na rok, jeśli nie miesiąc, staje się coraz bardziej dostępna i powszechna. Tutaj masz laptopy, palmtopy, aparaty cyfrowe, telefony komórkowe i mnóstwo wszelkiego rodzaju przydatnych i niezbyt przydatnych urządzeń. Wszystkie te urządzenia stale zyskują nowe funkcje, mocniejsze procesory, większe kolorowe ekrany, łączność bezprzewodową, a jednocześnie zmniejszają się. Ale w przeciwieństwie do technologii półprzewodnikowych, technologie zasilania tej mobilnej menażerii wcale nie są skokowe.

Konwencjonalne akumulatory i baterie zdecydowanie nie wystarczą do zasilania najnowszych osiągnięć przemysłu elektronicznego przez dłuższy czas. A bez niezawodnych i pojemnych baterii traci się cały punkt mobilności i łączności bezprzewodowej. Dlatego branża komputerowa coraz aktywniej pracuje nad tym problemem alternatywne źródła zasilania. A najbardziej obiecujący do tej pory kierunek jest tutaj ogniwa paliwowe.

Podstawową zasadę działania ogniw paliwowych odkrył brytyjski naukowiec Sir William Grove w 1839 roku. Jest znany jako ojciec „ogniwa paliwowego”. William Grove wytwarzał energię elektryczną, przechodząc na wodór i tlen. Po odłączeniu akumulatora od ogniwa elektrolitycznego Grove ze zdziwieniem odkrył, że elektrody zaczęły pochłaniać uwolniony gaz i generować prąd. Otwarcie procesu elektrochemiczne „zimne” spalanie wodoru stał się istotne wydarzenie w energetyce, a w przyszłości tak znani elektrochemicy jak Ostwald i Nernst odegrali ważną rolę w opracowaniu podstaw teoretycznych i praktycznej realizacji ogniw paliwowych i przewidzieli dla nich wspaniałą przyszłość.

Ja termin „ogniwo paliwowe” (Fuel Cell) pojawił się później – zaproponowali go w 1889 roku Ludwig Mond i Charles Langer, którzy próbowali stworzyć urządzenie do wytwarzania energii elektrycznej z powietrza i gazu węglowego.

Podczas normalnego spalania w tlenie paliwo organiczne ulega utlenieniu, a energia chemiczna paliwa jest nieefektywnie przekształcana w energię cieplną. Okazało się jednak, że możliwe jest przeprowadzenie reakcji utleniania, na przykład wodoru tlenem, w środowisku elektrolitu i, w obecności elektrod, uzyskanie prądu elektrycznego. Np. dostarczając wodór do elektrody w środowisku alkalicznym otrzymujemy elektrony:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

które przechodząc przez obwód zewnętrzny wchodzą na przeciwległą elektrodę, do której wchodzi tlen i gdzie zachodzi reakcja: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

Widać, że wynikowa reakcja 2H2 + O2 → H2O jest taka sama jak w konwencjonalnym spalaniu, ale w ogniwie paliwowym, lub inaczej - w generator elektrochemiczny, prąd elektryczny jest uzyskiwany z dużą wydajnością i częściowo ciepłem. Należy pamiętać, że węgiel, tlenek węgla, alkohole, hydrazyna i inne substancje organiczne mogą być również używane jako paliwo w ogniwach paliwowych, a powietrze, nadtlenek wodoru, chlor, brom, Kwas azotowy itp.

Rozwój ogniw paliwowych trwał energicznie zarówno za granicą, jak iw Rosji, a następnie w ZSRR. Wśród naukowców, którzy wnieśli wielki wkład w badania ogniw paliwowych, zauważamy V. Jaco, P. Yablochkov, F. Bacon, E. Bauer, E. Justi, K. Kordes. W połowie ubiegłego wieku rozpoczął się nowy atak na problemy z ogniwami paliwowymi. Wynika to częściowo z pojawienia się nowych pomysłów, materiałów i technologii w wyniku badań obronnych.

Jednym z naukowców, którzy poczynili duży krok w rozwoju ogniw paliwowych, był P. M. Spiridonov. Elementy wodorowo-tlenowe Spiridonov dał gęstość prądu 30 mA/cm2, co jak na tamte czasy uważano za wielkie osiągnięcie. W latach czterdziestych O. Davtyan stworzył instalację do elektrochemicznego spalania gazu generatorowego uzyskanego ze zgazowania węgla. Z każdego metra sześciennego objętości elementu Davtyan otrzymywał 5 kW mocy.

To było pierwsze ogniwo paliwowe ze stałym elektrolitem. Miał wysoką wydajność, ale z czasem elektrolit stał się bezużyteczny i trzeba go było wymienić. Następnie pod koniec lat pięćdziesiątych Davtyan stworzył potężną instalację, która wprawia traktor w ruch. W tych samych latach angielski inżynier T. Bacon zaprojektował i zbudował baterię ogniw paliwowych o łącznej mocy 6 kW i sprawności 80%, działającą na czystym wodorze i tlenie, ale ze stosunkiem mocy do masy baterii okazały się za małe - takie ogniwa nie nadawały się do praktycznego zastosowania i były zbyt drogie.

W kolejnych latach mijał czas singli. Twórcy statków kosmicznych zainteresowali się ogniwami paliwowymi. Od połowy lat 60. zainwestowano miliony dolarów w badania nad ogniwami paliwowymi. Praca tysięcy naukowców i inżynierów pozwoliła osiągnąć nowy poziom, a już w 1965 roku. Ogniwa paliwowe były testowane w Stanach Zjednoczonych na statku kosmicznym Gemini 5, a później na statku kosmicznym Apollo do lotów na Księżyc i w ramach programu Shuttle.

W ZSRR ogniwa paliwowe zostały opracowane w NPO Kvant, również do użytku w kosmosie. W tamtych latach pojawiły się już nowe materiały - stałe elektrolity polimerowe na bazie membran jonowymiennych, nowe typy katalizatorów, elektrody. A jednak gęstość prądu roboczego była niewielka – w granicach 100-200 mA/cm2, a zawartość platyny na elektrodach wynosiła kilka g/cm2. Było wiele problemów związanych z trwałością, stabilnością, bezpieczeństwem.

Kolejny etap szybkiego rozwoju ogniw paliwowych rozpoczął się w latach 90-tych. ubiegłego wieku i trwa do dziś. Spowodowane jest to potrzebą nowych wydajnych źródeł energii w związku z jednej strony z globalnym problem środowiskowy rosnąca emisja gazów cieplarnianych ze spalania paliw kopalnych, az drugiej strony z wyczerpywaniem się tych paliw. Ponieważ końcowym produktem spalania wodoru w ogniwie paliwowym jest woda, są one uważane za najczystsze pod względem wpływu na środowisko. Głównym problemem jest tylko znalezienie wydajnego i niedrogiego sposobu produkcji wodoru.

Miliardowe inwestycje finansowe w rozwój ogniw paliwowych i generatorów wodoru powinny doprowadzić do przełomu technologicznego i urzeczywistnić ich zastosowanie w życiu codziennym: w ogniwa do telefonów komórkowych, w samochodach, w elektrowniach. Już dziś takie giganty motoryzacyjne jak „Ballard”, „Honda”, „Daimler Chrysler”, „General Motors” demonstrują samochody osobowe i autobusy napędzane ogniwami paliwowymi o mocy 50 kW. Powstało wiele firm elektrownie demonstracyjne na ogniwach paliwowych ze stałym elektrolitem tlenkowym o mocy do 500 kW. Jednak pomimo znaczącego przełomu w poprawie wydajności ogniw paliwowych, wciąż pozostaje wiele problemów do rozwiązania związanych z ich kosztami, niezawodnością i bezpieczeństwem.

W ogniwie paliwowym, w przeciwieństwie do baterii i akumulatorów, zarówno paliwo, jak i utleniacz są do niego podawane z zewnątrz. Ogniwo paliwowe jest tylko pośrednikiem w reakcji i w idealnych warunkach może działać prawie w nieskończoność. Piękno tej technologii polega na tym, że w rzeczywistości paliwo jest spalane w elemencie, a uwolniona energia jest bezpośrednio przekształcana w energię elektryczną. Podczas bezpośredniego spalania paliwa jest ono utleniane tlenem, a uwolnione w tym przypadku ciepło jest wykorzystywane do wykonania użytecznej pracy.

W ogniwie paliwowym, podobnie jak w akumulatorach, reakcje utleniania paliwa i redukcji tlenu są przestrzennie rozdzielone, a proces „spalania” zachodzi tylko wtedy, gdy ogniwo dostarcza prąd do obciążenia. To tak agregat prądotwórczy diesla, tylko bez diesla i generatora. A także bez dymu, hałasu, przegrzania i ze znacznie wyższą wydajnością. To ostatnie tłumaczy się tym, że po pierwsze nie ma pośrednich urządzeń mechanicznych, a po drugie ogniwo paliwowe nie jest silnikiem cieplnym i w rezultacie nie jest zgodne z prawem Carnota (czyli jego sprawność nie jest określona przez różnica temperatur).

Tlen jest używany jako utleniacz w ogniwach paliwowych. Co więcej, ponieważ w powietrzu jest wystarczająca ilość tlenu, nie ma potrzeby martwić się o dostarczanie środka utleniającego. Jeśli chodzi o paliwo, to jest wodór. Tak więc w ogniwie paliwowym reakcja przebiega:

2H2 + O2 → 2H2O + prąd + ciepło.

Rezultatem jest użyteczna energia i para wodna. Najprostszy w swoim urządzeniu jest Ogniwo paliwowe z membraną do wymiany protonów(patrz rysunek 1). Działa to w następujący sposób: wodór wchodzący do ogniwa rozkłada się pod wpływem katalizatora na elektrony i dodatnio naładowane jony wodoru H+. Wtedy do akcji wkracza specjalna membrana, która tutaj pełni rolę elektrolitu w konwencjonalnym akumulatorze. Ze względu na swój skład chemiczny przepuszcza przez siebie protony, ale zatrzymuje elektrony. W ten sposób elektrony zgromadzone na anodzie tworzą nadmiar ładunku ujemnego, a jony wodorowe tworzą ładunek dodatni na katodzie (napięcie na elemencie wynosi około 1V).

Aby uzyskać dużą moc, ogniwo paliwowe składa się z wielu ogniw. Jeśli pierwiastek jest zawarty w ładunku, to elektrony przepłyną przez niego do katody, tworząc prąd i kończąc proces utleniania wodoru tlenem. Jako katalizator w takich ogniwach paliwowych z reguły stosuje się mikrocząstki platyny osadzone na włóknie węglowym. Ze względu na swoją strukturę taki katalizator dobrze przepuszcza gaz i energię elektryczną. Membrana jest zwykle wykonana z polimeru Nafion zawierającego siarkę. Grubość membrany to dziesiąte części milimetra. Podczas reakcji oczywiście wydziela się również ciepło, ale nie ma go tak dużo, więc temperatura pracy utrzymywana jest w granicach 40-80°C.

Rys.1. Zasada działania ogniwa paliwowego

Istnieją inne rodzaje ogniw paliwowych, różniące się głównie rodzajem użytego elektrolitu. Prawie wszystkie z nich wymagają wodoru jako paliwa, więc pojawia się logiczne pytanie: skąd go wziąć. Oczywiście możliwe byłoby użycie sprężonego wodoru z butli, ale od razu pojawiają się problemy związane z transportem i przechowywaniem tego wysoce łatwopalnego gazu pod wysokim ciśnieniem. Oczywiście można używać wodoru w postaci związanej, jak w akumulatorach metalowo-wodorkowych. Jednak nadal pozostaje zadanie jego wydobycia i transportu, ponieważ nie istnieje infrastruktura dla stacji tankowania wodoru.

Istnieje jednak również rozwiązanie – jako źródło wodoru można wykorzystać płynne paliwo węglowodorowe. Na przykład alkohol etylowy lub metylowy. Co prawda wymagane jest już tutaj specjalne dodatkowe urządzenie - konwerter paliwa, który w wysokiej temperaturze (dla metanolu będzie to około 240°C) zamienia alkohole w mieszaninę gazowego H2 i CO2. Ale w tym przypadku już trudniej myśleć o przenośności – takie urządzenia dobrze sprawdzają się jako stacjonarne lub, ale do kompaktowego sprzętu mobilnego potrzeba czegoś mniej nieporęcznego.

I tu dochodzimy do tego urządzenia, które ze straszliwą siłą rozwijają niemal wszyscy najwięksi producenci elektroniki – ogniwo paliwowe z metanolem(Rysunek 2).

Rys.2. Zasada działania ogniwa paliwowego na metanol

Podstawową różnicą między ogniwami paliwowymi wodorowymi i metanolowymi jest zastosowany katalizator. Katalizator w ogniwie paliwowym metanolu umożliwia oderwanie protonów bezpośrednio z cząsteczki alkoholu. Tym samym rozwiązany jest problem z paliwem – alkohol metylowy jest masowo produkowany dla przemysłu chemicznego, łatwo go przechowywać i transportować, a żeby naładować ogniwo paliwowe metanolowe, wystarczy wymienić wkład paliwowy. To prawda, że jest jeden znaczący minus - metanol jest toksyczny. Ponadto sprawność metanolowego ogniwa paliwowego jest znacznie niższa niż wodorowego ogniwa paliwowego.

Ryż. 3. Ogniwo paliwowe z metanolem

Najbardziej kuszącą opcją jest użycie alkoholu etylowego jako paliwa, ponieważ produkcja i dystrybucja napojów alkoholowych o dowolnym składzie i mocy jest dobrze ugruntowana Globus. Jednak sprawność ogniw paliwowych na etanol jest niestety nawet niższa niż ogniw paliwowych na metanol.

Jak zauważono przez wiele lat rozwoju ogniw paliwowych, zbudowano różne typy ogniw paliwowych. Ogniwa paliwowe są klasyfikowane według elektrolitu i rodzaju paliwa.

1. Stały polimerowy elektrolit wodorowo-tlenowy.

2. Ogniwa paliwowe z polimeru stałego i metanolu.

3. Pierwiastki na elektrolicie alkalicznym.

4. Ogniwa paliwowe z kwasem fosforowym.

5. Ogniwa paliwowe na stopionych węglanach.

6. Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem.

Idealnie sprawność ogniw paliwowych jest bardzo wysoka, ale w warunkach rzeczywistych występują straty związane z procesami nierównowagowymi, takie jak: straty omowe ze względu na przewodność właściwą elektrolitu i elektrod, polaryzację aktywacyjną i stężeniową, straty dyfuzyjne. W rezultacie część energii wytwarzanej w ogniwach paliwowych zamieniana jest na ciepło. Wysiłki specjalistów mają na celu zmniejszenie tych strat.

Głównym źródłem strat omowych, a także przyczyną wysokiej ceny ogniw paliwowych są perfluorowane sulfokationowe membrany jonowymienne. Obecnie trwają poszukiwania alternatywnych, tańszych polimerów przewodzących protony. Ponieważ przewodnictwo tych membran (stałych elektrolitów) osiąga akceptowalną wartość (10 Ω/cm) tylko w obecności wody, gazy dostarczane do ogniwa paliwowego należy dodatkowo zwilżyć w specjalnym urządzeniu, co również zwiększa koszt system. W elektrodach katalitycznej dyfuzji gazowej stosuje się głównie platynę i niektóre inne metale szlachetne i jak dotąd nie znaleziono dla nich zamiennika. Choć zawartość platyny w ogniwach paliwowych wynosi kilka mg/cm2, to w przypadku dużych akumulatorów jej ilość dochodzi do kilkudziesięciu gramów.

Przy projektowaniu ogniw paliwowych dużą wagę przywiązuje się do układu odprowadzania ciepła, ponieważ przy dużych gęstościach prądu (do 1 A/cm2) układ nagrzewa się samoczynnie. Do chłodzenia wykorzystywana jest woda krążąca w ogniwie paliwowym przez specjalne kanały, a przy małej mocy wdmuchiwane jest powietrze.

Tak więc nowoczesny system generatora elektrochemicznego oprócz samej baterii ogniw paliwowych jest „zarośnięty” wieloma urządzeniami pomocniczymi, takimi jak: pompy, sprężarka do dostarczania powietrza, wodór wlotowy, nawilżacz gazu, agregat chłodniczy, system kontroli wycieku gazu, konwerter DC-AC, procesor sterujący itp. Wszystko to sprawia, że koszt systemu ogniw paliwowych w latach 2004-2005 wynosił 2-3 tys. Zdaniem ekspertów ogniwa paliwowe będą dostępne do użytku w transporcie i elektrowniach stacjonarnych w cenie 50-100 USD/kW.

Aby wprowadzić ogniwa paliwowe do codziennego życia, wraz z tańszymi komponentami, należy spodziewać się nowych oryginalnych pomysłów i podejść. W szczególności wielkie nadzieje wiążą się z wykorzystaniem nanomateriałów i nanotechnologii. Na przykład kilka firm ogłosiło niedawno stworzenie ultrawydajnych katalizatorów, w szczególności dla elektrody tlenowej, opartych na klastrach nanocząstek z różnych metali. Ponadto pojawiły się doniesienia o konstrukcjach niemembranowych ogniw paliwowych, w których paliwo płynne (np. metanol) jest podawane do ogniwa paliwowego wraz z utleniaczem. Interesująca jest również opracowana koncepcja ogniw biopaliwowych działających w zanieczyszczonych wodach i zużywających rozpuszczony tlen z powietrza jako utleniacz, oraz zanieczyszczenia organiczne jako paliwo.

Eksperci przewidują, że w najbliższych latach ogniwa paliwowe wejdą na rynek masowy. Rzeczywiście, programiści jeden po drugim pokonują problemy techniczne, informują o sukcesach i prezentują prototypy ogniw paliwowych. Na przykład firma Toshiba zademonstrowała gotowy prototyp ogniwa paliwowego na metanol. Ma wymiary 22x56x4,5mm i daje moc około 100mW. Jedno uzupełnienie 2 kostek stężonego (99,5%) metanolu wystarcza na 20 godzin pracy odtwarzacza MP3. Toshiba wypuściła komercyjne ogniwo paliwowe do zasilania telefonów komórkowych. Ponownie ta sama Toshiba zademonstrowała element zasilacza laptopa o wymiarach 275x75x40mm, który pozwala komputerowi pracować przez 5 godzin na jednym ładowaniu.

Niedaleko za Toshibą i inną japońską firmą - Fujitsu. W 2004 roku wprowadziła również element, który działa na 30% wodny roztwór metanolu. To ogniwo paliwowe pracowało na jednym 300 ml wkładzie przez 10 godzin i jednocześnie wytwarzało 15 watów mocy.

Casio opracowuje ogniwo paliwowe, w którym metanol jest najpierw przetwarzany na mieszankę gazów H2 i CO2 w miniaturowym konwerterze paliwowym, a następnie podawany do ogniwa paliwowego. Podczas demonstracji prototyp Casio zasilał laptopa przez 20 godzin.

Samsung wyrobił sobie także markę w dziedzinie ogniw paliwowych – w 2004 roku zademonstrował swój 12-watowy prototyp przeznaczony do zasilania laptopa. Generalnie Samsung zamierza stosować ogniwa paliwowe przede wszystkim w smartfonach czwartej generacji.

Muszę powiedzieć, że firmy japońskie generalnie bardzo dokładnie podchodziły do rozwoju ogniw paliwowych. W 2003 roku firmy takie jak Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony i Toshiba połączyły siły, aby opracować wspólny standard ogniw paliwowych dla laptopów, telefonów komórkowych, PDA i innych urządzeń elektronicznych. Amerykańskie firmy, których również na tym rynku jest wiele, w większości pracują na kontraktach z wojskiem i opracowują ogniwa paliwowe do elektryzowania amerykańskich żołnierzy.

Niemcy nie pozostają daleko w tyle – firma Smart Fuel Cell sprzedaje ogniwa paliwowe do zasilania mobilnego biura. Urządzenie nazywa się Smart Fuel Cell C25, ma wymiary 150x112x65mm i może wyprodukować do 140 watogodzin na jednym ładowaniu. To wystarczy na zasilanie laptopa przez około 7 godzin. Następnie wkład można wymienić i można kontynuować pracę. Rozmiar wkładu z metanolem to 99x63x27 mm i waży 150g. Sam system waży 1,1 kg, więc nie można go nazwać całkowicie przenośnym, ale i tak jest to w pełni wykończone i wygodne urządzenie. Firma opracowuje również moduł paliwowy do zasilania profesjonalnych kamer wideo.

Ogólnie rzecz biorąc, ogniwa paliwowe prawie weszły na rynek elektroniki mobilnej. Producenci muszą rozwiązać ostatnie problemy techniczne przed rozpoczęciem masowej produkcji.

Po pierwsze konieczne jest rozwiązanie problemu miniaturyzacji ogniw paliwowych. W końcu im mniejsze ogniwo paliwowe, tym mniej energii może wytworzyć – dlatego stale opracowywane są nowe katalizatory i elektrody, które przy niewielkich rozmiarach pozwalają zmaksymalizować powierzchnię roboczą. Tutaj bardzo przydatne są najnowsze osiągnięcia w dziedzinie nanotechnologii i nanomateriałów (np. nanorurki). Ponownie, do miniaturyzacji orurowania elementów (pomp paliwowych i wodnych, układów chłodzenia i konwersji paliwa) coraz częściej wykorzystywane są zdobycze mikroelektromechaniki.

Drugą ważną kwestią, którą należy się zająć, jest cena. W końcu w większości ogniw paliwowych jako katalizator stosowana jest bardzo droga platyna. Ponownie, niektórzy producenci starają się jak najlepiej wykorzystać już ugruntowane technologie krzemowe.

Jeśli chodzi o inne obszary zastosowania ogniw paliwowych, ogniwa paliwowe już tam mocno zadomowiły się, chociaż nie weszły jeszcze do głównego nurtu ani w energetyce, ani w transporcie. Już teraz wielu producentów samochodów zaprezentowało swoje samochody koncepcyjne napędzane ogniwami paliwowymi. Autobusy na ogniwa paliwowe jeżdżą w kilku miastach na całym świecie. Wydanie kanadyjskiej firmy Ballard Power Systems cała linia agregaty stacjonarne o mocy od 1 do 250 kW. Jednocześnie generatory kilowatowe są zaprojektowane tak, aby natychmiast zaopatrywać jedno mieszkanie w energię elektryczną, ciepło i ciepłą wodę.

ogniwa paliwowe Ogniwa paliwowe to chemiczne źródła energii. Przeprowadzają bezpośrednią konwersję energii paliwa na energię elektryczną, z pominięciem nieefektywnych, wysokostratnych procesów spalania. To urządzenie elektrochemiczne, w wyniku wysokosprawnego „zimnego” spalania paliwa, bezpośrednio generuje energię elektryczną.

Biochemicy ustalili, że w każdym „wbudowane” jest biologiczne ogniwo paliwowe wodorowo-tlenowe żywa komórka(patrz rozdział 2).

Źródłem wodoru w organizmie jest żywność – tłuszcze, białka i węglowodany. W żołądku, jelitach i komórkach ostatecznie rozkłada się do monomerów, które z kolei po serii przemian chemicznych dają wodór przyłączony do cząsteczki nośnika.

Tlen z powietrza dostaje się do krwi przez płuca, łączy się z hemoglobiną i jest przenoszony do wszystkich tkanek. Proces łączenia wodoru z tlenem jest podstawą bioenergetyki organizmu. Tutaj w łagodnych warunkach (temperatura pokojowa, normalne ciśnienie, środowisko wodne) energia chemiczna o wysokiej wydajności zamieniana jest na cieplną, mechaniczną (ruchy mięśni), elektryczną ( elektryczny płaszczka), światło (owady emitowanie światła).

Człowiek po raz kolejny powtórzył urządzenie do pozyskiwania energii stworzonej przez naturę. Jednocześnie fakt ten wskazuje na perspektywy kierunku. Wszystkie procesy zachodzące w przyrodzie są bardzo racjonalne, dlatego kroki w kierunku rzeczywistego wykorzystania ogniw paliwowych dają nadzieję na energetyczną przyszłość.

Odkrycie w 1838 r. ogniwa paliwowego wodorowo-tlenowego należy do angielskiego naukowca W. Grove'a. Badając rozkład wody na wodór i tlen, odkrył efekt uboczny – elektrolizer wytwarzał prąd elektryczny.

Co pali się w ogniwie paliwowym?
Paliwa kopalne (węgiel, gaz i ropa) to głównie węgiel. Podczas spalania atomy paliwa tracą elektrony, a atomy tlenu w powietrzu je zyskują. Tak więc w procesie utleniania atomy węgla i tlenu łączą się w produkty spalania - cząsteczki dwutlenku węgla. Proces ten jest energiczny: atomy i cząsteczki substancji biorących udział w spalaniu nabierają dużych prędkości, co prowadzi do wzrostu ich temperatury. Zaczynają emitować światło - pojawia się płomień.

Reakcja chemiczna spalania węgla ma postać:

C + O2 = CO2 + ciepło

W procesie spalania energia chemiczna zamieniana jest na energię cieplną w wyniku wymiany elektronów między atomami paliwa i utleniaczem. Ta wymiana odbywa się losowo.

Spalanie to wymiana elektronów między atomami, a prąd elektryczny to ukierunkowany ruch elektronów. Jeśli w procesie reakcji chemicznej elektrony zostaną zmuszone do pracy, to temperatura procesu spalania spadnie. W FC elektrony pobierane są z reagentów na jednej elektrodzie, oddają swoją energię w postaci prądu elektrycznego i łączą się z reagentami na drugiej.

Podstawą każdego HITa są dwie elektrody połączone elektrolitem. Ogniwo paliwowe składa się z anody, katody i elektrolitu (patrz Rozdz. 2). Utlenia się na anodzie, tj. oddaje elektrony, czynnik redukujący (paliwo CO lub H2), wolne elektrony z anody trafiają do obwodu zewnętrznego, a jony dodatnie są zatrzymywane na styku anoda-elektrolit (CO+, H+). Z drugiego końca łańcucha elektrony zbliżają się do katody, na której zachodzi reakcja redukcji (dodanie elektronów przez środek utleniający O2–). Jony utleniające są następnie przenoszone przez elektrolit do katody.

W FC łączy się trzy fazy układu fizykochemicznego:

gaz (paliwo, utleniacz);
elektrolit (przewodnik jonów);
elektroda metalowa (przewodnik elektronów).
W ogniwach paliwowych energia reakcji redoks zamieniana jest na energię elektryczną, a procesy utleniania i redukcji są przestrzennie oddzielone elektrolitem. Elektrody i elektrolit nie biorą udziału w reakcji, ale w rzeczywistych konstrukcjach z czasem zostają zanieczyszczone zanieczyszczeniami z paliwa. Spalanie elektrochemiczne może przebiegać w niskich temperaturach i praktycznie bez strat. Na ryc. p087 pokazuje sytuację, w której mieszanina gazów (CO i H2) wchodzi do ogniwa paliwowego, tj. może spalać paliwo gazowe (patrz Rozdz. 1). Tak więc TE okazuje się być „wszystkożerny”.

Stosowanie ogniw paliwowych komplikuje fakt, że paliwo musi być do nich „przygotowane”. W przypadku ogniw paliwowych wodór uzyskuje się poprzez konwersję paliwa organicznego lub zgazowanie węgla. Dlatego schemat blokowy elektrowni na ogniwie paliwowym, oprócz akumulatorów ogniwa paliwowego, konwertera prądu stałego na prąd przemienny (patrz rozdział 3) i wyposażenia pomocniczego obejmuje jednostkę produkcji wodoru.

Dwa kierunki rozwoju FC

Istnieją dwa obszary zastosowania ogniw paliwowych: energetyka autonomiczna i energetyka wielkoskalowa.

W przypadku autonomicznego użytkowania najważniejsze są specyficzne cechy i łatwość użytkowania. Koszt wytworzonej energii nie jest głównym wskaźnikiem.

W przypadku dużego wytwarzania energii decydującym czynnikiem jest sprawność. Ponadto instalacje muszą być trwałe, nie zawierać drogich materiałów i użytkowania paliwo naturalne przy minimalnych kosztach szkolenia.

Największe korzyści daje zastosowanie ogniw paliwowych w samochodzie. Tutaj, jak nigdzie indziej, zwartość ogniw paliwowych będzie miała znaczenie. Przy bezpośrednim odbiorze energii elektrycznej z paliwa oszczędność tego ostatniego wyniesie około 50%.

Po raz pierwszy pomysł wykorzystania ogniw paliwowych w energetyce na dużą skalę sformułował niemiecki naukowiec W. Oswald w 1894 roku. Później powstał pomysł stworzenia wydajnych źródeł autonomicznej energii opartych na ogniwie paliwowym.

Następnie wielokrotnie podejmowano próby wykorzystania węgla jako substancji czynnej w ogniwach paliwowych. W latach 30. niemiecki badacz E. Bauer stworzył laboratoryjny prototyp ogniwa paliwowego ze stałym elektrolitem do bezpośredniego anodowego utleniania węgla. Jednocześnie badano ogniwa paliwowe tlenowo-wodorowe.

W 1958 roku w Anglii F. Bacon stworzył pierwszą elektrownię tlenowo-wodorową o mocy 5 kW. Ale było to kłopotliwe ze względu na zastosowanie wysokiego ciśnienia gazu (2 ... 4 MPa).

Od 1955 roku K. Kordesh rozwija w USA niskotemperaturowe ogniwa paliwowe tlenowo-wodorowe. Użyli elektrod węglowych z katalizatorami platynowymi. W Niemczech E. Yust pracował nad stworzeniem katalizatorów nieplatynowych.

Po 1960 roku powstały próbki demonstracyjne i reklamowe. Pierwsze praktyczne zastosowanie ogniw paliwowych znaleziono na statku kosmicznym Apollo. Były to główne elektrownie do zasilania urządzeń pokładowych i zapewniały astronautom wodę i ciepło.

Głównymi obszarami zastosowania autonomicznych instalacji z ogniwami paliwowymi były wojska i aplikacje morskie. Pod koniec lat 60. ilość badań nad ogniwami paliwowymi spadła, a po latach 80. ponownie wzrosła w odniesieniu do energii wielkoskalowej.

Firma VARTA opracowała FC wykorzystujące dwustronne elektrody do dyfuzji gazowej. Elektrody tego typu noszą nazwę „Janus”. Siemens opracował elektrody z gęstość mocy do 90 W/kg. W Stanach Zjednoczonych prace nad ogniwami tlenowo-wodorowymi prowadzi United Technology Corp.

W energetyce na dużą skalę bardzo obiecujące jest wykorzystanie ogniw paliwowych do magazynowania energii na dużą skalę, na przykład do produkcji wodoru (patrz rozdz. 1). (słońce i wiatr) są rozproszone (patrz rozdz. 4). Ich poważne wykorzystanie, niezbędne w przyszłości, jest nie do pomyślenia bez pojemnych baterii, które przechowują energię w takiej czy innej formie.

Problem akumulacji jest już aktualny: dobowe i tygodniowe wahania obciążenia systemów elektroenergetycznych znacznie obniżają ich sprawność i wymagają tzw. zdolności manewrowych. Jedną z opcji magazynowania energii elektrochemicznej jest ogniwo paliwowe w połączeniu z elektrolizerami i pojemnikami na gaz*.

* Uchwyt na gaz [gaz + angielski. uchwyt] - magazyn na duże ilości gazu.

Pierwsza generacja TE

Najwyższą technologiczną doskonałość osiągnęły średniotemperaturowe ogniwa paliwowe pierwszej generacji, pracujące w temperaturze 200...230°C na paliwie płynnym, gazie ziemnym lub wodorze technicznym*. Elektrolitem w nich jest kwas fosforowy, który wypełnia porowatą matrycę węglową. Elektrody wykonane są z węgla, a katalizator z platyny (platynę stosuje się w ilościach rzędu kilku gramów na kilowat mocy).

* Wodór komercyjny jest produktem konwersji paliw kopalnych zawierającym niewielkie zanieczyszczenia tlenku węgla.

Jedna taka elektrownia została uruchomiona w stanie Kalifornia w 1991 roku. Składa się z osiemnastu akumulatorów o wadze 18 ton każda i umieszczony jest w walizce o średnicy nieco ponad 2 mi wysokości około 5 m. Procedura wymiany akumulatorów została przemyślana przy użyciu konstrukcji ramowej poruszającej się po szynach.

Stany Zjednoczone dostarczyły do Japonii dwie elektrownie. Pierwszy z nich został uruchomiony na początku 1983 roku. Wydajność operacyjna stacji odpowiadała obliczonym. Pracowała z obciążeniem od 25 do 80% nominalnego. Sprawność osiągnęła 30...37% - jest to zbliżone do nowoczesnych dużych elektrowni cieplnych. Czas rozruchu ze stanu zimnego wynosi od 4 godzin do 10 minut, a czas zmiany mocy od zera do pełnej to tylko 15 sekund.

Obecnie w różnych częściach Stanów Zjednoczonych testowane są małe elektrociepłownie o mocy 40 kW i współczynniku wykorzystania paliwa około 80%. Mogą podgrzewać wodę do 130°C i są umieszczane w pralniach, kompleksach sportowych, punktach komunikacyjnych itp. Około stu instalacji przepracowało już łącznie setki tysięcy godzin. Przyjazność dla środowiska elektrowni FC pozwala na umieszczanie ich bezpośrednio w miastach.

Pierwsza elektrownia paliwowa w Nowym Jorku o mocy 4,5 MW zajmowała powierzchnię 1,3 ha. Teraz dla nowych elektrowni o mocy dwa i pół razy większej potrzebny jest obiekt o wymiarach 30x60 m. Powstaje kilka demonstracyjnych elektrowni o mocy 11 MW. Uderza czas budowy (7 miesięcy) oraz powierzchnia (30x60 m) zajmowana przez elektrownię. Szacowana żywotność nowych elektrowni wynosi 30 lat.

TE drugiej i trzeciej generacji

Najlepsze funkcje projektowane już elektrownie modułowe o mocy 5 MW z średniotemperaturowymi ogniwami paliwowymi drugiej generacji. Pracują w temperaturach 650...700 °C. Ich anody są wykonane ze spiekanych cząstek niklu i chromu, katody ze spiekanego i utlenionego aluminium, a elektrolitem jest mieszanina węglanów litu i potasu. Podwyższona temperatura pomaga rozwiązać dwa główne problemy elektrochemiczne:

zmniejszyć „zatrucie” katalizatora tlenkiem węgla;
zwiększyć wydajność procesu redukcji utleniacza na katodzie.
Jeszcze wydajniejsze będą wysokotemperaturowe ogniwa paliwowe trzeciej generacji z elektrolitem z tlenków stałych (głównie dwutlenku cyrkonu). Ich temperatura pracy dochodzi do 1000°C. Sprawność elektrowni z takimi ogniwami paliwowymi jest bliska 50%. Tutaj jako paliwo nadają się również produkty zgazowania węgla kamiennego o znacznej zawartości tlenku węgla. Co równie ważne, ciepło odpadowe z zakładów wysokotemperaturowych można wykorzystać do produkcji pary do napędzania turbin generatorów elektrycznych.

Vestingaus działa w branży ogniw paliwowych ze stałym tlenkiem od 1958 roku. Rozwija elektrownie o mocy 25...200 kW, w których można wykorzystać paliwo gazowe z węgla. Do testów przygotowywane są instalacje eksperymentalne o mocy kilku megawatów. Inna amerykańska firma, Engelgurd, projektuje ogniwa paliwowe o mocy 50 kW, które działają na metanol z kwasem fosforowym jako elektrolitem.

Coraz więcej firm na całym świecie angażuje się w tworzenie ogniw paliwowych. Amerykańska United Technology i japońska firma Toshiba utworzyły International Fuel Cells Corporation. W Europie ogniwami paliwowymi zajmują się belgijsko-holenderski konsorcjum Elenko, zachodnioniemiecka firma Siemens, włoski Fiat i brytyjski Jonson Metju.

Wiktora Ławrusa.

Jeśli podobał Ci się ten materiał, oferujemy wybór najlepszych materiałów na naszej stronie według naszych czytelników. Wybór - TOP o technologiach przyjaznych środowisku, nowa nauka i odkrycia naukowe znajdziesz tam, gdzie jest to dla Ciebie najwygodniejsze

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, aby zaprezentować prototypy swoich przyszłych produktów, które będą integrować ich własne mini elektrownie. Powinno to z jednej strony osłabić wiązanie urządzeń mobilnych z „gniazdkiem”, a z drugiej wydłużyć ich żywotność na baterii.

Ponadto część z nich działa w oparciu o etanol, więc rozwój tych technologii jest bezpośrednią korzyścią dla producentów napojów alkoholowych – za kilkanaście lat kolejki „informatyków” stojących za kolejną „dawką” dla swoich laptop ustawi się w kolejce w destylarni wina.

Nie możemy trzymać się z daleka od „gorączki” ogniw paliwowych, która ogarnęła przemysł Hi-Tech, i postaramy się dowiedzieć, jakim zwierzęciem jest ta technologia, z czym jest zjadana i kiedy powinniśmy się jej spodziewać "żywnościowy". W tym materiale rozważymy drogę, jaką przebyły ogniwa paliwowe od momentu odkrycia tej technologii do dnia dzisiejszego. 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 opublikowano jego artykuł na ten temat. Były to jednak tylko opracowania teoretyczne. Pierwsze działające ogniwo paliwowe ujrzało światło dzienne w 1843 r. w laboratorium naukowca pochodzenia walijskiego, Sir Williama Roberta Grove'a. Przy jego tworzeniu wynalazca wykorzystał materiały podobne do tych stosowanych w nowoczesnych akumulatorach kwasu fosforowego. Następnie ogniwo paliwowe Sir Grove zostało ulepszone przez W. Thomasa Gruba. W 1955 roku ten chemik, który pracował dla legendarnej General Electric Company, zastosował membranę jonowymienną z sulfonowanego polistyrenu jako elektrolit w ogniwie paliwowym. Dopiero trzy lata później jego kolega Leonard Niedrach zaproponował technologię nakładania platyny na membranę, która działała jako katalizator w procesie utleniania wodoru i poboru tlenu.

„Ojciec” ogniw paliwowych Christian Schönbein

Zasady te stały się podstawą nowej generacji ogniw paliwowych, nazwanych od ich twórców elementami „Grubb-Nidrach”. General Electric kontynuował rozwój w tym kierunku, w którym przy pomocy NASA i giganta lotniczego McDonnell Aircraft powstało pierwsze komercyjne ogniwo paliwowe. Na Nowa technologia zwracał uwagę na ocean. A już w 1959 roku Brytyjczyk Francis Bacon (Francis Thomas Bacon) wprowadził stacjonarne ogniwo paliwowe o mocy 5 kW. Jego opatentowane projekty były następnie licencjonowane przez Amerykanów i wykorzystywane w statkach kosmicznych NASA w systemach zasilania i zasilania. woda pitna. W tym samym roku Amerykanin Harry Ihrig zbudował pierwszy ciągnik na ogniwo paliwowe (łączna moc 15 kW). Wodorotlenek potasu był używany jako elektrolit w akumulatorach, a sprężony wodór i tlen były używane jako odczynniki.

Po raz pierwszy produkcję stacjonarnych ogniw paliwowych do celów komercyjnych uruchomiła firma UTC Power, która oferowała systemy zasilania awaryjnego dla szpitali, uczelni i centrów biznesowych. Firma ta, będąca światowym liderem w tej dziedzinie, nadal produkuje podobne rozwiązania o mocy do 200 kW. Jest także głównym dostawcą ogniw paliwowych dla NASA. Jej produkty są szeroko stosowane w program kosmiczny Apollo i nadal jest poszukiwany w ramach programu Space Shuttle. UTC Power oferuje również ogniwa paliwowe o „zużyciu konsumenckim” do szerokiej gamy zastosowań w pojazdach. Jako pierwsza stworzyła ogniwo paliwowe, które pozwala na odbiór prądu w ujemnych temperaturach dzięki zastosowaniu membrany wymiany protonów.

Jak to działa

Naukowcy eksperymentowali z różnymi substancjami jako odczynnikami. Jednak podstawowe zasady działania ogniw paliwowych, pomimo znacząco różniących się Charakterystyka wydajności, pozostają bez zmian. Każde ogniwo paliwowe jest urządzeniem do elektrochemicznej konwersji energii. Generuje 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 wchodzą do niego pewne odczynniki 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. Opierając się na takim schemacie, idealne ogniwo paliwowe powinno działać tak długo, jak istnieje zapas substancji niezbędnych do reakcji.

Ogniw paliwowych nie należy tutaj mylić z konwencjonalnymi akumulatorami. W pierwszym przypadku część „paliwa” jest zużywana do produkcji energii elektrycznej, którą później trzeba uzupełnić. W przypadku ogniw galwanicznych energia elektryczna jest magazynowana w zamkniętym układzie chemicznym. W przypadku akumulatorów doprowadzenie prądu pozwala na zajście odwrotnej reakcji elektrochemicznej i przywrócenie odczynników do stanu pierwotnego (czyli naładowanie ich). Możliwy różne kombinacje paliwo i utleniacz. 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.

Reakcja katalizy zachodząca w ogniwie paliwowym wybija elektrony i protony z paliwa, a poruszające się elektrony tworzą prąd elektryczny. Ogniwa paliwowe zazwyczaj wykorzystują platynę lub jej stopy jako katalizator przyspieszający reakcję. Kolejny proces katalityczny zwraca elektrony, łącząc je z protonami i czynnikiem utleniającym, co powoduje powstawanie produktów reakcji (emisje). Zazwyczaj te emisje są proste substancje: woda i dwutlenek węgla.

W konwencjonalnym ogniwie paliwowym z membraną do wymiany protonów (PEMFC), polimeryczna membrana przewodząca protony oddziela boki anody i katody. Od strony katody wodór dyfunduje na katalizator anodowy, gdzie następnie uwalniane są z niego elektrony i protony. Protony przechodzą następnie przez membranę do katody, a elektrony, nie mogąc podążać za protonami (membrana jest izolowana elektrycznie), są kierowane przez obwód obciążenia zewnętrznego (system zasilania). Po stronie katalizatora katodowego tlen reaguje z protonami, które przeszły przez membranę i elektronami, które przechodzą przez zewnętrzny obwód obciążenia. W wyniku tej reakcji uzyskuje się wodę (w postaci pary lub cieczy). Na przykład produktami reakcji w ogniwach paliwowych wykorzystujących paliwa węglowodorowe (metanol, olej napędowy) są woda i dwutlenek węgla.

Ogniwa paliwowe niemal wszystkich typów cierpią na straty elektryczne, spowodowane zarówno naturalną rezystancją styków i elementów ogniwa paliwowego, jak i przepięciem elektrycznym (dodatkowa energia potrzebna do przeprowadzenia wstępnej reakcji). W niektórych przypadkach nie da się całkowicie uniknąć tych strat, a czasem „gra nie jest warta świeczki”, ale najczęściej można je zredukować do akceptowalnego minimum. Rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie zestawów tych urządzeń, w których ogniwa paliwowe, w zależności od wymagań stawianych systemowi zasilania, mogą być łączone równolegle (większy prąd) lub szeregowo (większe napięcie).

Rodzaje ogniw paliwowych

Istnieje wiele rodzajów ogniw paliwowych, ale postaramy się krótko omówić najczęstsze z nich.

Alkaliczne ogniwa paliwowe (AFC)

Alkaliczne lub alkaliczne ogniwa paliwowe, zwane także ogniwami Bacon od ich brytyjskiego „ojca”, są jedną z najlepiej rozwiniętych technologii ogniw paliwowych. To właśnie te urządzenia pomogły człowiekowi postawić stopę na Księżycu. Generalnie NASA używa tego typu ogniw paliwowych od połowy lat 60-tych. AFC zużywają wodór i czysty tlen, wytwarzając woda pitna, ciepło i elektryczność. W dużej mierze ze względu na to, że ta technologia jest dobrze rozwinięta, ma jeden z najwyższych wskaźników wydajności wśród podobnych systemów (ok. 70% potencjału).

Jednak ta technologia ma również swoje wady. Ze względu na specyfikę stosowania ciekłej substancji alkalicznej jako elektrolitu, która nie blokuje dwutlenku węgla, istnieje możliwość reakcji wodorotlenku potasu (jedna z opcji stosowanego elektrolitu) 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. Mimo to ogniwa AFC są obecnie najtańszymi dostępnymi ogniwami paliwowymi w produkcji.

Bezpośrednie ogniwa paliwowe borowodorkowe (DBFC)

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

DBFC mogą być 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 się boraks, ten sztabkę można zmniejszyć 50-krotnie.

Ogniwa paliwowe z wodorkiem metali (MHFC)

Ta podklasa alkalicznych ogniw paliwowych jest obecnie aktywnie badana. Cechą tych urządzeń jest możliwość chemicznego przechowywania wodoru wewnątrz ogniwa paliwowego. Bezpośrednie ogniwo paliwowe borowodorkowe 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 niskich temperaturach - do -20°C;
długi okres trwałości;
szybki „zimny” start;
możliwość pracy przez pewien czas bez zewnętrznego źródła wodoru (na okres wymiany paliwa).

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

Elektrogalwaniczne ogniwa paliwowe (EGFC)

Reakcja chemiczna w EGFC zachodzi przy udziale wodorotlenku potasu i tlenu. Powoduje to wytwarzanie prądu elektrycznego między anodą ołowiową a katodą platerowaną złotem. Napięcie wyjściowe z elektrogalwanicznego ogniwa paliwowego jest wprost proporcjonalne do ilości tlenu. Ta funkcja pozwoliła na szerokie zastosowanie EGFC jako urządzenia do testowania tlenu w sprzęcie do nurkowania i sprzęcie medycznym. Ale właśnie z powodu tej zależności ogniwa paliwowe z wodorotlenkiem potasu mają bardzo ograniczony okres efektywnej pracy (o ile stężenie tlenu jest wysokie).

Pierwsze certyfikowane testery tlenu EGFC stały się powszechnie dostępne w 2005 roku, ale nie zyskały wówczas dużej popularności. 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 takie organizacje jak NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) oraz DDRC (Diving Diseases Research Center).

Bezpośrednie ogniwa paliwowe z kwasem mrówkowym (DFFAC)

Te ogniwa paliwowe są podtypem urządzeń z bezpośrednim kwasem mrówkowym PEMFC. Ze względu na swoje specyficzne cechy, te ogniwa paliwowe mają dużą szansę stać się głównym źródłem zasilania dla tak przenośnej elektroniki jak laptopy, Telefony komórkowe itp.

Podobnie jak metanol, kwas mrówkowy jest podawany bezpośrednio do ogniwa paliwowego bez specjalnego etapu oczyszczania. O wiele bezpieczniej jest też przechowywać tę substancję niż np. wodór, a poza tym nie trzeba zapewniać żadnych szczególnych warunków przechowywania: kwas mrówkowy jest cieczą w normalnej temperaturze. Co więcej, technologia ta ma dwie niezaprzeczalne zalety w porównaniu z bezpośrednimi ogniwami paliwowymi na metanol. Po pierwsze, w przeciwieństwie do metanolu, kwas mrówkowy nie przenika przez membranę. Dlatego efektywność DFAFC z definicji powinna być wyższa. Po drugie, w przypadku dekompresji kwas mrówkowy nie jest tak niebezpieczny (metanol może powodować ślepotę, a przy silnym dawkowaniu śmierć).

Co ciekawe, do niedawna wielu naukowców nie uważało tej technologii za praktyczną przyszłość. Powodem, który skłonił naukowców do zaprzestania stosowania kwasu mrówkowego na wiele lat, było wysokie przepięcie elektrochemiczne, które doprowadziło do znacznych strat elektrycznych. Jednak wyniki ostatnich eksperymentów wykazały, że przyczyną tej nieefektywności było zastosowanie platyny jako katalizatora, która tradycyjnie była szeroko stosowana w tym celu w ogniwach paliwowych. Po tym, jak naukowcy z University of Illinois przeprowadzili szereg eksperymentów z innymi materiałami, okazało się, że przy zastosowaniu palladu jako katalizatora wydajność DFAFC jest wyższa niż w przypadku równoważnych bezpośrednich ogniw paliwowych z metanolem. Obecnie prawa do tej technologii posiada amerykańska firma Tekion, która oferuje linię produktów Formira Power Pack dla urządzeń mikroelektronicznych. Ten system jest „dupleksem” składającym się z akumulatora i właściwego ogniwa paliwowego. Po wyczerpaniu się zapasu odczynników we wkładzie ładującym akumulator, użytkownik po prostu wymienia go na nowy. W ten sposób staje się całkowicie niezależny od „gniazda”. Zgodnie z obietnicami producenta, czas między ładowaniami ulegnie podwojeniu, mimo że technologia będzie kosztować tylko 10-15% więcej niż konwencjonalne baterie. Jedyną poważną przeszkodą dla tej technologii może być to, że jest wspierana przez firmę klasa średnia i może być po prostu „przytłoczony” przez konkurentów na większą skalę prezentujących swoje technologie, które mogą być nawet gorsze od DFAFC w wielu parametrach.

Ogniwa paliwowe na metanol (DMFC)

Te ogniwa paliwowe są podzbiorem urządzeń z membraną do wymiany protonów. Używają metanolu załadowanego do ogniwa paliwowego bez dodatkowe czyszczenie. Jednak alkohol metylowy jest znacznie łatwiejszy do przechowywania i nie jest wybuchowy (chociaż jest łatwopalny i może powodować 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 ilościach paliwa jest niska. Choć z tego powodu nie nadają się do transportu i dużych instalacji, urządzenia te świetnie sprawdzają się jako zamienniki baterii do urządzeń mobilnych.

Ogniwa paliwowe z przetworzonym metanolem (RMFC)

Ogniwa paliwowe z przetworzonym metanolem różnią się od ogniw DMFC tylko tym, że przekształcają metanol w wodór i dwutlenek węgla przed wytworzeniem energii elektrycznej. Dzieje się to w specjalnym urządzeniu zwanym procesorem paliwa. 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 tego, że jest on naturalnym nośnikiem wodoru, a w wystarczająco niskiej temperaturze (w porównaniu z innymi substancjami) może zostać rozłożony na wodór i dwutlenek węgla. Dlatego ta technologia jest bardziej zaawansowana niż DMFC. Ogniwa paliwowe z przetworzonym metanolem są bardziej wydajne, bardziej kompaktowe i działają w temperaturach poniżej zera.

Ogniwa paliwowe na etanol (DEFC)

Kolejny przedstawiciel klasy ogniw paliwowych z siecią wymiany protonów. Jak sama nazwa wskazuje, etanol wchodzi do ogniwa paliwowego z pominięciem etapów dodatkowego oczyszczania lub rozkładu na prostsze substancje. Pierwszą zaletą tych urządzeń jest zastosowanie alkohol etylowy zamiast toksycznego metanolu. Oznacza to, że nie musisz inwestować dużych pieniędzy w rozwój tego paliwa.

Gęstość energetyczna alkoholu jest o około 30% wyższa niż metanolu. Ponadto można go pozyskiwać w dużych ilościach z biomasy. W celu obniżenia kosztów ogniw paliwowych na etanol trwają aktywne 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 doświadczalnych.

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 wysoką gęstość energii. Obecnie są wykorzystywane w aparatach słuchowych i eksperymentalnych samochodach elektrycznych.

Po stronie anodowej znajduje się mieszanina cząstek cynku z elektrolitem, a po stronie katodowej woda i tlen z powietrza, które reagują ze sobą i tworzą hydroksyl (jego cząsteczką jest atom tlenu i atom wodoru, pomiędzy którymi istnieje wiązanie kowalencyjne). W wyniku reakcji hydroksylu z mieszaniną cynku uwalniane są elektrony trafiające do katody. Maksymalne napięcie wydzielane przez takie ogniwa paliwowe wynosi 1,65 V, ale z reguły jest ono sztucznie obniżane do 1,4–1,35 V, ograniczając dostęp powietrza do systemu. Produktami końcowymi tej reakcji elektrochemicznej są tlenek cynku i woda.

Możliwe jest zastosowanie tej technologii zarówno w akumulatorach (bez doładowania), jak iw ogniwach paliwowych. W tym ostatnim przypadku komora po stronie anodowej jest czyszczona i uzupełniana pastą cynkową. Ogólnie rzecz biorąc, technologia ZAFC okazała się być prostymi i niezawodnymi bateriami. Ich niewątpliwą zaletą jest możliwość kontrolowania reakcji jedynie poprzez dostosowanie dopływu powietrza do ogniwa paliwowego. Wielu badaczy rozważa ogniwa paliwowe cynkowo-powietrzne jako przyszłe główne źródło zasilania pojazdów elektrycznych.

Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe (MFC)

Pomysł wykorzystania bakterii dla dobra ludzkości nie jest nowy, choć dopiero niedawno doszedł do realizacji tych pomysłów. Obecnie aktywnie badana jest kwestia komercyjnego wykorzystania biotechnologii do wytwarzania różnych produktów (np. produkcja wodoru z biomasy), neutralizacji szkodliwych substancji oraz produkcji energii elektrycznej. Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe, zwane również biologicznymi ogniwami paliwowymi, to biologiczny układ elektrochemiczny, który wytwarza energię elektryczną za pomocą bakterii. Technologia ta opiera się na katabolizmie (rozkład złożonej cząsteczki na prostszą z uwolnieniem energii) substancji takich jak glukoza, octan (sól kwasu octowego), maślan (sól kwasu masłowego) czy ścieki. W wyniku ich utleniania uwalniane są elektrony, które są przenoszone na anodę, po czym generowany prąd elektryczny przepływa przez przewodnik do katody.

W takich ogniwach paliwowych mediatory są zwykle stosowane w celu poprawy przepuszczalności elektronów. Problem w tym, że substancje pełniące rolę mediatorów są drogie i toksyczne. Jednak w przypadku stosowania bakterii aktywnych elektrochemicznie nie ma potrzeby stosowania mediatorów. Takie mikrobiologiczne ogniwa paliwowe „bez nadajników” 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, dziś kwestia oczyszczania ścieków i unieszkodliwiania 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 podczas gdy 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 także coś wartościowego. Zasadniczo, podobnie jak w przypadku każdej nowej biotechnologii, ludzie obawiają się pomysłu noszenia w kieszeni pudełka zarażonego bakteriami.

Aplikacja

Stacjonarne elektrownie domowe i przemysłowe

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

W ostatnim czasie coraz powszechniejsze stają się elektrociepłownie, szeroko stosowane w budynkach mieszkalnych i biurach. Cechą tych systemów jest to, że stale wytwarzają energię elektryczną, która, jeśli nie zostanie natychmiast zużyta, służy do podgrzewania wody i powietrza. Pomimo tego, że sprawność elektryczna takich instalacji wynosi tylko 15-20%, tę wadę rekompensuje fakt, że niewykorzystana energia elektryczna jest wykorzystywana do produkcji ciepła. Ogólnie sprawność energetyczna takich połączonych systemów wynosi około 80%. Jednym z najlepszych odczynników do takich ogniw paliwowych jest kwas fosforowy. Jednostki te zapewniają sprawność energetyczną 90% (35-50% energii elektrycznej i reszta 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 łódź komercyjna wyposażona w taką konfigurację zadebiutowała osiem lat temu. Ten mały statek, nazwany "Hydra" i przeznaczony do przewozu do 22 pasażerów, został zwodowany w pobliżu dawnej 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 boi się słonej wody. Łódź „Hydra”, napędzana silnikiem elektrycznym o mocy 5 kW, rozpędza się do 6 węzłów (ok. 12 km/h).

Łódź „Hydra”

Ogniwa paliwowe (zwłaszcza zasilane wodorem) stały się znacznie bardziej rozpowszechnione w transporcie lądowym. Ogólnie rzecz biorąc, wodór był używany jako paliwo do silników samochodowych od dłuższego czasu iw zasadzie konwencjonalny silnik spalinowy można łatwo przekształcić w paliwo alternatywne. Jednak konwencjonalne spalanie wodoru jest mniej wydajne niż wytwarzanie energii elektrycznej w wyniku reakcji chemicznej między wodorem a tlenem. A idealnie, wodór, jeśli zostanie zastosowany w ogniwach paliwowych, będzie całkowicie bezpieczny dla przyrody lub, jak mówią, „przyjazny dla środowiska”, ponieważ podczas reakcji chemicznej nie uwalnia się dwutlenek węgla ani inne substancje, które dotykają „szklarni”. efekt".

To prawda, że tutaj, jak można by się spodziewać, jest kilka dużych „ale”. Faktem jest, że wiele technologii wytwarzania wodoru z zasobów nieodnawialnych (gaz ziemny, węgiel, produkty naftowe) nie jest tak przyjaznych dla środowiska, ponieważ w ich procesie uwalniana jest duża ilość dwutlenku węgla. Teoretycznie, jeśli do jego pozyskania zostaną wykorzystane zasoby odnawialne, to w ogóle nie będzie szkodliwych emisji. Jednak w tym przypadku koszt znacznie wzrasta. Zdaniem 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 pierwiastków nie będą w stanie stać się zjawiskiem masowym w pojazdach.

Producenci samochodów dość aktywnie eksperymentują z wodorem jako źródłem energii. A głównym tego powodem jest dość twarda pozycja UE w stosunku do szkodliwych emisji do atmosfery. Pod wpływem coraz ostrzejszych ograniczeń w Europie, Daimler AG, Fiat i Ford Motor Company zaprezentowały swoją wizję przyszłości ogniw paliwowych w przemyśle motoryzacyjnym, wyposażając swoje modele bazowe w podobne układy napędowe. Inny europejski gigant samochodowy, Volkswagen, przygotowuje obecnie swój pojazd na ogniwa paliwowe. 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 zasilanymi bateryjnie. Tą drogą poszły Toyota, Mazda i BMW. Jeśli chodzi o firmy amerykańskie, oprócz Forda ze swoim modelem Focus, General Motors zaprezentował także kilka pojazdów napędzanych ogniwami paliwowymi. Wszystkie te przedsięwzięcia są aktywnie wspierane przez wiele państw. Np. w Stanach Zjednoczonych istnieje prawo, zgodnie z którym nowy samochód hybrydowy wchodzący na rynek jest zwolniony z podatków, co może być całkiem przyzwoitą kwotą, bo 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 czym korzyść jest automatycznie anulowana.

Elektronika

Ostatnio ogniwa paliwowe są coraz częściej stosowane w laptopach, telefonach komórkowych i innych mobilnych urządzeniach elektronicznych. Powodem tego była szybko rosnąca obżarstwo urządzeń zaprojektowanych z myślą o długim czasie pracy na bateriach. W wyniku zastosowania w telefonach dużych ekranów dotykowych, potężnych możliwości audio oraz wprowadzenia obsługi Wi-Fi, Bluetooth i innych protokołów komunikacji bezprzewodowej o wysokiej częstotliwości, zmieniły się również wymagania dotyczące pojemności baterii. I chociaż baterie przeszły długą drogę od czasów pierwszych telefonów komórkowych, jeśli chodzi o pojemność i kompaktowość (w przeciwnym razie fani nie byliby dziś wpuszczani na stadiony z tą bronią z funkcją komunikacji), nadal nie nadążają wraz z miniaturyzacją obwodów elektronicznych, ani z chęcią, jaką producenci wbudowują w swoje produkty coraz więcej funkcji. Kolejną istotną wadą obecnych akumulatorów jest długi czas ładowania. Wszystko prowadzi do tego, że im więcej funkcji w telefonie czy kieszonkowym odtwarzaczu multimedialnym mającym na celu zwiększenie autonomii jego posiadacza (internet bezprzewodowy, systemy nawigacji itp.), tym bardziej uzależnione staje się to urządzenie od „gniazda”.

Nie ma nic do powiedzenia o laptopach, które są znacznie mniejsze niż te ograniczone maksymalnymi rozmiarami. Od dawna kształtuje się nisza superwydajnych laptopów, które w ogóle nie są przeznaczone do autonomicznej pracy, poza takim przeniesieniem z jednego biura do drugiego. A nawet najbardziej oszczędni użytkownicy w świecie laptopów mają problemy z zapewnieniem pełnego dnia pracy na baterii. Dlatego bardzo dotkliwa jest kwestia znalezienia alternatywy dla tradycyjnych baterii, która nie byłaby droższa, ale też znacznie wydajniejsza. A w ostatnim czasie ten problem rozwiązują czołowi przedstawiciele branży. Nie tak dawno wprowadzono komercyjne ogniwa paliwowe z metanolem, których masowe dostawy można rozpocząć już w przyszłym roku.

Z jakiegoś powodu naukowcy wybrali metanol zamiast wodoru. Znacznie łatwiej jest przechowywać metanol, ponieważ nie wymaga wysokiego ciśnienia ani specjalnych warunków temperaturowych. Alkohol metylowy jest cieczą w temperaturze od -97,0°C do 64,7°C. Jednocześnie energia właściwa zawarta w N-tej objętości metanolu jest o rząd wielkości większa niż w tej samej objętości wodoru pod wysokie ciśnienie. Technologia bezpośredniego ogniwa paliwowego z metanolem, szeroko stosowana w mobilnych urządzeniach elektronicznych, polega na wykorzystaniu: alkohol metylowy po prostym napełnieniu zbiornika ogniwa paliwowego z pominięciem procedury konwersji katalitycznej (stąd nazwa „bezpośredni metanol”). Jest to również główna zaleta tej technologii.

Jednak, jak można się było spodziewać, wszystkie te plusy miały swoje minusy, co znacznie ograniczyło zakres jego zastosowania. W związku z tym, że jednak technologia ta nie została jeszcze w pełni rozwinięta, problem niskiej wydajności takich ogniw paliwowych spowodowany „wyciekiem” 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, bezpośrednie ogniwa paliwowe z metanolem mogą ją generować przez długi czas. Nie pozwala to na ich bezpośrednie zastosowanie w pojazdach ze względu na ich niską moc, ale czyni je niemal idealnym rozwiązaniem dla urządzeń mobilnych, dla których żywotność baterii jest krytyczna.

Ostatnie trendy

Choć ogniwa paliwowe do pojazdów są produkowane od dawna, do tej pory rozwiązania te nie stały się powszechne. Powodów jest wiele. A głównymi z nich są niecelowość ekonomiczna i niechęć producentów do uruchomienia produkcji niedrogiego paliwa. Próby wymuszenia naturalnego procesu przejścia na odnawialne źródła energii, jak można się było spodziewać, nie przyniosły niczego dobrego. Oczywiście przyczyna gwałtownego wzrostu cen produktów rolnych jest raczej ukryta nie w tym, że zaczęto je masowo przerabiać 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 odrzucenie stosowania biopaliw nie doprowadzi do znaczącej poprawy sytuacji na światowym rynku żywności, ale wręcz przeciwnie może uderzyć w europejskich i amerykańskich rolników, którzy po raz pierwszy od wielu lat otrzymali możliwość zarobienia dobrych pieniędzy. Ale nie można umniejszać etycznego aspektu tego problemu, brzydko jest napełniać „chlebem” zbiorniki, gdy miliony ludzi głodują. Dlatego w szczególności europejscy politycy będą teraz bardziej chłodno podchodzić do biotechnologii, co już potwierdza rewizja strategii przejścia na odnawialne źródła energii.

W tej sytuacji mikroelektronika powinna stać się najbardziej obiecującym obszarem zastosowań ogniw paliwowych. To tutaj ogniwa paliwowe mają największe szanse na zdobycie przyczółka. Po pierwsze, ludzie, którzy kupują telefony komórkowe, chętniej eksperymentują niż, powiedzmy, nabywcy samochodów. Po drugie, są gotowi wydawać pieniądze i z reguły nie mają nic przeciwko „ratowaniu świata”. Można to potwierdzić przez głośny sukces czerwona wersja "Bono" iPoda Nano, 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 zastosowań, a także wiodący producenci mikroelektroniki. Na przykład ostatnio firma MTI Micro, która zmieniła przeznaczenie swojej działalności na produkcję ogniw paliwowych z metanolem do mobilnych urządzeń elektronicznych, ogłosiła, że rozpocznie masową produkcję w 2009 roku. Wprowadziła również pierwsze na świecie urządzenie GPS z ogniwami paliwowymi na metanol. Według przedstawicieli tej firmy, w niedalekiej przyszłości jej produkty całkowicie zastąpią tradycyjne akumulatory litowo-jonowe. To prawda, że na początku nie będą tanie, ale ten problem towarzyszy każdej nowej technologii.

Dla firmy takiej jak Sony, która niedawno zaprezentowała swój wariant urządzenia zasilanego mediami z DMFC, technologie te są nowe, ale poważnie podchodzą do tego, aby nie zgubić się na obiecującym nowym rynku. Z kolei firma Sharp poszła jeszcze dalej i dzięki prototypowi ogniwa paliwowego ustanowiła niedawno światowy rekord w zakresie pojemności energetycznej 0,3 wata na centymetr sześcienny metanolu. Nawet rządy wielu krajów spotykały się z firmami produkującymi te ogniwa paliwowe. I tak lotniska w USA, Kanadzie, Wielkiej Brytanii, Japonii i Chinach, mimo toksyczności i palności metanolu, zniosły dotychczasowe ograniczenia dotyczące jego przewozu w kabinie. Oczywiście jest to dozwolone tylko w przypadku certyfikowanych ogniw paliwowych o maksymalnej pojemności 200 ml. Potwierdza to jednak po raz kolejny zainteresowanie tymi wydarzeniami ze strony nie tylko entuzjastów, ale i państw.

To prawda, producenci wciąż starają się zachować ostrożność i oferują ogniwa paliwowe głównie jako system zasilania awaryjnego. Jednym z takich rozwiązań jest połączenie ogniwa paliwowego i akumulatora: gdy jest paliwo, stale ładuje akumulator, a po jego wyczerpaniu użytkownik po prostu zastępuje pusty kartridż nowym pojemnikiem z metanolem. Innym popularnym trendem jest tworzenie ładowarki na ogniwach paliwowych. Mogą być używane w podróży. Jednocześnie bardzo szybko ładują akumulatory. Innymi słowy, w przyszłości być może każdy taki „gniazdko” będzie nosił w kieszeni. Takie podejście może być szczególnie istotne w przypadku telefonów komórkowych. Z kolei laptopy mogą w przewidywalnej przyszłości nabyć wbudowane ogniwa paliwowe, które jeśli nie całkowicie zastąpią ładowanie z „gniazda”, to przynajmniej staną się dla niego poważną alternatywą.

Tak więc, zgodnie z prognozą największej niemieckiej firmy chemicznej BASF, która niedawno ogłosiła rozpoczęcie budowy swojego centrum rozwoju ogniw paliwowych w Japonii, do 2010 r. rynek tych urządzeń wyniesie 1 miliard dolarów. Jednocześnie analitycy przewidują wzrost rynku ogniw paliwowych do 20 miliardów dolarów do 2020 roku. Nawiasem mówiąc, w tym centrum BASF planuje rozwijać ogniwa paliwowe do przenośnej elektroniki (w szczególności laptopów) i stacjonarnych systemów energetycznych. Miejsce na to przedsięwzięcie nie zostało wybrane przypadkowo – główni nabywcy tych technologii niemiecka firma widzi lokalne firmy.

Zamiast konkluzji

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

Urządzenia te mają niezaprzeczalną zaletę w postaci szybkości ładowania – po prostu wymieniałem wkład z metanolem (w skrajnych przypadkach odkorkowałem trofeum Jacka Danielsa) w aparacie i znowu przeskakiwałem po schodach Luwru. powiedzmy, zwykły telefon ładuje się dwie godziny i będzie wymagał doładowania co 2-3 dni, to jest mało prawdopodobne, aby alternatywa w postaci wymiany wkładu sprzedawana tylko w wyspecjalizowanych sklepach, nawet raz na dwa tygodnie, była tak pożądana przez masowego użytkownika. Jeśli hermetyczny kanister na kilkaset mililitrów paliwa dotrze do konsumenta końcowego, jego cena zdąży znacząco wzrosnąć. Tylko skala produkcji będzie w stanie zwalczyć ten wzrost cen, ale czy to skala jest pożądana na rynku i dopóki nie zostanie wybrany optymalny rodzaj paliwa, bardzo trudno będzie rozwiązać ten problem.

Z drugiej strony połączenie tradycyjnego ładowania plug-in, ogniw paliwowych i innych alternatywnych systemów zasilania energią (np. paneli słonecznych) może być rozwiązaniem problemu dywersyfikacji źródeł energii i przejścia na typy środowiskowe. Jednak w przypadku pewnej grupy produktów elektronicznych ogniwa paliwowe mogą znaleźć szerokie zastosowanie. Potwierdza to fakt, że firma Canon niedawno opatentowała własne ogniwa paliwowe do aparatów cyfrowych i ogłosiła strategię włączenia tych technologii do swoich rozwiązań. Jeśli chodzi o laptopy, jeśli ogniwa paliwowe trafią do nich w niedalekiej przyszłości, to najprawdopodobniej tylko jako zapasowy system zasilania. Teraz na przykład mówimy głównie o zewnętrznych modułach ładujących, które dodatkowo podłącza się do laptopa.

Ale te technologie mają wielkie perspektywy rozwoju w długoterminowy. Szczególnie w obliczu zagrożenia głodem naftowym, które może nastąpić w ciągu najbliższych kilkudziesięciu lat. W tych warunkach ważniejsze jest nawet nie to, jak tania będzie produkcja ogniw paliwowych, ale ile wyniesie produkcja paliwa dla nich niezależnie od przemysłu petrochemicznego i czy będzie w stanie pokryć jego zapotrzebowanie.

Wodorowe ogniwo paliwowe Nissana

Elektronika mobilna poprawia się z roku na rok, staje się coraz bardziej rozpowszechniona i bardziej dostępna: PDA, laptopy, urządzenia mobilne i cyfrowe, ramki do zdjęć itp. Wszystkie z nich są stale aktualizowane o nowe funkcje, większe monitory, łączność bezprzewodową, mocniejsze procesory, podczas gdy maleje rozmiar. Technologie zasilania, w przeciwieństwie do technologii półprzewodnikowych, nie działają skokowo.

Dostępne baterie i akumulatory do zasilania osiągnięć przemysłu stają się niewystarczające, dlatego kwestia źródeł alternatywnych jest bardzo dotkliwa. Ogniwa paliwowe to zdecydowanie najbardziej obiecujący kierunek. Zasada ich działania została odkryta już w 1839 roku przez Williama Grove'a, który wytwarzał energię elektryczną poprzez zmianę elektrolizy wody.

Wideo: film dokumentalny, ogniwa paliwowe do transportu: przeszłość, teraźniejszość, przyszłość

Ogniwa paliwowe interesują producentów samochodów, interesują się nimi również twórcy. statki kosmiczne. W 1965 roku zostały nawet przetestowane przez Amerykę na wystrzelonym w kosmos Gemini 5, a później na Apollo. Miliony dolarów inwestuje się w badania nad ogniwami paliwowymi nawet dzisiaj, kiedy pojawiają się problemy związane z zanieczyszczeniem środowiska, rosnącą emisją gazów cieplarnianych ze spalania paliw kopalnych, których rezerwy również nie są nieograniczone.

Ogniwo paliwowe, często nazywane generatorem elektrochemicznym, działa w sposób opisany poniżej.

Będąc, podobnie jak akumulatory i baterie, ogniwem galwanicznym, ale z tą różnicą, że substancje aktywne są w nim przechowywane oddzielnie. Dochodzą do elektrod w miarę ich używania. Paliwo naturalne lub dowolna substancja z niego uzyskana pali się na elektrodzie ujemnej, która może być gazowa (na przykład wodór i tlenek węgla) lub płynna, jak alkohole. Na elektrodzie dodatniej z reguły reaguje tlen.

Ale prosta z pozoru zasada działania nie jest łatwa do przełożenia na rzeczywistość.

Ogniwo paliwowe DIY

Wideo: DIY wodorowe ogniwo paliwowe

Niestety nie posiadamy zdjęć tego, jak ten element paliwowy powinien wyglądać, mamy nadzieję, że zadziała Twoja wyobraźnia.

Ogniwo paliwowe małej mocy własnymi rękami można wykonać nawet w szkolnym laboratorium. Trzeba zaopatrzyć się w starą maskę gazową, kilka kawałków pleksi, ług i roztwór wodny alkohol etylowy (prościej wódka), który będzie służył jako „paliwo” dla ogniwa paliwowego.

Przede wszystkim potrzebna jest obudowa na ogniwo paliwowe, którą najlepiej wykonać z pleksi o grubości co najmniej pięciu milimetrów. Przegrody wewnętrzne (pięć przegródek wewnątrz) mogą być nieco cieńsze - 3 cm Do klejenia pleksi stosuje się klej o następującym składzie: sześć gramów wiórów pleksi rozpuszcza się w stu gramach chloroformu lub dichloroetanu (działają pod maską ).

W ścianie zewnętrznej konieczne jest teraz wywiercenie otworu, w który należy włożyć przez gumowy korek rurkę szklaną odpływową o średnicy 5-6 centymetrów.

Każdy wie, że w układzie okresowym w lewym dolnym rogu znajdują się najbardziej aktywne metale, a metaloidy o wysokiej aktywności znajdują się w tablicy w prawym górnym rogu, czyli zdolność oddawania elektronów wzrasta od góry do dołu i od prawej do lewej. Na środku stołu znajdują się pierwiastki, które w pewnych warunkach mogą przybierać postać metali lub niemetali.

Teraz wlewamy do drugiej i czwartej komory z maski gazowej Węgiel aktywowany(między pierwszą a drugą przegrodą oraz trzecią i czwartą), które będą pełnić rolę elektrod. Aby węgiel nie wysypał się przez otwory, można go umieścić w nylonowej tkaninie (wystarczą damskie pończochy nylonowe). W

Paliwo będzie krążyć w pierwszej komorze, w piątej powinien znajdować się dostawca tlenu - powietrze. Pomiędzy elektrodami będzie elektrolit, a aby nie przedostał się do komory powietrznej, należy go nasączyć roztworem parafiny w benzynie (stosunek 2 gramów parafiny na pół szklanki benzyny) przed napełnieniem czwartej komory węglem na elektrolit powietrzny. Na warstwę węgla należy nałożyć (lekko dociskając) płytki miedziane, do których przylutowane są przewody. Za ich pośrednictwem prąd zostanie przekierowany z elektrod.

Pozostaje tylko naładować element. W tym celu potrzebna jest wódka, którą należy rozcieńczyć wodą w stosunku 1: 1. Następnie ostrożnie dodaj trzysta do trzystu pięćdziesięciu gramów kaustycznego potasu. W przypadku elektrolitu 70 gramów kaustycznego potasu rozpuszcza się w 200 gramach wody.

Ogniwo paliwowe jest gotowe do testów. Teraz musisz jednocześnie wlać paliwo do pierwszej komory, a elektrolit do trzeciej. Woltomierz podłączony do elektrod powinien wskazywać od 07 woltów do 0,9. Aby zapewnić ciągłą pracę elementu, należy spuścić wypalone paliwo (spuścić do szklanki) i dolać nowe paliwo (przez gumową rurkę). Szybkość posuwu jest kontrolowana przez ściskanie rury. Tak wygląda praca ogniwa paliwowego w warunkach laboratoryjnych, którego moc jest zrozumiale mała.

Wideo: Ogniwo paliwowe lub wieczna bateria w domu

Aby zwiększyć moc, naukowcy od dawna pracują nad tym problemem. Ogniwa paliwowe na metanol i etanol znajdują się na aktywnej stali rozwojowej. Ale niestety jak na razie nie ma możliwości ich zastosowania w praktyce.

Dlaczego ogniwo paliwowe jest wybierane jako alternatywne źródło zasilania

Jako alternatywne źródło energii wybrano ogniwo paliwowe, ponieważ końcowym produktem spalania wodoru w nim jest woda. Problem polega tylko na znalezieniu niedrogiego i wydajnego sposobu produkcji wodoru. Kolosalne środki zainwestowane w rozwój generatorów wodoru i ogniw paliwowych nie mogą więc nie przynosić efektów przełom technologiczny i ich rzeczywiste wykorzystanie w życiu codziennym, to tylko kwestia czasu.

Już dziś potwory motoryzacji: General Motors, Honda, Dreimler Koisler, Ballard demonstrują autobusy i samochody napędzane ogniwami paliwowymi o mocy do 50 kW. Ale problemy związane z ich bezpieczeństwem, niezawodnością, kosztami - nie zostały jeszcze rozwiązane. Jak już wspomniano, w przeciwieństwie do tradycyjnych źródeł zasilania – baterii i akumulatorów, w tym przypadku utleniacz i paliwo dostarczane są z zewnątrz, a ogniwo paliwowe jest jedynie pośrednikiem w toczącej się reakcji spalania paliwa i zamiany uwolnionej energii na energię elektryczną . „Spalanie” występuje tylko wtedy, gdy element dostarcza prąd do obciążenia, jak generator diesla, ale bez generatora i diesla, a także bez hałasu, dymu i przegrzania. Jednocześnie wydajność jest znacznie wyższa, ponieważ nie ma mechanizmów pośrednich.

Wideo: samochód z wodorowymi ogniwami paliwowymi

Wielkie nadzieje wiąże się z wykorzystaniem nanotechnologii i nanomateriałów, które pomogą zminiaturyzować ogniwa paliwowe, jednocześnie zwiększając ich moc. Pojawiły się doniesienia, że stworzono ultrawydajne katalizatory, a także konstrukcje ogniw paliwowych, które nie mają membran. W nich, wraz z utleniaczem, paliwo (na przykład metan) jest dostarczane do elementu. Interesujące są rozwiązania, w których tlen rozpuszczony w wodzie służy jako utleniacz, a zanieczyszczenia organiczne gromadzące się w zanieczyszczonych wodach jako paliwo. Są to tak zwane ogniwa biopaliwowe.

Ogniwa paliwowe, zdaniem ekspertów, mogą w najbliższych latach wejść na rynek masowy