Mobilna elektronika vsako leto, če ne celo mesec, postane bolj dostopna in razširjena. Tukaj imate prenosnike, dlančnike, digitalne fotoaparate, mobilne telefone in veliko drugih uporabnih in ne tako uporabnih naprav. Vse te naprave nenehno pridobivajo nove funkcije, zmogljivejše procesorje, večje barvne zaslone, brezžično povezljivost, hkrati pa se zmanjšujejo. Toda v nasprotju s polprevodniškimi tehnologijami energetske tehnologije za celotno mobilno zverinjarko sploh niso skokovite.
Običajni akumulatorji in baterije očitno niso dovolj za poganjanje najnovejših dosežkov v elektronski industriji. Brez zanesljivih visokozmogljivih baterij se izgubi ves smisel mobilnosti in brezžičnosti. Tako se računalniška industrija vse bolj aktivno ukvarja s problemom alternativni napajalniki... In danes je tu najbolj obetavna smer gorivne celice.
Osnovno načelo delovanja gorivnih celic je leta 1839 odkril britanski znanstvenik Sir William Grove. Znan je kot oče "gorivne celice". William Grove je s spremembo pridobival elektriko za pridobivanje vodika in kisika. Grove je odklopil akumulator iz elektrolitske celice in presenečen ugotovil, da so elektrode začele absorbirati nastali plin in ustvarjati tok. Odpiranje postopka elektrokemično "hladno" zgorevanje vodika postal pomemben dogodek v energetskem sektorju, pozneje pa so tako znani elektrokemiki, kot sta Ostwald in Nernst, igrali pomembno vlogo pri razvoju teoretičnih osnov in praktični izvedbi gorivnih celic ter jim napovedovali veliko prihodnost.
On sam izraz "gorivna celica" pojavil kasneje - leta 1889 sta ga predlagala Ludwig Mond in Charles Langer, ki sta poskušala ustvariti napravo za proizvodnjo električne energije iz zraka in plina iz premoga.
Pri običajnem zgorevanju v kisiku se organsko gorivo oksidira in kemijska energija goriva se neučinkovito pretvori v toplotno energijo. Vendar se je izkazalo, da je mogoče reakcijo oksidacije, na primer vodika s kisikom, izvesti v elektrolitskem okolju in ob prisotnosti elektrod pridobiti električni tok. Na primer, z dovajanjem vodika na elektrodo v alkalnem mediju dobimo elektrone:
2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-
ki skozi zunanji krog vstopijo v nasprotno elektrodo, kamor vstopi kisik in kjer poteka reakcija: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-
Vidimo lahko, da je nastala reakcija 2H2 + O2 → H2O enaka kot pri običajnem zgorevanju, vendar v gorivni celici ali kako drugače - v elektrokemični generator, dobimo električni tok z velikim izkoristkom in delno toploto. Upoštevajte, da se kot gorivo v gorivnih celicah lahko uporabljajo tudi premog, ogljikov monoksid, alkoholi, hidrazin in druge organske snovi, kot oksidanti pa zrak, vodikov peroksid, klor, brom, dušikova kislina itd.
Razvoj gorivnih celic se je močno nadaljeval tako v tujini kot v Rusiji in nato v ZSSR. Med znanstveniki, ki so veliko prispevali k preučevanju gorivnih celic, opažamo V. Jaco, P. Yablochkov, F. Bacon, E. Bauer, E. Yusti, K. Kordesh. Sredi prejšnjega stoletja se je začela nova nevihta s gorivnimi celicami. To je deloma posledica pojava novih idej, materialov in tehnologij kot rezultat obrambnih raziskav.
Eden od znanstvenikov, ki je naredil velik korak v razvoju gorivnih celic, je bil P. M. Spiridonov. Spiridonovi vodikovi kisikovi elementi je dala gostoto toka 30 mA / cm2, kar je v tistem času veljalo za velik dosežek. V štiridesetih je O. Davtyan ustvaril napravo za elektrokemično zgorevanje generatorja, pridobljenega s uplinjanjem premoga. Davtyan je od vsakega kubičnega metra prostornine elementa prejel 5 kW moči.
Bilo je prva trdna elektrolitska gorivna celica... Imel je visoko učinkovitost, vendar se je sčasoma elektrolit poslabšal in ga je bilo treba spremeniti. Kasneje je Davtyan v poznih petdesetih ustvaril zmogljiva namestitevvožnja traktorja. V istih letih je angleški inženir T. Bacon zasnoval in zgradil baterijo z gorivnimi celicami s skupno zmogljivostjo 6 kW in izkoristkom 80%, ki deluje na čisti vodik in kisik, vendar se je izkazalo, da je razmerje med močjo in težo akumulatorja prenizko - take celice so bile neprimerne praktična uporaba in predrago.
V naslednjih letih je čas samotarjev minil. Ustvarjalci vesoljskih plovil so se začeli zanimati za gorivne celice. Od sredine 60. let so v raziskave gorivnih celic vložili milijone dolarjev. Delo tisočih znanstvenikov in inženirjev je omogočilo doseči novo raven in leta 1965. gorivne celice so bile v ZDA preizkušene za vesoljska ladja Gemini-5 in kasneje - na vesoljskih plovilih Apollo za lete na Luno in v okviru programa Shuttle.
V ZSSR so v NPO Kvant razvijali gorivne celice, tudi za uporabo v vesolju. V teh letih so se že pojavili novi materiali - trdni polimerni elektroliti na osnovi ionskih izmenjevalnih membran, nove vrste katalizatorjev, elektrod. Kljub temu je bila gostota delovnega toka majhna - znotraj 100-200 mA / cm2, vsebnost platine na elektrodah pa nekaj g / cm2. Veliko težav je bilo povezanih z vzdržljivostjo, stabilnostjo, varnostjo.
Naslednja faza hitrega razvoja gorivnih celic se je začela v devetdesetih letih. prejšnjem stoletju in se nadaljuje še danes. Vzrok za to je potreba po novih učinkovitih virih energije v povezavi na eni strani s svetovnim okoljskim problemom naraščajočih emisij toplogrednih plinov zaradi zgorevanja fosilnih goriv in na drugi strani s izčrpanjem takšnih zalog goriv. Ker je končni produkt zgorevanja vodika v gorivni celici voda, veljajo za najčistejše glede na njihov vpliv na okolje. Glavna težava je le v iskanju učinkovitega in poceni načina pridobivanja vodika.
Milijarde finančnih naložb v razvoj gorivnih celic in generatorjev vodika bi morale voditi do tehnološkega preboja in jih uresničiti v vsakdanjem življenju: v celicah za mobilne telefone, avtomobilih in elektrarnah. Taki avtomobilski velikani, kot so Ballard, Honda, Daimler Chrysler, General Motors, že zdaj predstavljajo avtomobile in avtobuse, ki delujejo na gorivne celice z zmogljivostjo 50 kW. Razvila so se številna podjetja demonstracijske elektrarne na gorivne celice s trdnim oksidnim elektrolitom do 500 kW... Kljub pomembnemu napredku pri izboljšanju značilnosti gorivnih celic pa je treba rešiti še veliko težav, povezanih z njihovimi stroški, zanesljivostjo in varnostjo.
V gorivni celici se za razliko od baterij in akumulatorjev gorivo in oksidant dovajata od zunaj. Gorivna celica je le posrednik v reakciji in bi v idealnih pogojih lahko delovala skoraj za vedno. Lepota te tehnologije je v tem, da element v resnici gori gorivo in neposredno pretvori sproščeno energijo v elektriko. Z neposrednim zgorevanjem goriva se oksidira s kisikom, hkrati pa se sprosti toplota za opravljanje koristnega dela.
V gorivni celici, tako kot v akumulatorju, sta reakciji oksidacije goriva in redukcije kisika prostorsko ločeni in postopek "zgorevanja" poteka le, če celica dovaja tok obremenitvi. Je kot dizelski generator, samo brez dizela in generatorja... Pa tudi brez dima, hrupa, pregrevanja in z veliko večjo učinkovitostjo. Slednje je razloženo z dejstvom, da najprej ni vmesnih mehanske naprave in drugič, gorivna celica ni toplotni motor in zato ne upošteva Carnotovega zakona (to pomeni, da njegova učinkovitost ni odvisna od temperaturne razlike).
Kisik se uporablja kot oksidant v gorivnih celicah. Poleg tega, ker je v zraku dovolj kisika, ni treba skrbeti za oskrbo z oksidantom. Kar zadeva gorivo, je to vodik. Torej, reakcija poteka v gorivni celici:
2H2 + O2 → 2H2O + elektrika + toplota.
Rezultat je koristna energija in vodna para. Najenostavnejša v svoji strukturi je gorivna celica z membrano protonske izmenjave (glej sliko 1). Deluje tako: vodik, ki vstopa v element, se pod delovanjem katalizatorja razgradi v elektrone in pozitivno nabite vodikove ione H +. Nato pride v poštev posebna membrana, ki igra vlogo elektrolita v običajni bateriji. Zaradi svoje kemične sestave omogoča, da protoni prehajajo skozi sebe, vendar zadrži elektrone. Tako nabrani elektroni na anodi ustvarijo presežek negativnega naboja, vodikovi ioni pa na katodi pozitiven naboj (napetost na celici je približno 1V).
Za ustvarjanje velike moči je gorivna celica sestavljena iz več celic. Če je element vključen v obremenitev, bodo elektroni skozi njega pritekali do katode, ustvarili tok in zaključili postopek oksidacije vodika s kisikom. Kot katalizator v takšnih gorivnih celicah se običajno uporabljajo platinski mikrodelci, podprti na ogljikovih vlaknih. Takšen katalizator je zaradi svoje zgradbe zelo prepusten za plin in elektriko. Membrana je običajno narejena iz polimera Nafion, ki vsebuje žveplo. Debelina membrane je enaka desetinam milimetra. Med reakcijo se seveda sprošča tudi toplota, ki pa je ni toliko, zato se delovna temperatura vzdržuje v območju 40-80 ° C.
Slika 1. Kako deluje gorivna celica
Obstajajo tudi druge vrste gorivnih celic, ki se v glavnem razlikujejo po vrsti uporabljenega elektrolita. Skoraj vsi potrebujejo vodik kot gorivo, zato se postavlja logično vprašanje: kje ga dobiti. Seveda bi bilo mogoče uporabiti stisnjen vodik iz jeklenk, potem pa se takoj pojavijo težave, povezane s prevozom in skladiščenjem tega vnetljivega plina pod visokim tlakom. Seveda se vodik lahko uporablja v vezani obliki kot v kovinsko-hidridnih baterijah. A vseeno ostaja problem njegove proizvodnje in transporta, ker infrastruktura za oskrbo z vodikom ne obstaja.
Vendar pa obstaja tudi rešitev - tekoče ogljikovodikovo gorivo lahko uporabimo kot vir vodika. Na primer etilni ali metilni alkohol. Res je, tu je že potrebna posebna dodatna naprava - pretvornik goriva, ki alkohole pri visokih temperaturah pretvori v mešanico plinastega H2 in CO2 (za metanol bo nekje okoli 240 ° C). Toda v tem primeru je že težje razmišljati o prenosljivosti - takšne naprave je dobro uporabljati kot stacionarne ali, vendar za kompaktno mobilno opremo potrebujete nekaj manj zajetnega.
In tu smo prišli do natančno naprave, katere razvoj s strašno silo izvajajo skoraj vsi največji proizvajalci elektronika - metanol gorivna celica (Slika 2).
Slika 2. Kako deluje metanolska gorivna celica
Temeljna razlika med vodikovimi in metanolskimi gorivnimi celicami je v uporabljenem katalizatorju. Katalizator v metanolski gorivni celici omogoča odstranjevanje protonov neposredno iz molekule alkohola. Tako je vprašanje goriva rešeno - metilni alkohol se množično proizvaja za kemično industrijo, ga je enostavno skladiščiti in prevažati, za polnjenje metanolske gorivne celice pa je dovolj, da preprosto zamenjate kartušo za gorivo. Res je, obstaja ena pomembna pomanjkljivost - metanol je strupen. Poleg tega je učinkovitost metanolskih gorivnih celic bistveno manjša od učinkovitosti vodikove gorivne celice.
Slika: 3. Metanolska gorivna celica
Najbolj mamljiva možnost je uporaba etilnega alkohola kot goriva, saj je proizvodnja in distribucija alkoholnih pijač katere koli sestave in jakosti dobro uveljavljena po vsem svetu. Vendar je učinkovitost etanolskih gorivnih celic na žalost celo manjša od učinkovitosti metanola.
Kot je bilo omenjeno v mnogih letih razvoja na področju gorivnih celic, so bile zgrajene različne vrste gorivnih celic. Gorivne celice so razvrščene po vrsti elektrolita in goriva.
1. Trdni polimerni vodikov-kisikov elektrolit.
2. Trdne polimerne metanolske gorivne celice.
3. Celice na alkalnem elektrolitu.
4. Gorivne celice iz fosforne kisline.
5. Gorivne celice na osnovi staljenih karbonatov.
6. Trdne oksidne gorivne celice.
V idealnem primeru je izkoristek gorivnih celic zelo visok, toda v realne razmere obstajajo izgube, povezane z neravnovesnimi procesi, kot so: omske izgube zaradi specifične prevodnosti elektrolita in elektrod, polarizacija aktivacije in koncentracije, difuzijske izgube. Posledično se del energije, ki nastane v gorivnih celicah, pretvori v toploto. Prizadevanja strokovnjakov so usmerjena v zmanjšanje teh izgub.
Perfluorirane sulfonske kationske izmenjalne membrane so glavni vir omičnih izgub in tudi razlog za visoke stroške gorivnih celic. Zdaj poteka iskanje alternativnih, cenejših protonovodnih polimerov. Ker prevodnost teh membran (trdni elektroliti) doseže sprejemljivo vrednost (10 Ohm / cm) le v prisotnosti vode, je treba pline, ki se dovajajo v gorivno celico, dodatno navlažiti v posebni napravi, kar prav tako poveča stroške sistema. V katalitskih plinsko difuzijskih elektrodah se uporabljajo predvsem platina in nekatere druge plemenite kovine, ki jih do zdaj niso našli. Čeprav je vsebnost platine v gorivnih celicah več mg / cm2, pri velikih baterijah ta doseže več deset gramov.
Pri načrtovanju gorivnih celic je veliko pozornosti namenjeno sistemu za odvajanje toplote, saj pri visoki gostoti toka (do 1A / cm2) pride do samogrevanja sistema. Za hlajenje se uporablja voda, ki kroži v gorivni celici po posebnih kanalih, pri majhni moči pa piha zrak.
Torej, sodoben elektrokemijski generator sistem je poleg same gorivne celice "poraščen" s številnimi pomožnimi napravami, kot so: črpalke, kompresor za dovod zraka, dovod vodika, vlažilnik plina, hladilna enota, sistem za uhajanje plina, pretvornik v enosmerni v izmenični tok, krmilni procesor Vse to vodi k dejstvu, da so stroški sistema gorivnih celic v letih 2004–2005 znašali 2-3 tisoč USD / kW. Po mnenju strokovnjakov bodo gorivne celice na voljo za uporabo v transportnih in stacionarnih elektrarnah po ceni od 50 do 100 USD / kW.
Za uvajanje gorivnih celic v vsakdanje življenje, skupaj z znižanjem stroškov komponent, je treba pričakovati nove izvirne ideje in pristope. Velika upanja se vežejo predvsem na uporabo nanomaterialov in nanotehnologije. Na primer, več podjetij je pred kratkim napovedalo ustvarjanje ultra učinkovitih katalizatorjev, zlasti za kisikovo elektrodo na osnovi grozdov nanodelcev različnih kovin. Poleg tega obstajajo poročila o izvedbah brez membranskih gorivnih celic, pri katerih se tekoče gorivo (na primer metanol) dovaja v gorivno celico skupaj z oksidantom. Zanimiv je tudi razvit koncept biogorivnih celic, ki delujejo v onesnaženih vodah in porabljajo raztopljeni atmosferski kisik kot oksidant in organske nečistoče kot gorivo.
Po mnenju strokovnjakov bodo gorivne celice na množični trg vstopile v prihodnjih letih. Dejansko razvijalci zmagujejo drug za drugim tehnične težave, poročajo o uspehu in predstavljajo prototip gorivnih celic. Toshiba je na primer pokazala končni prototip metanolske gorivne celice. Velikost je 22x56x4,5 mm in moč približno 100mW. Eno polnjenje 2 kock koncentriranega (99,5%) metanola zadostuje za 20 ur delovanja MP3 predvajalnika. Toshiba je lansirala komercialno gorivno celico za napajanje mobilnih telefonov. Ponovno je ista Toshiba pokazala baterijo za prenosnike dimenzij 275x75x40 mm, ki omogoča računalniku 5 urno delovanje od enega polnjenja.
Še eno japonsko podjetje Fujitsu ne zaostaja za Toshibo. Leta 2004 je predstavila tudi element, ki deluje na 30% vodno raztopino metanola. Ta gorivna celica je 10 ur delovala na enem 300-mililitrskem polnilu in hkrati oddajala 15 vatov moči.
Casio razvija gorivno celico, v kateri se metanol v miniaturnem pretvorniku goriva najprej pretvori v mešanico plinov H2 in CO2 in nato dovede v gorivno celico. Med demonstracijo je prototip Casio prenosnik napajal 20 ur.
Samsung se je proslavil tudi na področju gorivnih celic - leta 2004 je predstavil svoj prototip 12 W, zasnovan za pogon prenosnika. Na splošno Samsung namerava gorivne celice najprej uporabljati v pametnih telefonih četrte generacije.
Moram reči, da so se japonska podjetja na splošno zelo temeljito lotila razvoja gorivnih celic. Leta 2003 so podjetja, kot so Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony in Toshiba, združila moči in razvila en standard za gorivne celice za prenosnike. mobilni telefoni, Dlančniki in druge elektronske naprave. Ameriška podjetja, ki jih je na tem trgu tudi veliko, večinoma delajo po pogodbah z vojsko in razvijajo gorivne celice za elektrifikacijo ameriških vojakov.
Nemci ne zaostajajo veliko - Smart Fuel Cell prodaja gorivne celice za pogon mobilne pisarne. Naprava se imenuje Smart Fuel Cell C25, ima dimenzije 150x112x65mm in lahko z enim dolivanjem goriva dovede do 140 vatnih ur. To zadostuje za napajanje prenosnika približno 7 ur. Potem lahko kartušo zamenjate in lahko nadaljujete z delom. Velikost vložka za metanol je 99x63x27 mm in tehta 150 g. Sam sistem tehta 1,1 kg, zato ga ne morete imenovati povsem prenosnega, a vseeno gre za popolnoma dodelano in priročno napravo. Podjetje razvija tudi modul za gorivo za napajanje profesionalnih video kamer.
Na splošno gorivne celice že praktično vstopajo na trg mobilne elektronike. Pred zagonom množične proizvodnje morajo proizvajalci rešiti še zadnje tehnične težave.
Najprej je treba rešiti vprašanje miniaturizacije gorivnih celic. Konec koncev, manjša kot je gorivna celica, manj moči bo lahko oddala - zato se nenehno razvijajo novi katalizatorji in elektrode, ki omogočajo majhne velikosti delovna površina... To je ravno tam, kjer pride prav najnovejši razvoj na področju nanotehnologije in nanomaterialov (na primer nanocevke). Spet se dosežki mikroelektromehanike vse pogosteje uporabljajo za miniaturizacijo cevovodov elementov (črpalke za gorivo in vodo, hladilni sistemi in pretvorba goriva).
Drugo glavno vprašanje, ki ga je treba obravnavati, so stroški. Navsezadnje se zelo draga platina uporablja kot katalizator v večini gorivnih celic. Spet nekateri proizvajalci poskušajo kar najbolje izkoristiti že uveljavljene silicijeve tehnologije.
Kar zadeva druga področja uporabe gorivnih celic, so se gorivne celice tam že trdno uveljavile, čeprav še niso postale osrednje niti v energetskem sektorju niti v prometu. Že veliko proizvajalcev avtomobilov je predstavilo svoje konceptne avtomobile, ki jih poganjajo gorivne celice. V več mestih po svetu vozijo avtobusi z gorivnimi celicami. Kanadski sistem Ballard Power Systems proizvaja vrsto stacionarnih generatorjev od 1 do 250 kW. Hkrati so kilovatni generatorji namenjeni tako, da eno stanovanje takoj oskrbijo z elektriko, toploto in toplo vodo.
V ZDA je bilo sprejetih več pobud za razvoj vodikovih gorivnih celic, infrastrukture in tehnologije, s katerimi bodo vozila na gorivne celice do leta 2020 postala praktična in gospodarna. Za te namene je bilo namenjenih več kot milijardo dolarjev.
Gorivne celice proizvajajo elektriko tiho in učinkovito, brez onesnaženja okolje... Za razliko od virov energije, ki uporabljajo fosilna goriva, sta stranska produkta gorivnih celic toplota in voda. Kako deluje?
V tem članku bomo na kratko pregledali vsako obstoječo tehnologijo goriva danes, spregovorili o zasnovi in \u200b\u200bdelovanju gorivnih celic ter jih primerjali z drugimi oblikami pridobivanja energije. Razpravljali bomo tudi o nekaterih ovirah, s katerimi se srečujejo raziskovalci pri zagotavljanju praktičnih in cenovno dostopnih gorivnih celic za potrošnike.
Gorivne celice so naprave za elektrokemijsko pretvorbo energije... Gorivna celica pretvori kemikalije, vodik in kisik v vodo v procesu proizvodnje električne energije.
Druga elektrokemična naprava, ki jo vsi poznamo, je baterija. V bateriji so vsi potrebni kemični elementi in te snovi pretvori v elektriko. To pomeni, da baterija sčasoma "umre" in jo bodisi zavržete ali napolnite.
V gorivno celico vanj nenehno pritekajo kemikalije, tako da nikoli ne "umre". Električna energija se bo proizvajala, dokler bo potekal pretok kemikalij v element. Večina gorivnih celic, ki se danes uporabljajo, uporablja vodik in kisik.
Vodik je najbolj razširjen element v naši galaksiji. Vodik pa na Zemlji v svoji osnovni obliki praktično ne obstaja. Inženirji in znanstveniki morajo iz vodikovih spojin, vključno s fosilnimi gorivi ali vodo, pridobivati \u200b\u200bčisti vodik. Za pridobivanje vodika iz teh spojin morate porabiti energijo v obliki toplote ali električne energije.
Izum gorivnih celic
Sir William Grove je leta 1839 izumil prvo gorivno celico. Grove je vedel, da se voda lahko loči na vodik in kisik s prepuščanjem električnega toka skoznjo (postopek, imenovan elektroliza). Predlagal je, da v obratni vrstni red lahko bi dobili elektriko in vodo. Ustvaril je primitivno gorivno celico in jo poimenoval plinska galvanska baterija... Z eksperimentiranjem s svojim novim izumom je Grove dokazal svojo hipotezo. Petdeset let kasneje sta znanstvenika Ludwig Mond in Charles Langer skovala ta izraz gorivne celice pri poskusu oblikovanja praktičnega modela za proizvodnjo električne energije.
Gorivna celica bo tekmovala s številnimi drugimi napravami za pretvorbo energije, vključno s plinskimi turbinami v mestnih elektrarnah in motorji notranje izgorevanje v avtomobilih, pa tudi vse vrste baterij. Motorji z notranjim zgorevanjem, kot so plinske turbine, gorijo različne vrste gorivo in uporabite tlak, ki nastane zaradi raztezanja plinov, za mehansko delo. Baterije po potrebi pretvarjajo kemično energijo v električno. Gorivne celice morajo te naloge opravljati učinkoviteje.
Gorivna celica zagotavlja enosmerno (enosmerno) napetost, ki se lahko uporablja za napajanje električnih motorjev, razsvetljave in drugih električnih naprav.
Obstaja več različni tipi gorivne celice, od katerih vsaka uporablja drugačen kemični postopek. Gorivne celice so običajno razvrščene glede na njihovo delovna temperatura in tipelektrolit,ki jih uporabljajo. Nekatere vrste gorivnih celic so zelo primerne za uporabo v stacionarnih elektrarnah. Drugi so lahko uporabni za majhne prenosne naprave ali za napajanje avtomobilov. Glavne vrste gorivnih celic vključujejo:
Membranska gorivna celica za izmenjavo polimerov (PEMFC)
PEMFC velja za najverjetnejšega kandidata za prometne aplikacije. PEMFC ima tako visoko moč kot tudi razmeroma nizko delovno temperaturo (od 60 do 80 stopinj Celzija). Nizka delovna temperatura pomeni, da se gorivne celice lahko hitro segrejejo in začnejo proizvajati električno energijo.
Trdna oksidna gorivna celica (SOFC)
Te gorivne celice so najbolj primerne za velike, stacionarne generatorje električne energije, ki bi lahko napajali tovarno ali mesto. Ta vrsta gorivnih celic deluje pri zelo visokih temperaturah (700 do 1000 stopinj Celzija). Visoka temperatura je težava v zanesljivosti, ker lahko nekatere gorivne celice po več ciklih vklopa in izklopa odpovedo. Trdne oksidne gorivne celice pa so pri stalnem delovanju zelo stabilne. Pravzaprav so SOFC v določenih pogojih pokazali najdaljšo življenjsko dobo katere koli gorivne celice. Prednost ima tudi visoka temperatura: paro, ki jo ustvarjajo gorivne celice, lahko usmerimo v turbine in proizvedemo več električne energije. Ta postopek se imenuje soproizvodnja toplote in električne energije in izboljša splošno učinkovitost sistema.
Alkalna gorivna celica (AFC)
Je ena najstarejših oblik gorivnih celic, ki se uporabljajo od šestdesetih let prejšnjega stoletja. AFC so zelo dovzetni za kontaminacijo, saj potrebujejo čisti vodik in kisik. Poleg tega so zelo drage, zato malo verjetno, da bi tovrstne gorivne celice dali v množično proizvodnjo.
Staljeno-karbonatna gorivna celica (MCFC)
Tako kot SOFC so tudi te gorivne celice najbolj primerne za velike stacionarne elektrarne in generatorje. Delujejo pri 600 stopinjah Celzija, zato lahko tvorijo paro, ki jo lahko nato uporabimo za ustvarjanje še večje moči. Imajo nižjo delovno temperaturo kot gorivne celice iz trdnega oksida, kar pomeni, da ne potrebujejo takšnih toplotno odpornih materialov. Zaradi tega so nekoliko cenejši.
Gorivne celice iz fosforjeve kisline (PAFC)
Gorivna celica fosforne kislinese lahko uporablja v majhnih stacionarnih elektroenergetskih sistemih. Deluje pri višji temperaturi kot polimerna membranska gorivna celica, zato segrevanje traja dlje, zaradi česar je neprimerno za uporabo v avtomobilih.
Neposredna metanolska gorivna celica (DMFC)
Gorivne celice z metanolom so glede na delovno temperaturo primerljive s PEMFC, vendar ne tako učinkovite. Poleg tega DMFC potrebujejo dokaj veliko platine, da deluje kot katalizator, zaradi česar so te gorivne celice drage.
Gorivna celica z membrano za izmenjavo polimerov
Gorivna celica za polimerno membransko izmenjavo (PEMFC) je ena izmed najbolj obetavne tehnologije gorivne celice. PEMFC uporablja eno najpreprostejših reakcij katere koli gorivne celice. Razmislite, iz česa je sestavljen.
1. IN vozlišče - negativni priključek gorivne celice. Prevaja elektrone, ki se sproščajo iz molekul vodika, nato pa jih lahko uporabimo v zunanjem vezju. Ima vgravirane kanale, po katerih se plin vodik enakomerno porazdeli po površini katalizatorja.
2. TO athode - pozitivni priključek gorivne celice ima tudi kanale za porazdelitev kisika po površini katalizatorja. Elektrone tudi prevaja nazaj iz zunanjega kroga katalizatorja, kjer se lahko kombinirajo z vodikovimi in kisikovimi ioni in tvorijo vodo.
3. Izmenjevalna membrana elektrolit-protoni... To je posebej obdelan material, ki samo prevaja pozitivno nabite ione in blokira elektrone. V PEMFC mora biti membrana vlažna, da lahko pravilno deluje in ostane stabilna.
4. Katalizator Je poseben material, ki pospešuje reakcijo kisika in vodika. Običajno je izdelan iz nanodelcev platine, ki jih na tanko nanesemo na karbonski papir ali tkanino. Katalizator ima tako površinsko strukturo, da je največja površina platine lahko izpostavljena vodiku ali kisiku.
Slika prikazuje plin vodik (H2) pod tlakom v gorivno celico s strani anode. Ko molekula H2 pride v stik s platino na katalizatorju, se razcepi na dva iona H + in dva elektrona. Elektroni prehajajo skozi anodo, kjer se uporabljajo v zunanjem vezju (opravljajo koristna dela, kot je vrtenje motorja) in se vrnejo na katodno stran gorivne celice.
Medtem na katodni strani gorivne celice kisik (O2) iz zraka prehaja skozi katalizator, kjer tvori dva atoma kisika. Vsak od teh atomov ima močan negativni naboj. Ta negativni naboj privlači dva iona H + skozi membrano, kjer se združita z atomom kisika in dvema elektronoma iz zunanjega vezja, da tvorita molekulo vode (H2O).
Ta reakcija v eni gorivni celici povzroči le približno 0,7 voltov. Da bi napetost dvignili na razumno raven, je treba v posamezne gorivne celice združiti veliko posameznih gorivnih celic. Bipolarne plošče se uporabljajo za povezavo ene gorivne celice z drugo in deksidalno oksidacijo. Velik problem bipolarnih plošč je njihova stabilnost. Kovinske bipolarne plošče so lahko korodirane in stranski produkti (ioni železa in kroma) zmanjšajo učinkovitost membran gorivnih celic in elektrod. Zato nizkotemperaturne gorivne celice uporabljajo lahke kovine, grafit in sestavljene spojine ogljika in termoreaktivnega materiala (termoreaktivni material je vrsta plastike, ki ostane trdna tudi, če je izpostavljena visokim temperaturam) v obliki bipolarnega pločevinastega materiala.
Učinkovitost gorivnih celic
Zmanjšanje onesnaževanja je eden glavnih ciljev gorivnih celic. Primerjava avtomobila, ki ga poganja gorivna celica, z avtomobilom, ki ga poganja bencinski motor, in avtomobila, ki ga poganja baterija, vam bo pokazala, kako bi lahko gorivne celice izboljšale učinkovitost avtomobilov.
Ker imajo vsi trije tipi avtomobilov veliko istih sestavnih delov, bomo ta del avtomobila prezrli in izkoristili učinkovitost do točke, ko nastaja mehanska energija. Začnimo z vozilom na gorivne celice.
Če gorivno celico napaja čisti vodik, je njen izkoristek lahko do 80 odstotkov. Tako pretvori 80 odstotkov energijske vsebnosti vodika v električno energijo. Še vedno pa moramo električno energijo pretvoriti v mehansko delo. To dosežemo z električnim motorjem in pretvornikom. Učinkovitost pretvornika motor + je prav tako približno 80-odstotna. To daje skupno učinkovitost približno 80 * 80/100 \u003d 64 odstotkov. Hondino konceptno vozilo FCX naj bi imelo 60-odstotno energetsko učinkovitost.
Če vir goriva ni čisti vodik, bo vozilo potrebovalo tudi reformator. Reformatorji pretvorijo ogljikovodikovo ali alkoholno gorivo v vodik. Ustvarjajo toploto in poleg vodika proizvajajo CO in CO2. Za čiščenje proizvedenega vodika uporabljajo različne naprave, vendar to čiščenje ne zadostuje in zmanjša učinkovitost gorivne celice. Zato so se raziskovalci kljub težavam, povezanim s proizvodnjo in skladiščenjem vodika, odločili, da se bodo osredotočili na gorivne celice za vozila s pogonom na čisti vodik.
Učinkovitost bencinskega motorja in električnega vozila
Učinkovitost avtomobila na bencinski pogon je presenetljivo nizka. Vsa toplota, ki izstopa v izpuhu ali jo radiator absorbira, zapravlja energijo. Motor prav tako porabi veliko energije za napajanje različnih črpalk, ventilatorjev in generatorjev, ki ga poganjajo. Tako je popolna učinkovitost avtomobilizma bencinski motor je približno 20 odstotkov. Tako se le približno 20 odstotkov vsebnosti toplotne energije v bencinu pretvori v mehansko delo.
Električno vozilo na akumulator ima dokaj visoko učinkovitost. Učinkovitost akumulatorja je približno 90 odstotkov (večina baterij ustvarja nekaj toplote ali zahteva ogrevanje), pretvornik motor + in pretvornik pa je približno 80-odstoten. To daje skupno učinkovitost približno 72 odstotkov.
To pa še ni vse. Da bi se električni avtomobil lahko premikal, je treba nekje nekje ustvariti elektriko. Če je šlo za elektrarno, ki je uporabljala postopek izgorevanja fosilnih goriv (namesto jedrske, hidroelektrične, sončne ali vetrne energije), se je le približno 40 odstotkov goriva, ki ga je elektrarna porabila, pretvorilo v električno energijo. Poleg tega postopek polnjenja avtomobila zahteva pretvorbo izmeničnega v enosmerni tok. Ta postopek ima učinkovitost približno 90 odstotkov.
Če zdaj pogledamo celoten cikel, je izkoristek električnega vozila 72 odstotkov za sam avtomobil, 40 odstotkov za elektrarno in 90 odstotkov za polnjenje avtomobila. To daje skupno učinkovitost 26 odstotkov. Splošna učinkovitost se zelo razlikuje, odvisno od elektrarne, s katero se polni baterija. Če električno energijo za avto na primer proizvaja hidroelektrarna, bo izkoristek električnega avtomobila približno 65-odstoten.
Znanstveniki raziskujejo in izboljšujejo zasnove, da bi še naprej izboljševali učinkovitost gorivnih celic. Nov pristop je vključitev vozil na gorivne celice in baterije. Razvija se konceptno vozilo, ki ga poganja hibridni pogonski sklop na gorivne celice. Za napajanje vozila uporablja litijevo baterijo, medtem ko gorivna celica polni baterijo.
Vozila na gorivne celice so potencialno enako učinkovita kot avtomobil na akumulator, ki se polni iz elektrarne, ki ne uporablja fosilnih goriv. Toda doseči ta potencial na praktičen in cenovno ugoden način je lahko težko.
Zakaj uporabljati gorivne celice?
Glavni razlog je vse, kar je povezano z nafto. Amerika mora uvoziti skoraj 60 odstotkov svoje nafte. Do leta 2025 naj bi uvoz narasel na 68%. Američani vsak dan za prevoz porabijo dve tretjini nafte. Tudi če bi bil vsak avto na ulici hibridni avtomobil, bi ZDA do leta 2025 še vedno morale porabiti enako količino nafte, kot so jo Američani porabili leta 2000. Dejansko Amerika porabi četrtino svetovne nafte, čeprav tu živi le 4,6% svetovnega prebivalstva.
Strokovnjaki pričakujejo, da se bodo cene nafte v naslednjih nekaj desetletjih še naprej zviševale, saj se bodo cenejši viri izčrpali. Naftne družbe morajo razviti naftna polja v vedno težjem okolju, kar bo zvišalo cene nafte.
Strahovi segajo daleč preko ekonomske varnosti. Veliko sredstev, prejetih od prodaje nafte, se porabi za vzdrževanje mednarodnega terorizma, radikalnih političnih strank in nestabilnih razmer v regijah, ki proizvajajo nafto.
Uporaba nafte in drugih fosilnih goriv za energijo povzroča onesnaženje. Najbolj primerno je, da vsak najde alternativo - kurjenje fosilnih goriv za energijo.
Gorivne celice so privlačna alternativa odvisnosti od nafte. Namesto onesnaženja gorivne celice proizvajajo čisto vodo kot stranski proizvod. Čeprav so se inženirji začasno osredotočili na pridobivanje vodika iz različnih fosilnih virov, kot je bencin oz zemeljski plin, preučujejo se obnovljivi, okolju prijazni načini pridobivanja vodika v prihodnosti. Najbolj obetaven bo seveda postopek pridobivanja vodika iz vode.
Odvisnost od nafte in globalno segrevanje sta mednarodni problem. Več držav skupaj sodeluje pri razvoju raziskav in razvoja tehnologije gorivnih celic.
Očitno morajo znanstveniki in proizvajalci trdo delati, preden gorivne celice postanejo alternativa sodobni proizvodnji energije. A ob svetovni podpori in globalnem sodelovanju bi bil energetsko učinkovit sistem gorivnih celic v nekaj desetletjih lahko resničen.
Gorivna celica je elektrokemijska naprava za pretvorbo energije, ki kemično pretvarja vodik in kisik v elektriko. Kot rezultat tega procesa nastane voda in nastane velika količina toplote. Gorivna celica je zelo podobna bateriji, ki jo lahko napolnimo in nato porabimo s shranjeno električno energijo.
Za izumitelja gorivne celice velja William R. Grove, ki jo je izumil že leta 1839. V tej gorivni celici je bila raztopina žveplove kisline uporabljena kot elektrolit, vodik pa kot gorivo, ki je bilo v oksidacijskem mediju kombinirano s kisikom. Treba je opozoriti, da so se gorivne celice do nedavnega uporabljale samo v laboratorijih in na vesoljskih plovilih.
V prihodnosti bodo gorivne celice lahko konkurirale številnim drugim sistemom za pretvorbo energije (vključno s plinskimi turbinami v elektrarnah), motorji z notranjim zgorevanjem v avtomobilih in električnimi baterijami v prenosnih napravah. Motorji z notranjim zgorevanjem gorijo gorivo in za izvajanje mehanskih del uporabljajo tlak, ki nastane zaradi širjenja zgorevalnih plinov. Baterije shranjujejo električno energijo in jo pretvarjajo v kemično, ki jo po potrebi lahko pretvorimo nazaj v električno. Gorivne celice so potencialno zelo učinkovite. Leta 1824 je francoski znanstvenik Carnot dokazal, da kompresijsko-ekspanzijski cikli motorja z notranjim zgorevanjem ne morejo zagotoviti učinkovitosti pretvorbe toplotne energije (ki je kemična energija gorečega goriva) v mehansko energijo nad 50%. Gorivna celica nima gibljivih delov (vsaj znotraj same celice) in zato ne upošteva Carnotovega zakona. Seveda bodo imeli več kot 50-odstotno učinkovitost in so še posebej učinkoviti pri majhnih obremenitvah. Tako bodo vozila z gorivnimi celicami postala (in so se izkazala) bolj varčna kot gorivo navadni avtomobili v realnih voznih razmerah.
Gorivna celica ustvarja električni tok konstantna napetost, ki se lahko uporablja za pogon elektromotorja, svetlobnih naprav in drugih električnih sistemov v avtomobilu. Obstaja več vrst gorivnih celic, ki se med seboj razlikujejo kemični procesi... Gorivne celice so običajno razvrščene glede na vrsto elektrolita, ki ga uporabljajo. Nekatere vrste gorivnih celic so obetavne za uporabo kot elektrarne za elektrarne, druge pa so lahko koristne za majhne prenosne naprave ali za vožnjo avtomobilov.
Alkalna gorivna celica je ena najzgodnejših razvitih celic. V ameriškem vesoljskem programu jih uporabljajo že od šestdesetih let prejšnjega stoletja. Takšne gorivne celice so zelo dovzetne za kontaminacijo in zato zahtevajo zelo čist vodik in kisik. Prav tako so zelo drage in zato ta vrsta gorivnih celic verjetno ne bo široko uporabljena v avtomobilih.
Gorivne celice na osnovi fosforne kisline se lahko uporabljajo v stacionarnih napravah z majhno močjo. Delujejo pri dokaj visoki temperaturi in se zato dolgo segrejejo, zaradi česar so tudi neučinkoviti za uporabo v avtomobilih.
Trdne oksidne gorivne celice so bolj primerne za velike, stacionarne generatorje električne energije, ki lahko napajajo tovarne ali skupnosti. Ta vrsta gorivnih celic deluje pri zelo visokih temperaturah (približno 1000 ° C). Visoka delovna temperatura ustvarja določene težave, po drugi strani pa je prednost - paro, ki jo proizvede gorivna celica, lahko pošljemo v turbine, da proizvedemo več električne energije. Na splošno to izboljša splošno učinkovitost sistema.
Eden najbolj obetavnih sistemov je membranska gorivna celica za izmenjavo protonov (PEMFC). Trenutno je ta vrsta gorivnih celic najbolj obetavna, saj lahko poganja avtomobile, avtobuse in druga vozila.
Kemični procesi v gorivni celici
Gorivne celice uporabljajo elektrokemični postopek, ki združuje vodik in kisik iz zraka. Tako kot baterije tudi gorivne celice uporabljajo elektrode (trdne električne vodnike) v elektrolitu (električno prevodnem mediju). Ko molekule vodika pridejo v stik z negativno elektrodo (anodo), se te razdelijo na protone in elektrone. Protoni potujejo skozi protonsko izmenjalno membrano (PEM) do pozitivne elektrode (katode) gorivne celice in proizvajajo električno energijo. Obstaja kemična kombinacija molekul vodika in kisika, ki tvori vodo kot stranski produkt te reakcije. Edina emisija iz gorivne celice je vodna para.
Električna energija, ki jo proizvedejo gorivne celice, se lahko uporabi pri električnem prenosu vozila (sestavljen je iz pretvornika električne energije in asinhroni motor izmenični tok) za pridobivanje mehanske energije za vožnjo vozila. Delo pretvornika moči je pretvorba neposrednega električnega toka, ki ga ustvarjajo gorivne celice, v izmenični tok, na katerem deluje vlečni motor vozila.
Diagram gorivne celice z membrano za izmenjavo protonov:
1 - anoda;
2 - protonska izmenjevalna membrana (PEM);
3 - katalizator (rdeč);
4 - katoda
Membranska gorivna celica za izmenjavo protonov (PEMFC) uporablja eno najpreprostejših reakcij katere koli gorivne celice.
Ločena celica gorivnih celic
Poglejmo, kako deluje gorivna celica. Anoda, negativni pol gorivne celice, prevaja elektrone, ki se sprostijo iz molekul vodika, tako da jih je mogoče uporabiti v zunanjem električnem krogu (vezju). V to so vanj vgravirani kanali, ki vodik enakomerno porazdelijo po celotni površini katalizatorja. Katoda (pozitivni pol gorivne celice) ima vgravirane kanale, ki distribuirajo kisik po površini katalizatorja. Prav tako vodi elektrone od zunanje zanke (vezja) do katalizatorja, kjer se lahko z vodikovimi ioni in kisikom tvorijo voda. Elektrolit je membrana za izmenjavo protonov. Je poseben material, podoben navadni plastiki, vendar z zmožnostjo prehajanja pozitivno nabitih ionov in blokiranja prehoda elektronov.
Katalizator je poseben material, ki olajša reakcijo med kisikom in vodikom. Katalizator je običajno izdelan iz platine v prahu, prevlečene v zelo tanki plasti na ogljikovem papirju ali tkanini. Katalizator mora biti hrapav in porozen, da je njegova površina v največjem možnem stiku z vodikom in kisikom. Platinasto prevlečena stran katalizatorja je pred protonsko izmenjalno membrano (PEM).
Vodikov plin (H 2) se dovaja v gorivno celico pod pritiskom s strani anode. Ko molekula H2 pride v stik s platino na katalizatorju, se razdeli na dva dela, dva iona (H +) in dva elektrona (e–). Elektroni se vodijo skozi anodo, kjer gredo skozi zunanjo zanko (vezje) koristno delo (na primer vožnja z elektromotorjem) in se vrnil s katodne strani gorivne celice.
Medtem se na katodni strani gorivne celice plin s kisikom (O 2) potiska skozi katalizator, kjer tvori dva atoma kisika. Vsak od teh atomov ima močan negativni naboj, ki privlači dva iona H + čez membrano, kjer se združita z atomom kisika in dvema elektronoma iz zunanjega kroga (verige), da tvorita molekulo vode (H 2 O).
Ta reakcija v eni gorivni celici proizvede približno 0,7 vata moči. Za dvig moči na zahtevano raven je treba združiti veliko posameznih gorivnih celic, da tvorijo sklop gorivnih celic.
Gorivne celice na osnovi POM delujejo pri razmeroma nizki temperaturi (približno 80 ° C), kar pomeni, da jih je mogoče hitro segreti na delovno temperaturo in ne zahtevajo dragi sistemi hlajenje. Nenehno izboljševanje tehnologij in materialov, ki se uporabljajo v teh celicah, je njihovo moč približalo ravni, ko lahko baterija takšnih gorivnih celic, ki zaseda majhen del prtljažnika avtomobila, zagotovi energijo, potrebno za vožnjo avtomobila.
V zadnjih letih je večina vodilnih svetovnih proizvajalcev avtomobilov veliko vlagala v oblikovanje vozil z gorivnimi celicami. Mnogi so že pokazali vozila z gorivnimi celicami z zadovoljivo močjo in dinamičnimi zmogljivostmi, čeprav so bila precej draga.
Izboljšanje zasnove takšnih vozil je zelo intenzivno.
Vozilo na gorivne celice uporablja elektrarno, ki se nahaja pod dnom vozila
Avto NECAR V je narejen na osnovi avtomobila Mercedes-Benz razreda A, celotna elektrarna pa se skupaj z gorivnimi celicami nahaja pod tlemi avtomobila. Takšna konstruktivna rešitev omogoča namestitev štirih potnikov in prtljage v avto. Tu se kot gorivo za avto uporablja ne vodik, temveč metanol. Metanol pretvori reformator (naprava, ki pretvori metanol v vodik) v vodik, ki je potreben za pogon gorivne celice. Uporaba reformatorja na vozilu omogoča uporabo skoraj vseh ogljikovodikov kot goriva, kar omogoča polnjenje vozila z gorivnimi celicami z uporabo obstoječe mreže za polnjenje. Teoretično gorivne celice ne proizvajajo nič drugega kot elektriko in vodo. Pretvorba goriva (bencin ali metanol) v vodik, ki je potreben za gorivno celico, nekoliko zmanjša okoljsko privlačnost takega avtomobila.
Honda, ki se z gorivnimi celicami ukvarja od leta 1989, je leta 2003 izdelala majhno serijo honda avtomobili FCX-V4 z membranskimi gorivnimi celicami za izmenjavo protonov podjetja Ballard. Te gorivne celice proizvedejo 78 kW električne energije, medtem ko se za pogon pogonskih koles uporabljajo vlečni motorji s 60 kW in navorom 272 Nm. Vozilo na gorivne celice ima v primerjavi s tradicionalnim avtomobilom približno 40% manjšo maso, kar zagotavlja ima odlično dinamiko, dobava stisnjenega vodika pa omogoča vožnjo do 355 km.
Honda FСX uporablja električno energijo za pogon iz gorivnih celic.
Honda FCX je prvo vozilo na gorivne celice na svetu, ki je prejelo ameriški vladni certifikat. Avto je certificiran v skladu z ZEV - Zero Emission Vehicle (vozilo brez onesnaževanja). Honda teh avtomobilov še ne bo prodala, je pa v najemu približno 30 avtomobilov. Kaliforniji in Tokiu, kjer že obstaja infrastruktura za oskrbo z vodikom.
Konceptni avtomobil General Motors Hy Wire ima pogonski sklop z gorivnimi celicami
General Motors izvaja obsežne raziskave o razvoju in ustvarjanju vozil na gorivne celice.
Podvozje avtomobila Hy Wire
Konceptni avtomobil GM Hy Wire je prejel 26 patentov. Avto temelji na 150 mm debeli funkcionalni platformi. Znotraj platforme so vodikove jeklenke, elektrarna na gorivne celice in sistemi za nadzor vozil, ki jih uporabljajo najnovejšo tehnologijo elektronsko krmiljenje po žici. Podvozje Hy Wire je tanka platforma, ki zajema vse glavne strukturne elemente vozila: rezervoarje za vodik, gorivne celice, baterije, elektromotorje in nadzorne sisteme. Ta pristop k zasnovi omogoča menjavo karoserije med obratovanjem, podjetje pa preizkuša tudi eksperimentalno oplovi avtomobili na gorivne celice in načrtuje obrat za proizvodnjo gorivnih celic.
Zasnova "varnega" rezervoarja za gorivo za utekočinjeni vodik:
1 - polnilna naprava;
2 - zunanji rezervoar;
3 - nosilci;
4 - nivojski senzor;
5 - notranji rezervoar;
6 - polnilna linija;
7 - izolacija in vakuum;
8 - grelec;
9 - pritrdilna škatla
Veliko pozornosti namenjamo problemu uporabe vodika kot goriva za avtomobile podjetje BMW... BMW je skupaj z Magno Steyer, ki je znana po svojem delu na področju uporabe utekočinjenega vodika pri raziskovanju vesolja, razvil rezervoar za utekočinjeni vodikov goriv, \u200b\u200bki ga lahko uporabljamo v avtomobilih.
Testi so potrdili varnost uporabe rezervoarja za tekoči vodik
Podjetje je izvedlo vrsto preizkusov varnosti konstrukcije po standardnih metodah in potrdilo njeno zanesljivost.
Leta 2002 je bil avtomobil predstavljen na avtomobilskem salonu v Frankfurtu (Nemčija) Mini cooper Vodik, ki kot gorivo uporablja utekočinjeni vodik. Rezervoar za gorivo ta avto zavzame enak prostor kot običajna posoda za plin. Vodik v tem avtomobilu se ne uporablja za gorivne celice, temveč kot gorivo za motor z notranjim zgorevanjem.
Prvo serijsko vozilo na svetu z gorivno celico namesto z baterijo
Leta 2003 je BMW napovedal proizvodnjo prvega serijskega vozila z gorivno celico, BMW 750 hL. Namesto tradicionalne baterije se uporablja baterija na gorivne celice. Ta avtomobil ima 12-valjni motor z notranjim zgorevanjem, ki deluje na vodik, gorivna celica pa služi kot alternativa običajni bateriji, ki klimatski napravi in \u200b\u200bdrugim porabnikom električne energije omogoča delovanje, ko je avto dlje časa parkiran z izklopljenim motorjem.
Dolivanje goriva z vodikom opravi robot, voznik pri tem ne sodeluje
Isto podjetje BMW je razvilo tudi robotizirano dozirniki za polnjenjeki zagotavljajo hitro in varno polnjenje avtomobilov z utekočinjenim vodikom.
Širjenje razvoja v zadnjih letih na področju alternativnih goriv in alternativnih pogonskih sistemov kaže, da bodo motorji z notranjim zgorevanjem, ki so v preteklem stoletju prevladovali v avtomobilih, sčasoma dali pot čistejšim in okolju učinkovitejšim. in tihi modeli. Njihove široke razširjenosti trenutno ne omejujejo tehnični, temveč gospodarski in socialni problemi. Za njihovo široko uporabo je treba ustvariti določeno infrastrukturo za razvoj proizvodnje alternativnih goriv, \u200b\u200bustvarjanje in distribucijo novih bencinske črpalke in premagati številne psihološke ovire. Uporaba vodika kot pogonskega goriva bo zahtevala težave pri skladiščenju, dostavi in \u200b\u200bdistribuciji z resnimi varnostnimi ukrepi.
V teoriji je vodik na voljo v neomejenih količinah, vendar je njegova proizvodnja zelo energetsko zahtevna. Poleg tega je za prenos avtomobilov na vodikovo gorivo treba narediti dve veliki spremembi v elektroenergetskem sistemu: najprej prenesti njegovo delovanje iz bencina v metanol in nato nekaj časa v vodik. Preden bo težava odpravljena, bo trajalo nekaj časa.
Gorivna celica ( Gorivna celica) Je naprava, ki pretvarja kemično energijo v električno. Načeloma je podobna običajni bateriji, razlikuje pa se po tem, da za njeno delovanje potrebuje stalno zunanjo dovajanje snovi od zunaj. Gorivne celice se oskrbujejo z vodikom in kisikom, proizvodnja pa je elektrika, voda in toplota. Njihove prednosti vključujejo prijaznost do okolja, zanesljivost, trajnost in enostavnost uporabe. Za razliko od običajnih baterij lahko elektrokemijski pretvorniki delujejo skoraj neomejeno, dokler je dobavljeno gorivo. Pred tem jih ni treba zaračunavati več ur polni naboj... Poleg tega lahko celice same polnijo baterijo, medtem ko je avto parkiran z ugasnjenim motorjem.
V vodikovih vozilih so najpogostejše gorivne celice s protonsko membrano (PEMFC) in gorivne celice iz trdnega oksida (SOFC).
Gorivna celica z membrano za izmenjavo protonov deluje na naslednji način. Med anodo in katodo je posebna membrana in s platino prevlečen katalizator. Na anodo se dovaja vodik, na katodo pa kisik (na primer iz zraka). Na anodi se vodik s katalizatorjem razgradi na protone in elektrone. Vodikovi protoni prehajajo skozi membrano in zadenejo katodo, medtem ko se elektroni sprostijo v zunanji krog (membrana jim ne dovoli, da bi šli skozi). Tako dobljena razlika potenciala vodi do pojava električnega toka. Na strani katode vodikovi protoni oksidirajo s kisikom. Rezultat je vodna para, ki je glavni element izpušni plini avto. Celice PEM z visoko učinkovitostjo imajo eno pomembno pomanjkljivost - za svoje delovanje potrebujejo čisti vodik, katerega shranjevanje je precej resen problem.
Če se najde katalizator, ki v teh celicah nadomešča drago platino, bo takoj ustvarjena poceni gorivna celica za proizvodnjo električne energije, kar pomeni, da se bo svet znebil odvisnosti od nafte.
Trdne oksidne celice
Trdne oksidne celice SOFC so bistveno manj zahtevne glede čistosti goriva. Poleg tega lahko takšne celice zaradi uporabe reformerja POX (delna oksidacija) kot gorivo porabijo običajni bencin. Postopek pretvorbe bencina neposredno v elektriko je naslednji. V posebni napravi - reformatorju pri temperaturi približno 800 ° C bencin izhlapi in razpade v sestavne elemente.
Tako nastaneta vodik in ogljikov dioksid. Nadalje tudi pod vplivom temperature in s pomočjo neposrednega SOFC (sestavljen iz poroznega keramičnega materiala na osnovi cirkonijevega oksida) vodik v zraku oksidira s kisikom. Po pridobivanju vodika iz bencina postopek nadaljuje po zgoraj opisanem scenariju, z samo eno razliko: gorivna celica SOFC je za razliko od naprav, ki delujejo na vodik, manj občutljiva na nečistoče v prvotnem gorivu. Tako kakovost bencina ne bi smela vplivati \u200b\u200bna delovanje gorivne celice.
Visoka delovna temperatura SOFC (650-800 stopinj) je pomembna pomanjkljivost, postopek ogrevanja traja približno 20 minut. Toda odvečna toplota ni problem, saj jo v celoti odstranijo preostali zrak in izpušni plini, ki jih proizvaja reformator in sama gorivna celica. To omogoča, da se SOFC v vozilo vgradi kot samostojna naprava v toplotno izoliranem ohišju.
Modularna struktura omogoča doseganje zahtevane napetosti z vezavo marjetic na niz standardnih celic. In kar je najpomembneje, z vidika izvajanja takšnih naprav SOFC nima zelo dragih elektrod na osnovi platine. Prav visoki stroški teh elementov so ena od ovir pri razvoju in distribuciji tehnologije PEMFC.
Vrste gorivnih celic
Trenutno obstajajo te vrste gorivnih celic:
- AFC - alkalna gorivna celica (alkalna gorivna celica);
- PAFC - gorivna celica fosforne kisline (gorivna celica fosforne kisline);
- PEMFC - gorivna celica z membrano za protonsko izmenjavo (gorivna celica z membrano za izmenjavo protonov);
- DMFC - gorivna celica z neposrednim metanolom (gorivna celica z neposrednim razkrojem metanola);
- MCFC - gorivna celica staljenega karbonata (gorivna celica staljenega karbonata);
- SOFC - Trdna oksidna gorivna celica (trdna oksidna gorivna celica).
Gorivne celice (elektrokemični generatorji) predstavljajo zelo učinkovito, trajno, zanesljivo in okolju prijazno metodo pridobivanja energije. Sprva so jih uporabljali le v vesoljski industriji, danes pa se elektrokemijski generatorji vse pogosteje uporabljajo na različnih področjih: to so napajalniki za mobilne telefone in prenosnike, motorji vozil, avtonomni napajalniki stavb, stacionarne elektrarne. Nekatere od teh naprav delujejo kot laboratorijski prototipi, nekatere se uporabljajo za predstavitvene namene ali so v predprodukcijskih testih. Vendar se številni modeli že uporabljajo v komercialnih projektih in se množično proizvajajo.
Naprava
Gorivne celice so elektrokemijske naprave, ki lahko zagotovijo visoko stopnjo pretvorbe obstoječe kemične energije v električno energijo.
Naprava na gorivnih celicah je sestavljena iz treh glavnih delov:
- Oddelek za proizvodnjo električne energije;
- CPU;
- Napetostni transformator.
Glavni del gorivne celice je odsek za proizvodnjo električne energije, ki je sveženj, sestavljen iz posameznih gorivnih celic. Platinasti katalizator je vključen v strukturo elektrod gorivnih celic. S pomočjo teh celic nastane stalen električni tok.
Ena od teh naprav ima naslednje značilnosti: pri napetosti 155 voltov se odda 1400 amperov. Akumulator meri 0,9 m v širino in višino ter 2,9 m v dolžino. Elektrokemijski postopek v njem poteka pri temperaturi 177 ° C, kar zahteva segrevanje akumulatorja ob zagonu in odstranjevanje toplote med njegovim delovanjem. V ta namen je v gorivno celico vključen ločen vodni krog, baterija pa je opremljena s posebnimi hladilnimi ploščami.
Postopek goriva pretvori zemeljski plin v vodik, ki je potreben za elektrokemično reakcijo. Glavni element predelovalca goriva je reformator. V njej zemeljski plin (ali drugo gorivo, ki vsebuje vodik) pri visokem tlaku in visoki temperaturi (približno 900 ° C) sodeluje z vodno paro pod delovanjem katalizatorja - niklja.
Obstaja gorilnik za vzdrževanje zahtevane temperature reformerja. Para, potrebna za reformiranje, nastaja iz kondenzata. V svežnju gorivnih celic nastane nestabilen enosmerni tok, za pretvorbo pa se uporablja napetostni pretvornik.
Tudi v bloku pretvornika napetosti so:
- Krmilne naprave.
- Vezja varnostne blokade, ki izklopijo gorivno celico ob različnih okvarah.
Načelo delovanja
Najenostavnejši element z membrano za izmenjavo protonov je sestavljen iz polimerne membrane, ki se nahaja med anodo in katodo, pa tudi katode in anodnih katalizatorjev. Polimerna membrana se uporablja kot elektrolit.
- Membrana za izmenjavo protonov je videti kot tanka trdna organska spojina z majhno debelino. Ta membrana deluje kot elektrolit; v prisotnosti vode snov deli na negativne in tudi pozitivno nabite ione.
- Oksidacija se začne na anodi, redukcija pa na katodi. Katoda in anoda v celici PEM sta narejena iz poroznega materiala, je mešanica delcev platine in ogljika. Platina deluje kot katalizator za olajšanje disociacijske reakcije. Katoda in anoda sta porozni, tako da lahko skozi njih prosto prehajata kisik in vodik.
- Anoda in katoda se nahajata med dvema kovinskima ploščama, katodi in anodi dovajata kisik in vodik ter odvajata električno energijo, toploto in vodo.
- Molekule vodika prehajajo skozi kanale na plošči do anode, kjer se molekule razgradijo v atome.
- Kot rezultat kemisorpcije se atomi vodika, ko so izpostavljeni katalizatorju, pretvorijo v pozitivno nabite vodikove ione H +, to je protone.
- Protoni skozi membrano difundirajo na katodo, tok elektronov pa skozi poseben zunanji električni tokokrog odide na katodo. Na to je povezan bremen, torej porabnik električne energije.
- Kisik, ki se dovaja na katodo, ob izpostavitvi vstopi v kemično reakcijo z elektroni iz zunanjega električnega tokokroga in vodikovimi ioni iz membrane za izmenjavo protonov. Ta kemična reakcija proizvaja vodo.
Kemična reakcija, ki se pojavi v drugih vrstah gorivnih celic (na primer s kislim elektrolitom v obliki fosforne kisline H3PO4), je popolnoma enaka reakciji naprave z membrano za izmenjavo protonov.
Vrste
Trenutno je znanih več vrst gorivnih celic, ki se razlikujejo po sestavi uporabljenega elektrolita:
- Gorivne celice na osnovi fosforne ali fosforne kisline (PAFC, gorivne celice fosforne kisline).
- Naprave z membrano za izmenjavo protonov (PEMFC, membranske gorivne celice za izmenjavo protonov).
- Trdne oksidne gorivne celice (SOFC, gorivne celice s trdnim oksidom).
- Elektrokemijski generatorji na osnovi staljenega karbonata (MCFC, gorivne celice iz staljenega karbonata).
Trenutno so elektrokemijski generatorji, ki uporabljajo PAFC tehnologijo, vse bolj razširjeni.
Uporaba
Danes se gorivne celice uporabljajo v vesoljskih plovilih Space Shuttle, ki jih je mogoče večkrat uporabiti. Uporabljajo instalacije z močjo 12 vatov. V vesoljskem plovilu proizvedejo vso elektriko. Voda, ki nastane z elektrokemično reakcijo, se uporablja za pitje, vključno s hladilno opremo.
Elektrokemijski generatorji so bili uporabljeni tudi za pogon sovjetskega Burana, ladje za večkratno uporabo.
Gorivne celice se uporabljajo tudi v civilnem sektorju.
- Stacionarne naprave z zmogljivostjo 5–250 kW in več. Uporabljajo se kot avtonomni viri za oskrbo s toploto in elektriko v industrijskih, javnih in stanovanjskih zgradbah, zasilne in rezervne napajalnike, neprekinjeno napajanje.
- Prenosne enote z zmogljivostjo 1–50 kW. Uporabljajo se za vesoljske satelite in ladje. Ustvarjajo se modeli za vozičke za golf, invalidske vozičke, železniške in tovorne hladilnike, cestne znake.
- Mobilne enote z zmogljivostjo 25–150 kW. Začenjajo se uporabljati v vojnih ladjah in podmornicah, vključno z avtomobili in drugim vozil... Prototipe so že ustvarili avtomobilski velikani, kot so Renault, Neoplan, Toyota, Volkswagen, Hyundai, Nissan, VAZ, General Motors, Honda, Ford in drugi.
- Mikronaprave z močjo 1-500 W. Uporabo najdejo v izkušenih žepnih računalnikih, prenosnikih, gospodinjstvu elektronske naprave, mobilni telefoni, sodobne vojaške naprave.
Lastnosti:
- Del energije kemijske reakcije v vsaki gorivni celici se sprosti kot toplota. Potrebno hlajenje. V zunanjem vezju tok elektronov ustvarja konstanten tok, ki se uporablja za delo. Ustavitev gibanja vodikovih ionov ali odpiranje zunanjega kroga vodi do zaustavitve kemijske reakcije.
- Količina električne energije, ki jo proizvedejo gorivne celice, je odvisna od tlaka plina, temperature, geometrijskih dimenzij in vrste gorivne celice. Za povečanje količine električne energije, ki nastane z reakcijo, lahko velikost gorivnih celic povečamo, vendar se v praksi uporablja več celic, ki so združene v baterije.
- Kemični postopek v nekaterih vrstah gorivnih celic je mogoče obrniti. To pomeni, da se lahko pri uporabi elektrod na potencialno razliko voda razgradi v kisik in vodik, ki se bosta nabirala na poroznih elektrodah. Ko je obremenitev vklopljena, bo taka gorivna celica proizvajala električno energijo.
Perspektive
Trenutno elektrokemijski generatorji, ki se uporabljajo kot glavni vir energije, zahtevajo visoke začetne stroške. Z uvedbo stabilnejših membran z visoko prevodnostjo, učinkovitih in poceni katalizatorjev ter alternativnih virov vodika bodo gorivne celice postale zelo ekonomsko privlačne in bodo uvedene povsod.
- Avtomobili bodo vozili na gorivne celice, v njih sploh ne bo motorja z notranjim zgorevanjem. Kot vir energije se bo uporabljala voda ali trdni vodik. Oskrba z gorivom bo preprosta in varna, vožnja pa okolju prijazna - nastala bo le vodna para.
- Vse stavbe bodo imele lastne prenosne generatorje gorivnih celic.
- Elektrokemični generatorji bodo zamenjali vse baterije in jih boste našli v kateri koli elektroniki in gospodinjskih aparatih.
Prednosti in slabosti
Vsaka vrsta gorivnih celic ima svoje prednosti in slabosti. Nekateri potrebujejo visokokakovostno gorivo, drugi imajo zapleteno strukturo in zahtevajo visoko delovno temperaturo.
Na splošno lahko navedemo naslednje prednosti gorivnih celic:
- varnost okolja;
- elektrokemičnih generatorjev ni treba ponovno polniti;
- elektrokemični generatorji lahko neprestano ustvarjajo energijo, ne skrbijo jih za zunanje razmere;
- prilagodljivost glede obsega in prenosljivosti.
Med slabostmi so:
- tehnične težave s skladiščenjem in prevozom goriva;
- nepopolni elementi naprave: katalizatorji, membrane itd.
