Du vil ikke længere overraske nogen med hverken solpaneler eller vindmøller, som genererer elektricitet i alle regioner i verden. Men outputtet fra disse enheder er ikke konstant, og det er nødvendigt at installere backup-strømkilder eller oprette forbindelse til netværket for at få elektricitet i den periode, hvor vedvarende energikilder ikke genererer elektricitet. Der er dog anlæg udviklet i det 19. århundrede, der bruger "alternative" brændstoffer til at generere elektricitet, det vil sige, at de ikke brænder gas eller petroleumsprodukter. Sådanne installationer er brændselsceller.

SKABELSES HISTORIE

Brændselsceller (FC) eller brændselsceller blev opdaget tilbage i 1838-1839 af William Grove (Grove, Grove), da han studerede elektrolyse af vand.

Hjælp: Elektrolyse af vand er processen med nedbrydning af vand under påvirkning af elektrisk strøm til brint- og oxygenmolekyler

Efter at have afbrudt batteriet fra elektrolysecellen, blev han overrasket over at opdage, at elektroderne begyndte at absorbere den frigjorte gas og generere strøm. Opdagelsen af ​​processen med elektrokemisk "kold" forbrænding af brint var en væsentlig begivenhed i energiindustrien. Han skabte senere Grove-batteriet. Denne enhed havde en platinelektrode nedsænket i salpetersyre og en zinkelektrode i zinksulfat. Den genererede en strøm på 12 ampere og en spænding på 8 volt. Grow selv kaldte dette design "vådt batteri". Han skabte derefter et batteri ved hjælp af to platinelektroder. Den ene ende af hver elektrode var i svovlsyre, og de andre ender var forseglet i beholdere med brint og oxygen. Der var en stabil strøm mellem elektroderne, og mængden af ​​vand inde i beholderne steg. Grow var i stand til at nedbryde og forbedre vandet i denne enhed.

"Batteri vokser"

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

Udtrykket "brændselscelle" (engelsk "brændselscelle") dukkede først op i 1889 af L. Mond og
C. Langer, der forsøgte at skabe en enhed til at generere elektricitet fra luft og kulgas.

HVORDAN DET VIRKER?

En brændselscelle er en forholdsvis simpel enhed. Den har to elektroder: anode (negativ elektrode) og katode (positiv elektrode). Der sker en kemisk reaktion ved elektroderne. For at fremskynde det, er overfladen af ​​elektroderne belagt med en katalysator. FC'er er udstyret med et element mere - membran. Omdannelsen af ​​brændstoffets kemiske energi direkte til elektricitet sker takket være membranens arbejde. Det adskiller de to kamre i elementet, hvori brændstof og oxidationsmiddel tilføres. Membranen tillader kun protoner, som er produceret som et resultat af brændstofspaltning, at passere fra et kammer til et andet ved en elektrode belagt med en katalysator (elektroner bevæger sig derefter gennem et eksternt kredsløb). I det andet kammer kombineres protoner med elektroner (og oxygenatomer) for at danne vand.

Arbejdsprincippet for en brintbrændselscelle

På det kemiske niveau ligner processen med at omdanne brændstofenergi til elektrisk energi den konventionelle forbrændingsproces (oxidation).

Ved normal forbrænding i ilt sker der oxidation af organisk brændsel, og brændslets kemiske energi omdannes til termisk energi. Lad os se, hvad der sker under oxidationen af ​​brint med oxygen i et elektrolytmiljø og i nærvær af elektroder.

Ved at tilføre brint til en elektrode placeret i et alkalisk miljø opstår der en kemisk reaktion:

2H2 + 4OH - → 4H2O + 4e -

Som du kan se, får vi elektroner, der passerer gennem det eksterne kredsløb, når frem til den modsatte elektrode, hvortil ilt strømmer, og hvor reaktionen finder sted:

4e- + O2 + 2H2O → 4OH -

Det kan ses, at den resulterende reaktion 2H 2 + O 2 → H 2 O er den samme som ved normal forbrænding, men Brændselscellen producerer elektrisk strøm og noget varme.

TYPER AF BRÆNDSTOFCELLER

Det er sædvanligt at klassificere brændselsceller efter typen af ​​elektrolyt, der anvendes til reaktionen:

Bemærk, at brændselsceller også kan bruge kul, kulilte, alkoholer, hydrazin og andre organiske stoffer som brændstof og luft, hydrogenperoxid, klor, brom, salpetersyre osv. som oxidationsmidler.

BRÆNDSTOFCELLE EFFEKTIVITET

Et kendetegn ved brændselsceller er ingen streng begrænsning af effektiviteten, ligesom varmemotorer.

Hjælp: EffektivitetCarnot cyklus er den højest mulige effektivitet blandt alle varmemotorer med samme minimums- og maksimumstemperaturer.

Derfor kan effektiviteten af ​​brændselsceller i teorien være højere end 100%. Mange smilede og tænkte: "Den evige bevægelsesmaskine er blevet opfundet." Nej, her skulle vi gå tilbage til skolens kemikursus. Brændselscellen er baseret på omdannelse af kemisk energi til elektrisk energi. Det er her mirakler sker. Visse kemiske reaktioner, som de opstår, kan absorbere varme fra miljøet.

Hjælp: Endoterme reaktioner er kemiske reaktioner ledsaget af absorption af varme. For endoterme reaktioner har ændringer i entalpi og intern energi positive værdier (Δ H >0, Δ U >0), således indeholder reaktionsprodukterne mere energi end udgangskomponenterne.

Et eksempel på en sådan reaktion er oxidationen af ​​brint, som bruges i de fleste brændselsceller. Derfor kan effektiviteten teoretisk set være mere end 100%. Men i dag opvarmes brændselsceller under drift og kan ikke optage varme fra omgivelserne.

Hjælp: Denne begrænsning er pålagt af termodynamikkens anden lov. Processen med varmeoverførsel fra en "kold" krop til en "varm" er ikke mulig.

Plus, der er tab forbundet med ikke-ligevægtsprocesser. Såsom: ohmske tab på grund af elektrolyttens og elektrodernes specifikke ledningsevne, aktivering og koncentrationspolarisering, diffusionstab. Som følge heraf omdannes en del af den energi, der genereres i brændselsceller, til varme. Derfor er brændselsceller ikke evighedsmaskiner, og deres effektivitet er mindre end 100 %. Men deres effektivitet er større end andre maskiners. I dag Brændselscelleeffektivitet når 80 %.

Reference: I fyrrerne tegnede og byggede den engelske ingeniør T. Bacon et batteri af brændselsceller med en samlet effekt på 6 kW og en virkningsgrad på 80 %, kørende på ren brint og ilt, men batteriets kraft-til-vægt-forhold. viste sig at være for små - sådanne elementer var uegnede til praktisk brug og for dyre (kilde: http://www.powerinfo.ru/).

BRÆNDSTOFCELLE PROBLEMER

Næsten alle brændselsceller bruger brint som brændstof, så det logiske spørgsmål opstår: "Hvor kan jeg få det?"

Det ser ud til, at en brændselscelle blev opdaget som følge af elektrolyse, så det er muligt at bruge den brint, der frigives som følge af elektrolyse. Men lad os se på denne proces mere detaljeret.

Ifølge Faradays lov: mængden af ​​et stof, der oxideres ved anoden eller reduceres ved katoden, er proportional med mængden af ​​elektricitet, der passerer gennem elektrolytten. Det betyder, at for at få mere brint, skal du bruge mere strøm. Eksisterende metoder til vandelektrolyse fungerer med en effektivitet på mindre end én. Så bruger vi den resulterende brint i brændselsceller, hvor effektiviteten også er mindre end enhed. Derfor vil vi bruge mere energi, end vi kan producere.

Selvfølgelig kan du bruge brint fremstillet af naturgas. Denne metode til fremstilling af brint er fortsat den billigste og mest populære. I øjeblikket kommer omkring 50 % af den brint, der produceres på verdensplan, fra naturgas. Men der er et problem med at opbevare og transportere brint. Brint har en lav densitet ( en liter brint vejer 0,0846 g), så for at transportere den over lange afstande skal den komprimeres. Og disse er ekstra energi- og pengeomkostninger. Glem heller ikke sikkerheden.

Men her er der også en løsning - flydende kulbrintebrændstof kan bruges som brintkilde. For eksempel ethyl- eller methylalkohol. Sandt nok kræver dette en speciel ekstra enhed - en brændstofkonverter, som ved høje temperaturer (for methanol vil det være omkring 240 ° C) omdanner alkoholer til en blanding af gasformig H 2 og CO 2. Men i dette tilfælde er det allerede sværere at tænke på portabilitet - sådanne enheder er gode at bruge som stationære eller bilgeneratorer, men for kompakt mobilt udstyr har du brug for noget mindre omfangsrigt.

Katalysator

For at øge reaktionen i brændselscellen behandles anodeoverfladen sædvanligvis med en katalysator. Indtil for nylig blev platin brugt som katalysator. Derfor var omkostningerne til brændselscellen høje. For det andet er platin et relativt sjældent metal. Ifølge eksperter, med industriel produktion af brændselsceller, vil beviste reserver af platin løbe ud om 15-20 år. Men videnskabsmænd rundt om i verden forsøger at erstatte platin med andre materialer. Nogle af dem opnåede i øvrigt gode resultater. Så kinesiske videnskabsmænd erstattede platin med calciumoxid (kilde: www.cheburek.net).

BRUG AF BRÆNDSTOFCELLER

Den første brændselscelle inden for bilteknologi blev testet i 1959. Alice-Chambers traktoren brugte 1008 batterier til at fungere. Brændstoffet var en blanding af gasser, hovedsageligt propan og oxygen.

Kilde: http://www.planetseed.com/

Siden midten af ​​60'erne, på højden af ​​"rumkapløbet", blev rumfartøjsskabere interesseret i brændselsceller. Arbejdet fra tusindvis af videnskabsmænd og ingeniører tillod os at nå et nyt niveau, og i 1965. brændselsceller blev testet i USA på rumfartøjet Gemini 5 og senere på rumfartøjet Apollo til flyvninger til Månen og Shuttle-programmet. I USSR blev brændselsceller udviklet på NPO Kvant, også til brug i rummet (kilde: http://www.powerinfo.ru/).

Da det endelige produkt af brintforbrænding i en brændselscelle er vand, anses de for at være de reneste med hensyn til miljøpåvirkning. Derfor begyndte brændselsceller at vinde popularitet på baggrund af generel interesse for miljøet.

Allerede nu har bilproducenter som Honda, Ford, Nissan og Mercedes-Benz skabt biler drevet af brintbrændselsceller.

Mercedes-Benz - Ener-G-Force drevet af brint

Ved brug af brintbiler er problemet med brintlagring løst. Byggeriet af brinttankstationer vil gøre det muligt at tanke hvor som helst. Desuden er det hurtigere at tanke en bil med brint end at lade en elbil på en tankstation. Men da vi implementerede sådanne projekter, stødte vi på et problem svarende til det med elektriske køretøjer. Folk er klar til at skifte til en brintbil, hvis der er infrastruktur til dem. Og opførelsen af ​​tankstationer vil begynde, hvis der er et tilstrækkeligt antal forbrugere. Derfor kom vi igen til dilemmaet med ægget og hønen.

Brændselsceller er meget udbredt i mobiltelefoner og bærbare computere. Den tid er allerede gået, hvor telefonen blev opladet en gang om ugen. Nu oplades telefonen næsten hver dag, og den bærbare computer fungerer i 3-4 timer uden netværk. Derfor besluttede producenter af mobilteknologi at syntetisere en brændselscelle med telefoner og bærbare computere til opladning og drift. For eksempel Toshiba-virksomheden i 2003. demonstreret en færdig prototype af en methanol brændselscelle. Den producerer en effekt på omkring 100 mW. En genopfyldning af 2 terninger koncentreret (99,5%) methanol er nok til 20 timers drift af MP3-afspilleren. Igen demonstrerede den samme Toshiba en celle til strømforsyning til bærbare computere, der måler 275x75x40 mm, så computeren kan fungere i 5 timer på en enkelt opladning.

Men nogle producenter er gået længere. PowerTrekk-firmaet har frigivet en oplader af samme navn. PowerTrekk er verdens første vandoplader. Det er meget nemt at bruge. PowerTrekk kræver tilsætning af vand for at give øjeblikkelig elektricitet via USB-kablet. Denne brændselscelle indeholder siliciumpulver og natriumsilicid (NaSi), når den blandes med vand, danner kombinationen brint. Brint blandes med luft i selve brændselscellen, og det omdanner brint til elektricitet gennem sin membran-protonudveksling, uden ventilatorer eller pumper. Du kan købe sådan en bærbar oplader for 149 € (

Brændselsceller (elektrokemiske generatorer) repræsenterer en meget effektiv, holdbar, pålidelig og miljøvenlig metode til at generere energi. Oprindeligt blev de kun brugt i rumindustrien, men i dag bruges elektrokemiske generatorer i stigende grad på forskellige områder: strømforsyninger til mobiltelefoner og bærbare computere, køretøjsmotorer, autonome strømkilder til bygninger og stationære kraftværker. Nogle af disse enheder fungerer som laboratorieprototyper, mens andre bruges til demonstrationsformål eller er under præproduktionstest. Mange modeller bruges dog allerede i kommercielle projekter og masseproduceres.

Enhed

Brændselsceller er elektrokemiske enheder, der er i stand til at give en høj konverteringshastighed af eksisterende kemisk energi til elektrisk energi.

Brændselscelleenheden omfatter tre hoveddele:

1. Elproduktion sektion;
2. CPU;
3. Spændings transformer.

Hoveddelen af ​​brændselscellen er strømgenereringsdelen, som er et batteri lavet af individuelle brændselsceller. En platinkatalysator er inkluderet i strukturen af ​​brændselscelleelektroderne. Ved hjælp af disse celler skabes en konstant elektrisk strøm.

En af disse enheder har følgende egenskaber: ved en spænding på 155 volt produceres 1400 ampere. Batteridimensionerne er 0,9 m i bredden og højden og 2,9 m i længden. Den elektrokemiske proces i den udføres ved en temperatur på 177 °C, hvilket kræver opvarmning af batteriet på tidspunktet for opstart samt varmefjernelse under dets drift. Til dette formål er et separat vandkredsløb inkluderet i brændselscellen, og batteriet er udstyret med specielle køleplader.

Brændstofprocessen omdanner naturgas til brint, hvilket er nødvendigt for en elektrokemisk reaktion. Hovedelementet i brændstofprocessoren er reformeren. I den interagerer naturgas (eller andet hydrogenholdigt brændstof) ved højt tryk og høj temperatur (ca. 900 ° C) med vanddamp under påvirkning af en nikkelkatalysator.

For at opretholde den nødvendige temperatur på reformeren er der en brænder. Den nødvendige damp til reformering dannes fra kondensatet. En ustabil jævnstrøm genereres i brændselscellebatteriet, og en spændingsomformer bruges til at omdanne det.

Også i spændingsomformerblokken er der:

• Styre enheder.
• Sikkerhedslåsekredsløb, der lukker brændselscellen ned under forskellige fejl.

Driftsprincip

Den enkleste protonudvekslingsmembrancelle består af en polymermembran, der er placeret mellem anode og katode, samt katode- og anodekatalysatorer. Polymermembranen bruges som elektrolyt.

• Protonudvekslingsmembranen ligner en tynd fast organisk forbindelse af lille tykkelse. Denne membran fungerer som en elektrolyt; i nærværelse af vand adskiller den stoffet i negativt og positivt ladede ioner.
• Oxidation begynder ved anoden, og reduktion sker ved katoden. Katoden og anoden i en PEM-celle er lavet af porøst materiale; det er en blanding af platin- og kulstofpartikler. Platin fungerer som en katalysator, som fremmer dissociationsreaktionen. Katoden og anoden er gjort porøse, så ilt og brint passerer frit igennem dem.
• Anoden og katoden er placeret mellem to metalplader, de tilfører ilt og brint til katoden og anoden og fjerner elektrisk energi, varme og vand.
• Gennem kanaler i pladen kommer brintmolekyler ind i anoden, hvor molekylerne nedbrydes til atomer.
• Som et resultat af kemisorption under påvirkning af en katalysator omdannes hydrogenatomer til positivt ladede hydrogenioner H+, det vil sige protoner.
• Protoner diffunderer til katoden gennem membranen, og en strøm af elektroner går til katoden gennem et specielt eksternt elektrisk kredsløb. En belastning er forbundet til den, det vil sige en forbruger af elektrisk energi.
• Ilt, som tilføres katoden, indgår ved eksponering i en kemisk reaktion med elektroner fra det eksterne elektriske kredsløb og brintioner fra protonudvekslingsmembranen. Som et resultat af denne kemiske reaktion opstår der vand.

Den kemiske reaktion, der opstår i andre typer brændselsceller (for eksempel med en sur elektrolyt i form af orthophosphorsyre H3PO4) er fuldstændig identisk med reaktionen af ​​et apparat med en protonudvekslingsmembran.

Slags

I øjeblikket kendes flere typer brændselsceller, som adskiller sig i sammensætningen af ​​den anvendte elektrolyt:

• Brændselsceller baseret på orthophosphorsyre eller phosphorsyre (PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cells).
• Enheder med protonudvekslingsmembran (PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cells).
• Fast oxid brændselsceller (SOFC, Solid Oxide Fuel Cells).
• Elektrokemiske generatorer baseret på smeltet carbonat (MCFC, Molten Carbonate Fuel Cells).

I øjeblikket er elektrokemiske generatorer, der bruger PAFC-teknologi, blevet mere udbredt.

Ansøgning

I dag bruges brændselsceller i rumfærgen, genanvendelige rumfartøjer. De bruger 12 W enheder. De genererer al elektriciteten på rumfartøjet. Vandet, der dannes under den elektrokemiske reaktion, bruges til at drikke, herunder til køleudstyr.

Elektrokemiske generatorer blev også brugt til at drive den sovjetiske Buran, et genanvendeligt rumfartøj.

Brændselsceller bruges også i den civile sektor.

• Stationære installationer med en effekt på 5–250 kW og derover. De bruges som autonome kilder til varme- og strømforsyning til industri-, offentlige og beboelsesbygninger, nød- og backup-strømforsyninger og uafbrydelige strømforsyninger.
• Bærbare enheder med en effekt på 1–50 kW. De bruges til rumsatellitter og skibe. Forekomster er skabt til golfvogne, kørestole, jernbane- og godskøleskabe og vejskilte.
• Mobile installationer med en effekt på 25–150 kW. De begynder at blive brugt i militære skibe og ubåde, inklusive biler og andre køretøjer. Prototyper er allerede blevet skabt af sådanne bilgiganter som Renault, Neoplan, Toyota, Volkswagen, Hyundai, Nissan, VAZ, General Motors, Honda, Ford og andre.
• Mikroenheder med en effekt på 1–500 W. De finder anvendelse i avancerede håndholdte computere, bærbare computere, elektroniske forbrugerenheder, mobiltelefoner og moderne militærenheder.

Ejendommeligheder

• En del af energien fra den kemiske reaktion i hver brændselscelle frigives som varme. Køling påkrævet. I et eksternt kredsløb skaber strømmen af ​​elektroner en jævnstrøm, der bruges til at udføre arbejde. Standsning af hydrogenioners bevægelse eller åbning af det eksterne kredsløb fører til standsning af den kemiske reaktion.
• Mængden af ​​elektricitet, som brændselsceller skaber, bestemmes af gastryk, temperatur, geometriske dimensioner og type brændselscelle. For at øge mængden af ​​elektricitet, der produceres ved reaktionen, kan brændselsceller gøres større, men i praksis bruges flere celler, som kombineres til batterier.
• Den kemiske proces i nogle typer brændselsceller kan vendes. Det vil sige, at når der påføres en potentialforskel på elektroderne, kan vand nedbrydes til ilt og brint, som vil blive opsamlet på de porøse elektroder. Når belastningen er tændt, vil en sådan brændselscelle generere elektrisk energi.

Udsigter

I øjeblikket kræver elektrokemiske generatorer store startomkostninger for at blive brugt som den vigtigste energikilde. Med introduktionen af ​​mere stabile membraner med høj ledningsevne, effektive og billige katalysatorer og alternative kilder til brint, vil brændselsceller blive meget økonomisk attraktive og vil blive implementeret overalt.

• Biler vil køre på brændselsceller, og der vil ikke være nogen forbrændingsmotorer overhovedet. Vand eller brint i fast form vil blive brugt som energikilde. Tankningen bliver enkel og sikker, og kørslen vil være miljøvenlig – der produceres kun vanddamp.
• Alle bygninger vil have deres egne bærbare brændselscellestrømgeneratorer.
• Elektrokemiske generatorer vil erstatte alle batterier og vil blive installeret i enhver elektronik og husholdningsapparater.

Fordele og ulemper

Hver type brændselscelle har sine egne ulemper og fordele. Nogle kræver brændstof af høj kvalitet, andre har et komplekst design og kræver høje driftstemperaturer.

Generelt kan følgende fordele ved brændselsceller bemærkes:

• miljøsikkerhed;
• elektrokemiske generatorer behøver ikke at blive genopladet;
• elektrokemiske generatorer kan skabe energi konstant, de er ligeglade med eksterne forhold;
• fleksibilitet i skala og bærbarhed.

Blandt ulemperne er:

• tekniske vanskeligheder med brændstofopbevaring og -transport;
• ufuldkomne elementer i enheden: katalysatorer, membraner og så videre.

Brændselscelle ( Brændselscelle) er en enhed, der omdanner kemisk energi til elektrisk energi. Det ligner i princippet et konventionelt batteri, men adskiller sig ved, at dets drift kræver en konstant tilførsel af stoffer udefra, for at den elektrokemiske reaktion kan opstå. Brint og ilt tilføres brændselscellerne, og udbyttet er el, vand og varme. Deres fordele omfatter miljøvenlighed, pålidelighed, holdbarhed og nem betjening. I modsætning til konventionelle batterier kan elektrokemiske omformere fungere stort set uendeligt, så længe der tilføres brændstof. De skal ikke oplades i timevis, før de er fuldt opladede. Desuden kan cellerne selv oplade batteriet, mens bilen er parkeret med slukket motor.

De mest udbredte brændselsceller i brintbiler er protonmembranbrændselsceller (PEMFC'er) og fastoxidbrændselsceller (SOFC'er).

En protonudvekslingsmembranbrændselscelle fungerer som følger. Mellem anoden og katoden er der en speciel membran og en platinbelagt katalysator. Brint tilføres anoden, og ilt (f.eks. fra luft) tilføres katoden. Ved anoden nedbrydes brint til protoner og elektroner ved hjælp af en katalysator. Hydrogenprotoner passerer gennem membranen og når katoden, og elektroner overføres til det eksterne kredsløb (membranen tillader dem ikke at passere igennem). Den således opnåede potentialforskel fører til generering af elektrisk strøm. På katodesiden oxideres brintprotoner af oxygen. Som et resultat opstår der vanddamp, som er hovedelementet i biludstødningsgasser. Med høj effektivitet har PEM-celler en væsentlig ulempe - deres drift kræver rent brint, hvis opbevaring er et ret alvorligt problem.

Hvis der findes en sådan katalysator, der erstatter dyrt platin i disse celler, vil der straks blive skabt en billig brændselscelle til at generere elektricitet, hvilket betyder, at verden slipper af med olieafhængigheden.

Faste oxidceller

SOFC-celler med fast oxid stiller meget mindre krav til brændstofrenhed. Derudover kan sådanne celler, takket være brugen af ​​en POX-reformer (Partial Oxidation), forbruge almindelig benzin som brændstof. Processen med at omdanne benzin direkte til elektricitet er som følger. I en speciel enhed - en reformer, ved en temperatur på omkring 800 ° C, fordamper benzin og nedbrydes i dets bestanddele.

Dette frigiver brint og kuldioxid. Yderligere, også under indflydelse af temperatur og ved direkte anvendelse af SOFC (bestående af et porøst keramisk materiale baseret på zirconiumoxid), oxideres hydrogen af ​​oxygen i luften. Efter at have opnået brint fra benzin, fortsætter processen i overensstemmelse med det ovenfor beskrevne scenarie, med kun én forskel: SOFC-brændselscellen er i modsætning til enheder, der arbejder på brint, mindre følsom over for urenheder i det originale brændstof. Så kvaliteten af ​​benzin bør ikke påvirke brændselscellens ydeevne.

Den høje driftstemperatur for SOFC (650-800 grader) er en væsentlig ulempe; opvarmningsprocessen tager omkring 20 minutter. Men overskydende varme er ikke et problem, da den fjernes fuldstændigt af den resterende luft og udstødningsgasser produceret af reformeren og selve brændselscellen. Dette gør det muligt at integrere SOFC-systemet i et køretøj som en separat enhed i et termisk isoleret hus.

Den modulære struktur giver dig mulighed for at opnå den nødvendige spænding ved at forbinde et sæt standardceller i serie. Og, måske vigtigst af hensyn til implementeringen af ​​sådanne enheder, indeholder SOFC ikke meget dyre platinbaserede elektroder. Det er de høje omkostninger ved disse elementer, der er en af ​​forhindringerne i udviklingen og formidlingen af ​​PEMFC-teknologi.

Typer af brændselsceller

I øjeblikket er der følgende typer brændselsceller:

• A.F.C.– Alkaline Fuel Cell (alkalisk brændselscelle);
• PAFC– Fosforsyrebrændselscelle (phosphorsyrebrændselscelle);
• PEMFC– Protonudvekslingsmembranbrændselscelle (brændselscelle med en protonudvekslingsmembran);
• DMFC– Direct Methanol Fuel Cell (brændselscelle med direkte nedbrydning af methanol);
• MCFC– Smeltet Carbonate Fuel Cell (brændselscelle af smeltet carbonat);
• SOFC– Fast oxid brændselscelle (fast oxid brændselscelle).

Fordele ved brændselsceller/celler

En brændselscelle/celle er en enhed, der effektivt producerer jævnstrøm og varme fra brintrigt brændstof gennem en elektrokemisk reaktion.

En brændselscelle ligner et batteri, idet den producerer jævnstrøm gennem en kemisk reaktion. Brændselscellen omfatter en anode, en katode og en elektrolyt. Men i modsætning til batterier kan brændselsceller ikke lagre elektrisk energi og aflades ikke eller kræver elektricitet for at genoplades. Brændselsceller/celler kan kontinuerligt producere strøm, så længe de har tilførsel af brændstof og luft.

I modsætning til andre strømgeneratorer, såsom forbrændingsmotorer eller turbiner drevet af gas, kul, brændselsolie osv., brænder brændselsceller/celler ikke brændstof. Det betyder ingen støjende højtryksrotorer, ingen høj udstødningsstøj, ingen vibrationer. Brændselsceller/celler producerer elektricitet gennem en tavs elektrokemisk reaktion. Et andet træk ved brændselsceller/celler er, at de omdanner brændslets kemiske energi direkte til el, varme og vand.

Brændselsceller er yderst effektive og producerer ikke store mængder drivhusgasser som kuldioxid, metan og lattergas. De eneste emissionsprodukter under drift er vand i form af damp og en lille mængde kuldioxid, som slet ikke frigives, hvis ren brint bruges som brændstof. Brændselselementer/celler samles til samlinger og derefter til individuelle funktionsmoduler.

Historie om udvikling af brændselsceller/celler

I 1950'erne og 1960'erne opstod en af ​​de mest presserende udfordringer for brændselsceller fra National Aeronautics and Space Administrations (NASA) behov for energikilder til langvarige rummissioner. NASAs alkaliske brændselscelle bruger brint og oxygen som brændstof ved at kombinere de to kemiske elementer i en elektrokemisk reaktion. Outputtet er tre nyttige biprodukter af reaktionen under rumflyvning - elektricitet til at drive rumfartøjet, vand til drikke- og kølesystemer og varme til at opvarme astronauterne.

Opdagelsen af ​​brændselsceller går tilbage til begyndelsen af ​​det 19. århundrede. Det første bevis på virkningen af ​​brændselsceller blev opnået i 1838.

I slutningen af ​​1930'erne begyndte arbejdet med brændselsceller med en alkalisk elektrolyt, og i 1939 blev der bygget en celle, der brugte højtryks forniklede elektroder. Under Anden Verdenskrig blev der udviklet brændselsceller/celler til den britiske flådes ubåde og i 1958 blev der introduceret en brændselssamling bestående af alkaliske brændselsceller/celler med en diameter på godt 25 cm.

Interessen steg i 1950'erne og 1960'erne, og også i 1980'erne, hvor den industrielle verden oplevede mangel på oliebrændstoffer. I samme periode blev verdenslande også bekymrede over problemet med luftforurening og overvejede måder at producere elektricitet på på en miljøvenlig måde. Brændselscelleteknologi er i øjeblikket under hastig udvikling.

Driftsprincip for brændselsceller/celler

Brændselsceller/celler producerer elektricitet og varme på grund af en elektrokemisk reaktion, der finder sted ved hjælp af en elektrolyt, en katode og en anode.

Anoden og katoden er adskilt af en elektrolyt, der leder protoner. Efter at brint strømmer til anoden og ilt til katoden, begynder en kemisk reaktion, som et resultat af hvilken elektrisk strøm, varme og vand genereres.

Ved anodekatalysatoren dissocierer molekylært hydrogen og taber elektroner. Hydrogenioner (protoner) ledes gennem elektrolytten til katoden, mens elektroner føres gennem elektrolytten og bevæger sig gennem et eksternt elektrisk kredsløb, hvilket skaber en jævnstrøm, der kan bruges til at drive udstyr. Ved katodekatalysatoren kombineres et oxygenmolekyle med en elektron (som forsynes fra ekstern kommunikation) og en indkommende proton og danner vand, som er det eneste reaktionsprodukt (i form af damp og/eller væske).

Nedenfor er den tilsvarende reaktion:

Reaktion ved anoden: 2H 2 => 4H+ + 4e -
Reaktion ved katoden: O 2 + 4H+ + 4e - => 2H 2 O
Generel reaktion af grundstoffet: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Typer og variation af brændselselementer/celler

Ligesom der findes forskellige typer af forbrændingsmotorer, er der forskellige typer brændselsceller – valget af den rigtige type brændselscelle afhænger af dens anvendelse.

Brændselsceller er opdelt i høj temperatur og lav temperatur. Lavtemperaturbrændselsceller kræver relativt rent brint som brændstof. Dette betyder ofte, at brændstofbehandling er påkrævet for at omdanne det primære brændstof (såsom naturgas) til rent brint. Denne proces bruger ekstra energi og kræver specielt udstyr. Højtemperaturbrændselsceller har ikke brug for denne yderligere procedure, da de kan "internt konvertere" brændstoffet ved forhøjede temperaturer, hvilket betyder, at der ikke er behov for at investere i brintinfrastruktur.

Molten Carbonate Fuel Cells/Cells (MCFC)

Smeltet carbonatelektrolytbrændselsceller er højtemperaturbrændselsceller. Den høje driftstemperatur muliggør direkte brug af naturgas uden brændstofprocessor og brændstofgas med lav brændværdi fra industrielle processer og andre kilder.

Driften af ​​RCFC adskiller sig fra andre brændselsceller. Disse celler bruger en elektrolyt fremstillet af en blanding af smeltede carbonatsalte. I øjeblikket anvendes to typer blandinger: lithiumcarbonat og kaliumcarbonat eller lithiumcarbonat og natriumcarbonat. For at smelte carbonatsalte og opnå en høj grad af ionmobilitet i elektrolytten arbejder brændselsceller med smeltet karbonatelektrolyt ved høje temperaturer (650°C). Effektiviteten varierer mellem 60-80%.

Ved opvarmning til en temperatur på 650°C bliver saltene en leder for carbonationer (CO 3 2-). Disse ioner passerer fra katoden til anoden, hvor de kombineres med brint for at danne vand, kuldioxid og frie elektroner. Disse elektroner sendes gennem et eksternt elektrisk kredsløb tilbage til katoden og genererer elektrisk strøm og varme som et biprodukt.

Reaktion ved anoden: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Reaktion ved katoden: CO 2 + 1/2O 2 + 2e - => CO 3 2-
Generel reaktion af grundstoffet: H 2 (g) + 1/2O 2 (g) + CO 2 (katode) => H 2 O (g) + CO 2 (anode)

De høje driftstemperaturer af smeltet carbonatelektrolytbrændselsceller har visse fordele. Ved høje temperaturer reformeres naturgas internt, hvilket eliminerer behovet for en brændstofprocessor. Derudover inkluderer fordele muligheden for at bruge standard byggematerialer såsom rustfri stålplader og nikkelkatalysator på elektroderne. Spildvarmen kan bruges til at generere højtryksdamp til en række industrielle og kommercielle formål.

Høje reaktionstemperaturer i elektrolytten har også deres fordele. Brugen af ​​høje temperaturer kræver betydelig tid for at opnå optimale driftsforhold, og systemet reagerer langsommere på ændringer i energiforbruget. Disse egenskaber tillader brugen af ​​brændselscelleinstallationer med smeltet carbonatelektrolyt under konstante strømforhold. Høje temperaturer forhindrer kulilte i at beskadige brændselscellen.

Brændselsceller med smeltet karbonatelektrolyt er velegnede til brug i store stationære installationer. Termiske kraftværker med en elektrisk udgangseffekt på 3,0 MW er kommercielt produceret. Installationer med udgangseffekt op til 110 MW er under udvikling.

Fosforsyrebrændselsceller/-celler (PAFC)

Fosforsyre (ortofosforsyre) brændselsceller var de første brændselsceller til kommerciel brug.

Fosforsyre (orthophosphorsyre) brændselsceller anvender en elektrolyt baseret på orthophosphorsyre (H 3 PO 4) med en koncentration på op til 100%. Den ioniske ledningsevne af fosforsyre er lav ved lave temperaturer, af denne grund bruges disse brændselsceller ved temperaturer op til 150-220°C.

Ladningsbæreren i brændselsceller af denne type er brint (H+, proton). En lignende proces sker i brændselsceller med en protonudvekslingsmembran, hvor brint, der tilføres anoden, opdeles i protoner og elektroner. Protoner bevæger sig gennem elektrolytten og kombineres med ilt fra luften ved katoden for at danne vand. Elektronerne sendes gennem et eksternt elektrisk kredsløb og genererer derved en elektrisk strøm. Nedenfor er reaktioner, der genererer elektrisk strøm og varme.

Reaktion ved anoden: 2H 2 => 4H + + 4e -
Reaktion ved katoden: O 2 (g) + 4H + + 4e - => 2 H 2 O
Generel reaktion af grundstoffet: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Effektiviteten af ​​brændselsceller baseret på phosphorsyre (orthophosphorsyre) er mere end 40 %, når de genererer elektrisk energi. Med kombineret produktion af varme og el er den samlede virkningsgrad omkring 85 %. Desuden kan spildvarme, givet driftstemperaturer, bruges til at opvarme vand og generere atmosfærisk trykdamp.

Den høje ydeevne af termiske kraftværker, der anvender brændselsceller baseret på fosforsyre (orthophosphorsyre) i den kombinerede produktion af termisk og elektrisk energi er en af ​​fordelene ved denne type brændselsceller. Enhederne anvender kulilte med en koncentration på omkring 1,5 %, hvilket udvider valget af brændstof betydeligt. Derudover påvirker CO 2 ikke elektrolytten og brændselscellens drift, denne celletype arbejder med reformeret naturligt brændstof. Enkelt design, lav grad af elektrolytflygtighed og øget stabilitet er også fordele ved denne type brændselscelle.

Termiske kraftværker med elektrisk udgangseffekt på op til 500 kW er kommercielt produceret. De 11 MW installationer har bestået de relevante tests. Installationer med udgangseffekt op til 100 MW er under udvikling.

Solid Oxide Fuel Cells (SOFC)

Fastoxidbrændselsceller er brændselscellerne med den højeste driftstemperatur. Driftstemperaturen kan variere fra 600°C til 1000°C, hvilket tillader brug af forskellige typer brændstof uden særlig forbehandling. Til at håndtere så høje temperaturer er den anvendte elektrolyt et tyndt fast metaloxid på en keramisk basis, ofte en legering af yttrium og zirconium, som er en leder af oxygenioner (O2-).

Den faste elektrolyt giver en forseglet overgang af gas fra en elektrode til en anden, mens flydende elektrolytter er placeret i et porøst substrat. Ladningsbæreren i brændselsceller af denne type er oxygenionen (O 2-). Ved katoden adskilles iltmolekyler fra luften i en iltion og fire elektroner. Oxygenioner passerer gennem elektrolytten og kombineres med brint, hvilket skaber fire frie elektroner. Elektronerne sendes gennem et eksternt elektrisk kredsløb, der genererer elektrisk strøm og spildvarme.

Reaktion ved anoden: 2H 2 + 2O 2- => 2H 2 O + 4e -
Reaktion ved katoden: O 2 + 4e - => 2O 2-
Generel reaktion af grundstoffet: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Effektiviteten af ​​den producerede elektriske energi er den højeste af alle brændselsceller - omkring 60-70%. Høje driftstemperaturer tillader kombineret produktion af termisk og elektrisk energi til at generere højtryksdamp. Kombinationen af ​​en højtemperaturbrændselscelle med en turbine gør det muligt at skabe en hybridbrændselscelle for at øge effektiviteten af ​​at generere elektrisk energi med op til 75%.

Fastoxidbrændselsceller fungerer ved meget høje temperaturer (600°C-1000°C), hvilket resulterer i betydelig tid til at opnå optimale driftsforhold og en langsommere systemrespons på ændringer i energiforbruget. Ved så høje driftstemperaturer kræves der ingen konverter for at genvinde brint fra brændstoffet, hvilket gør det muligt for termiske kraftværker at fungere med relativt urene brændstoffer, der stammer fra forgasning af kul eller affaldsgasser osv. Brændselscellen er også fremragende til højeffektapplikationer, herunder industrielle og store centrale kraftværker. Moduler med en elektrisk udgangseffekt på 100 kW er kommercielt produceret.

Direkte Methanol Oxidation Fuel Cells/Cells (DOMFC)

Teknologien med at bruge brændselsceller med direkte methanoloxidation gennemgår en periode med aktiv udvikling. Det har med succes bevist sig selv inden for strømforsyning til mobiltelefoner, bærbare computere samt til at skabe bærbare strømkilder. Det er det, den fremtidige brug af disse elementer sigter mod.

Designet af brændselsceller med direkte oxidation af methanol ligner brændselsceller med en protonbyttermembran (MEPFC), dvs. En polymer bruges som elektrolyt, og en hydrogenion (proton) bruges som ladningsbærer. Flydende methanol (CH 3 OH) oxiderer dog i nærværelse af vand ved anoden, og frigiver CO 2, hydrogenioner og elektroner, som sendes gennem et eksternt elektrisk kredsløb, og derved genererer en elektrisk strøm. Hydrogenioner passerer gennem elektrolytten og reagerer med ilt fra luften og elektroner fra det eksterne kredsløb for at danne vand ved anoden.

Reaktion ved anoden: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Reaktion ved katoden: 3/2O 2 + 6 H + + 6e - => 3H 2 O
Generel reaktion af grundstoffet: CH 3 OH + 3/2O 2 => CO 2 + 2H 2 O

Fordelen ved denne type brændselsceller er deres lille størrelse på grund af brugen af ​​flydende brændstof og fraværet af behovet for at bruge en konverter.

Alkaliske brændselsceller/celler (ALFC)

Alkaliske brændselsceller er en af ​​de mest effektive celler, der bruges til at generere elektricitet, med en elproduktionseffektivitet på op til 70 %.

Alkaliske brændselsceller bruger en elektrolyt, en vandig opløsning af kaliumhydroxid, indeholdt i en porøs, stabiliseret matrix. Kaliumhydroxidkoncentrationen kan variere afhængigt af brændselscellens driftstemperatur, som spænder fra 65°C til 220°C. Ladningsbæreren i SHTE er hydroxylionen (OH -), der bevæger sig fra katoden til anoden, hvor den reagerer med brint og producerer vand og elektroner. Vandet produceret ved anoden bevæger sig tilbage til katoden og genererer igen hydroxylioner der. Som et resultat af denne række af reaktioner, der finder sted i brændselscellen, produceres elektricitet og som et biprodukt varme:

Reaktion ved anoden: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reaktion ved katoden: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4 OH -
Generel reaktion af systemet: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Fordelen ved SHTE er, at disse brændselsceller er de billigste at producere, da katalysatoren på elektroderne kan være et hvilket som helst af de stoffer, der er billigere end dem, der bruges som katalysatorer til andre brændselsceller. SFC'er fungerer ved relativt lave temperaturer og er blandt de mest effektive brændselsceller - sådanne egenskaber kan følgelig bidrage til hurtigere strømproduktion og høj brændstofeffektivitet.

Et af de karakteristiske træk ved SHTE er dets høje følsomhed over for CO 2, som kan være indeholdt i brændstof eller luft. CO 2 reagerer med elektrolytten, forgifter den hurtigt og reducerer brændselscellens effektivitet kraftigt. Derfor er brugen af ​​SHTE begrænset til lukkede rum, såsom rum- og undervandsfartøjer, de skal køre på ren brint og ilt. Desuden er molekyler som CO, H 2 O og CH4, som er sikre for andre brændselsceller, og endda fungerer som brændstof for nogle af dem, skadelige for SHFC.

Polymer Electrolyte Fuel Cells (PEFC)

I tilfælde af polymerelektrolytbrændselsceller består polymermembranen af ​​polymerfibre med vandområder, hvori der er ledning af vandioner H2O+ (proton, rød) hæfter til et vandmolekyle). Vandmolekyler udgør et problem på grund af langsom ionbytning. Derfor kræves der en høj koncentration af vand både i brændstoffet og ved udløbselektroderne, hvilket begrænser driftstemperaturen til 100°C.

Faste sure brændselsceller/celler (SFC)

I faste sure brændselsceller indeholder elektrolytten (CsHSO 4) ikke vand. Driftstemperaturen er derfor 100-300°C. Rotationen af ​​oxyanionerne SO 4 2- tillader protonerne (røde) at bevæge sig som vist på figuren. Typisk er en fast syre brændselscelle en sandwich, hvor et meget tyndt lag af fast syreforbindelse er klemt mellem to elektroder, der er tæt presset sammen for at sikre god kontakt. Når den opvarmes, fordamper den organiske komponent og kommer ud gennem porerne i elektroderne, hvilket bevarer evnen til flere kontakter mellem brændstoffet (eller oxygen i den anden ende af elementet), elektrolytten og elektroderne.

Forskellige brændselscelle moduler. Brændselscelle batteri

1. Brændselscelle batteri
2. Andet udstyr, der arbejder ved høje temperaturer (integreret dampgenerator, forbrændingskammer, varmebalanceskifter)
3. Varmebestandig isolering

Brændselscelle modul

Komparativ analyse af typer og varianter af brændselsceller

Innovative energieffektive kommunale varme- og kraftværker er typisk bygget på fastoxidbrændselsceller (SOFC), polymerelektrolytbrændselsceller (PEFC), phosphorsyrebrændselsceller (PAFC), protonudvekslingsmembranbrændselsceller (PEMFC) og alkaliske brændselsceller ( ALFC). . Har typisk følgende egenskaber:

De bedst egnede bør betragtes som fastoxidbrændselsceller (SOFC), som:

• arbejde ved højere temperaturer, hvilket reducerer behovet for dyre ædelmetaller (såsom platin)
• kan operere på forskellige typer kulbrintebrændstoffer, hovedsageligt naturgas
• har længere opstartstid og er derfor bedre egnet til langsigtet indsats
• demonstrere høj energiproduktionseffektivitet (op til 70 %)
• På grund af høje driftstemperaturer kan enhederne kombineres med varmeoverførselssystemer, hvilket bringer den samlede systemeffektivitet op på 85 %
• har praktisk talt nul emissioner, fungerer lydløst og har lave driftskrav sammenlignet med eksisterende elproduktionsteknologier

Brændselscelle type	Arbejdstemperatur	Effektivitet i elproduktion	Brændstoftype	Anvendelsesområde
RKTE	550-700°C	50-70%		Mellemstore og store installationer
FCTE	100-220°C	35-40%	Ren brint	Store installationer
MOPTE	30-100°C	35-50%	Ren brint	Små installationer
SOFC	450-1000°C	45-70%	De fleste kulbrintebrændstoffer	Små, mellemstore og store installationer
PEMFC	20-90°C	20-30%	methanol	Transportabel
SHTE	50-200°C	40-70%	Ren brint	Rumforskning
PETE	30-100°C	35-50%	Ren brint	Små installationer

Da små termiske kraftværker kan tilsluttes et konventionelt gasforsyningsnetværk, kræver brændselsceller ikke et separat brintforsyningssystem. Ved brug af små termiske kraftværker baseret på fastoxidbrændselsceller kan den genererede varme integreres i varmevekslere for at opvarme vand og ventilationsluft, hvilket øger systemets samlede effektivitet. Denne innovative teknologi er bedst egnet til effektivt at generere elektricitet uden behov for dyr infrastruktur og kompleks instrumentintegration.

Anvendelse af brændselsceller/celler

Anvendelse af brændselsceller/celler i telekommunikationssystemer

På grund af den hurtige udbredelse af trådløse kommunikationssystemer over hele verden, samt de stigende socioøkonomiske fordele ved mobiltelefonteknologi, er behovet for pålidelig og omkostningseffektiv strømbackup blevet kritisk. Tab af elnet gennem året på grund af dårlige vejrforhold, naturkatastrofer eller begrænset netkapacitet udgør en vedvarende udfordring for netoperatørerne.

Traditionelle telekommunikations-strømbackupløsninger omfatter batterier (ventilreguleret bly-syrebattericelle) til kortvarig backupstrøm og diesel- og propangeneratorer til længerevarende backupstrøm. Batterier er en relativt billig kilde til reservestrøm i 1 - 2 timer. Batterier er dog ikke egnede til længerevarende reservestrøm, fordi de er dyre at vedligeholde, bliver upålidelige efter længere tids brug, er følsomme over for temperaturer og er skadelige for miljøet efter bortskaffelse. Diesel- og propangeneratorer kan give langsigtet strømbackup. Generatorer kan dog være upålidelige, kræve arbejdskrævende vedligeholdelse og udsende høje niveauer af forurenende stoffer og drivhusgasser.

For at overvinde begrænsningerne ved traditionelle strømbackupløsninger er innovativ grønne brændselscelleteknologi blevet udviklet. Brændselsceller er pålidelige, støjsvage, indeholder færre bevægelige dele end en generator, har et bredere driftstemperaturområde end et batteri: fra -40°C til +50°C og giver som et resultat ekstremt høje niveauer af energibesparelser. Derudover er levetidsomkostningerne for en sådan installation lavere end for en generator. Lavere brændselscelleomkostninger skyldes kun ét vedligeholdelsesbesøg om året og væsentligt højere anlægsproduktivitet. I sidste ende er brændselscellen en grøn teknologiløsning med minimal miljøbelastning.

Brændselscelleinstallationer giver backup-strøm til kritiske kommunikationsnetværksinfrastrukturer til trådløs, permanent og bredbåndskommunikation i telekommunikationssystemet, der spænder fra 250 W til 15 kW, de tilbyder mange uovertrufne innovative funktioner:

• PÅLIDELIGHED– få bevægelige dele og ingen afladning i standbytilstand
• ENERGIBESPARELSE
• STILHED– lavt støjniveau
• BÆREDYGTIGHED– driftsområde fra -40°C til +50°C
• TILPASNING– installation udendørs og indendørs (container/beskyttelsesbeholder)
• HØJ EFFEKT– op til 15 kW
• LAVT VEDLIGEHOLDELSESKRAV– minimal årlig vedligeholdelse
• ØKONOMISK- attraktive samlede ejeromkostninger
• GRØN ENERGI– lave emissioner med minimal påvirkning af miljøet

Systemet registrerer DC-busspændingen til enhver tid og accepterer jævnt kritiske belastninger, hvis DC-busspændingen falder under et brugerdefineret sætpunkt. Systemet kører på brint, som tilføres brændselscellestablen på en af ​​to måder - enten fra en industriel brintkilde eller fra et flydende brændstof af methanol og vand ved hjælp af et integreret reformeringssystem.

Elektricitet produceres af brændselscellestablen i form af jævnstrøm. DC-effekten overføres til en konverter, som konverterer den uregulerede DC-effekt, der kommer fra brændselscellestablen, til reguleret jævnstrøm af høj kvalitet til de nødvendige belastninger. Brændselscelleinstallationer kan levere reservestrøm i mange dage, da varigheden kun er begrænset af mængden af ​​tilgængeligt brint eller methanol/vand.

Brændselsceller tilbyder overlegne energibesparelser, forbedret systempålidelighed, mere forudsigelig ydeevne i en lang række klimaer og pålidelig driftsholdbarhed sammenlignet med industristandard ventilregulerede bly-syre batteripakker. Levetidsomkostningerne er også lavere på grund af væsentligt lavere vedligeholdelses- og udskiftningskrav. Brændselsceller giver miljømæssige fordele for slutbrugeren, da bortskaffelsesomkostninger og ansvarsrisici forbundet med blysyreceller er en voksende bekymring.

Ydeevnen af ​​elektriske batterier kan blive negativt påvirket af en lang række faktorer såsom ladeniveau, temperatur, cyklus, levetid og andre variabler. Den tilførte energi vil variere afhængigt af disse faktorer og er ikke let at forudsige. Ydeevnen af ​​en protonudvekslingsmembranbrændselscelle (PEMFC) er relativt upåvirket af disse faktorer og kan levere kritisk effekt, så længe der er brændstof til rådighed. Øget forudsigelighed er en vigtig fordel, når man flytter til brændselsceller til missionskritiske backup-strømapplikationer.

Brændselsceller genererer kun strøm, når der tilføres brændstof, svarende til en gasturbinegenerator, men har ingen bevægelige dele i produktionsområdet. Derfor, i modsætning til en generator, er de ikke udsat for hurtigt slid og kræver ikke konstant vedligeholdelse og smøring.

Brændstoffet, der bruges til at drive brændstofkonverteren med forlænget varighed, er en brændstofblanding af methanol og vand. Methanol er et bredt tilgængeligt, kommercielt produceret brændstof, der i øjeblikket har mange anvendelser, herunder forrudevaskere, plastikflasker, motoradditiver og emulsionsmaling, blandt andre. Methanol er let at transportere, kan blandes med vand, har god biologisk nedbrydelighed og indeholder ikke svovl. Den har et lavt frysepunkt (-71°C) og nedbrydes ikke ved langtidsopbevaring.

Anvendelse af brændselsceller/celler i kommunikationsnetværk

Sikre kommunikationsnetværk kræver pålidelige backup-strømløsninger, der kan fungere i timer eller dage i nødsituationer, hvis elnettet ikke længere er tilgængeligt.

Med få bevægelige dele og ingen standby-strømtab tilbyder innovativ brændselscelleteknologi en attraktiv løsning til nuværende backup-strømsystemer.

Det mest overbevisende argument for at bruge brændselscelleteknologi i kommunikationsnetværk er den øgede generelle pålidelighed og sikkerhed. Under hændelser som strømafbrydelser, jordskælv, storme og orkaner er det vigtigt, at systemerne fortsætter med at fungere og forsynes med pålidelig backup-strøm over en længere periode, uanset temperatur eller alder på backup-strømsystemet.

Linjen af ​​brændselscelle-baserede strømenheder er ideelle til at understøtte klassificerede kommunikationsnetværk. Takket være deres energibesparende designprincipper leverer de miljøvenlig, pålidelig backupeffekt med forlænget varighed (op til flere dage) til brug i effektområdet fra 250 W til 15 kW.

Anvendelse af brændselsceller/celler i datanetværk

Pålidelig strømforsyning til datanetværk, såsom højhastighedsdatanetværk og fiberoptiske backbones, er af central betydning i hele verden. De oplysninger, der transmitteres over sådanne netværk, indeholder kritiske data for institutioner som banker, flyselskaber eller lægecentre. Et strømafbrydelse i sådanne netværk udgør ikke kun en fare for den transmitterede information, men fører som regel også til betydelige økonomiske tab. Pålidelige, innovative brændselscelleinstallationer, der giver backup-strømforsyning, giver den pålidelighed, der er nødvendig for at sikre uafbrudt strømforsyning.

Brændselscelleenheder, drevet af en flydende brændstofblanding af methanol og vand, giver pålidelig backup-strøm med længere varighed, op til flere dage. Derudover har disse enheder væsentligt reduceret vedligeholdelseskrav sammenlignet med generatorer og batterier, hvilket kun kræver et vedligeholdelsesbesøg om året.

Typiske applikationsstedkarakteristika til brug af brændselscelleinstallationer i datanetværk:

• Applikationer med strømforbrugsmængder fra 100 W til 15 kW
• Applikationer med krav til batterilevetid > 4 timer
• Repeatere i fiberoptiske systemer (hierarki af synkrone digitale systemer, højhastighedsinternet, voice over IP...)
• Netværksknudepunkter til højhastigheds datatransmission
• WiMAX transmissionsknuder

Brændselscellestrøm backup-installationer tilbyder adskillige fordele for missionskritiske datanetværksinfrastrukturer sammenlignet med traditionelle batteri- eller dieselgeneratorer, hvilket giver mulighed for øgede muligheder for implementering på stedet:

1. Flydende brændstofteknologi løser problemet med brintplacering og giver praktisk talt ubegrænset backup-kraft.
2. Takket være deres støjsvage drift, lave vægt, modstandsdygtighed over for temperaturændringer og praktisk talt vibrationsfri drift kan brændselsceller installeres udenfor bygninger, i industribygninger/containere eller på tage.
3. Forberedelser til brug af systemet på stedet er hurtige og økonomiske, og driftsomkostningerne er lave.
4. Brændstoffet er biologisk nedbrydeligt og giver en miljøvenlig løsning til bymiljøer.

Anvendelse af brændselsceller/celler i sikkerhedssystemer

De mest omhyggeligt designede bygningssikkerheds- og kommunikationssystemer er kun så pålidelige som den strømforsyning, der understøtter dem. Mens de fleste systemer inkluderer en eller anden form for uafbrydelig strøm backup-system til kortsigtede strømtab, imødekommer de ikke de længerevarende strømafbrydelser, der kan opstå efter naturkatastrofer eller terrorangreb. Dette kan være et kritisk problem for mange virksomheder og offentlige myndigheder.

Vitale systemer såsom CCTV adgangsovervågning og kontrolsystemer (ID-kortlæsere, dørlåseanordninger, biometrisk identifikationsteknologi osv.), automatiske brandalarm- og brandslukningssystemer, elevatorkontrolsystemer og telekommunikationsnetværk er i fare, hvis der ikke er en pålidelig, langtidsholdbar alternativ strømforsyning.

Dieselgeneratorer larmer meget, er svære at lokalisere og har velkendte drifts- og vedligeholdelsesproblemer. I modsætning hertil er en brændselscelleinstallation, der giver backup-strøm, støjsvag, pålidelig, producerer nul eller meget lave emissioner og kan nemt installeres på et tag eller uden for en bygning. Den aflader ikke eller mister strøm i standbytilstand. Det sikrer fortsat drift af kritiske systemer, selv efter at anlægget indstiller driften og bygningen er forladt.

Innovative brændselscelleinstallationer beskytter dyre investeringer i kritiske applikationer. De giver miljøvenlig, pålidelig backup-strøm med forlænget varighed (op til mange dage) til brug i effektområdet fra 250 W til 15 kW, kombineret med adskillige uovertrufne funktioner og især høje niveauer af energibesparelser.

Brændselscellestrøm backup-installationer tilbyder adskillige fordele til brug i missionskritiske applikationer såsom sikkerhed og bygningskontrolsystemer i forhold til traditionelle batteridrevne eller dieselgeneratorapplikationer. Flydende brændstofteknologi løser problemet med brintplacering og giver praktisk talt ubegrænset backup-kraft.

Anvendelse af brændselsceller/celler i kommunal opvarmning og elproduktion

Solid oxide fuel cells (SOFC'er) giver pålidelige, energieffektive og emissionsfrie termiske kraftværker til at generere elektricitet og varme fra almindeligt tilgængelige naturgas og vedvarende brændstofkilder. Disse innovative installationer bruges på en række forskellige markeder, fra elproduktion i hjemmet til fjernstrømforsyning samt hjælpestrømforsyninger.

Anvendelse af brændselsceller/celler i distributionsnet

Små termiske kraftværker er designet til at fungere i et distribueret elproduktionsnetværk bestående af et stort antal små generatorsæt i stedet for ét centraliseret kraftværk.

Nedenstående figur viser effektivitetstabet ved elproduktion, når den produceres på et termisk kraftværk og transmitteres til boliger gennem de traditionelle eltransmissionsnet, der er i brug. Effektivitetstab i centraliseret produktion omfatter tab fra kraftværket, lavspændings- og højspændingstransmission og distributionstab.

Figuren viser resultaterne af integrationen af ​​små termiske kraftværker: elektricitet genereres med en produktionseffektivitet på op til 60 % på brugsstedet. Ud over dette kan en husstand bruge den varme, der genereres af brændselscellerne, til at opvarme vand og rum, hvilket øger den samlede effektivitet af brændselsenergibehandlingen og øger energibesparelserne.

Brug af brændselsceller til at beskytte miljøet - udnyttelse af tilhørende petroleumsgas

En af de vigtigste opgaver i olieindustrien er udnyttelsen af ​​tilhørende petroleumsgas. Eksisterende metoder til at udnytte tilhørende petroleumsgas har en masse ulemper, den vigtigste er, at de ikke er økonomisk rentable. Tilknyttet petroleumsgas afbrændes, hvilket forårsager enorm skade på miljøet og menneskers sundhed.

Innovative termiske kraftværker, der anvender brændselsceller, der anvender tilhørende petroleumsgas som brændstof, åbner vejen for en radikal og omkostningseffektiv løsning på problemerne med tilhørende petroleumsgasudnyttelse.

1. En af de vigtigste fordele ved brændselscelleinstallationer er, at de kan fungere pålideligt og stabilt på tilhørende petroleumsgas af variabel sammensætning. På grund af den flammefri kemiske reaktion, der ligger til grund for brændselscellens drift, medfører et fald i procentdelen af ​​f.eks. metan kun et tilsvarende fald i effekt.
2. Fleksibilitet i forhold til forbrugernes elektriske belastning, fald, belastningsstigning.
3. Til installation og tilslutning af termiske kraftværker på brændselsceller kræver deres implementering ikke kapitalomkostninger, fordi Enhederne kan nemt installeres på uforberedte pladser i nærheden af ​​marker, er nemme at bruge, pålidelige og effektive.
4. Høj automatisering og moderne fjernbetjening kræver ikke permanent tilstedeværelse af personale ved installationen.
5. Enkelhed og teknisk perfektion af designet: fraværet af bevægelige dele, friktions- og smøresystemer giver betydelige økonomiske fordele ved driften af ​​brændselscelleinstallationer.
6. Vandforbrug: ingen ved omgivelsestemperaturer op til +30 °C og ubetydelig ved højere temperaturer.
7. Vandudtag: ingen.
8. Hertil kommer, at termiske kraftværker, der bruger brændselsceller, ikke larmer, vibrerer ikke, ikke producerer skadelige emissioner til atmosfæren

Nissan brint brændselscelle

Mobilelektronik forbedres hvert år og bliver mere udbredt og tilgængelig: PDA'er, bærbare computere, mobile og digitale enheder, fotorammer osv. Alle bliver hele tiden opdateret med nye funktioner, større skærme, trådløs kommunikation, stærkere processorer, samtidig med at de bliver mindre i størrelse. . Strømteknologier, i modsætning til halvlederteknologi, udvikler sig ikke med stormskridt.

De eksisterende batterier og akkumulatorer til at drive industriens resultater er ved at blive utilstrækkelige, så spørgsmålet om alternative kilder er meget akut. Brændselsceller er langt det mest lovende område. Princippet for deres drift blev opdaget tilbage i 1839 af William Grove, som genererede elektricitet ved at ændre elektrolyse af vand.

Video: Dokumentar, brændselsceller til transport: fortid, nutid, fremtid

Brændselsceller er interessante for bilfabrikanter, og rumskibsdesignere er også interesserede i dem. I 1965 blev de endda testet af Amerika på Gemini 5-rumfartøjet, der blev opsendt i rummet, og senere på Apollo. Millioner af dollars bliver stadig investeret i brændselscelleforskning i dag, hvor der er problemer forbundet med miljøforurening og stigende udledning af drivhusgasser, der genereres under forbrænding af fossile brændstoffer, hvis reserver heller ikke er uendelige.

En brændselscelle, ofte kaldet en elektrokemisk generator, fungerer på den måde, der er beskrevet nedenfor.

At være, ligesom akkumulatorer og batterier, et galvanisk element, men med den forskel, at de aktive stoffer opbevares i det separat. De leveres til elektroderne efterhånden som de bruges. Naturligt brændstof eller ethvert stof, der er opnået fra det, brænder på den negative elektrode, som kan være gasformigt (brint, for eksempel, og kulilte) eller flydende, som alkoholer. Ilt reagerer normalt ved den positive elektrode.

Men det tilsyneladende simple funktionsprincip er ikke let at omsætte til virkelighed.

DIY brændselscelle

Video: DIY brintbrændselscelle

Desværre har vi ikke billeder af, hvordan dette brændstofelement skal se ud, vi stoler på din fantasi.

Du kan lave en laveffekt brændselscelle med dine egne hænder selv i et skolelaboratorium. Du skal have en gammel gasmaske, flere stykker plexiglas, alkali og en vandig opløsning af ethylalkohol (mere enkelt, vodka), som vil tjene som "brændstof" til brændselscellen.

Først og fremmest skal du have et hus til brændselscellen, som bedst er lavet af plexiglas, mindst fem millimeter tykt. De indvendige skillevægge (der er fem rum indeni) kan gøres lidt tyndere - 3 cm For at lime plexiglas skal du bruge lim af følgende sammensætning: seks gram plexiglasspåner opløses i hundrede gram chloroform eller dichlorethan (arbejdet er udført under en hætte).

Nu skal du bore et hul i ydervæggen, hvor du skal indsætte et glasafløbsrør med en diameter på 5-6 centimeter gennem en gummiprop.

Alle ved, at i det periodiske system er de mest aktive metaller i nederste venstre hjørne, og højaktive metalloider er i øverste højre hjørne af tabellen, dvs. evnen til at donere elektroner stiger fra top til bund og fra højre mod venstre. Grundstoffer, der under visse forhold kan vise sig som metaller eller metalloider, er i midten af ​​bordet.

Nu hælder vi aktivt kul fra gasmasken i det andet og fjerde rum (mellem den første skillevæg og den anden såvel som den tredje og fjerde), som vil fungere som elektroder. For at forhindre kul i at vælte ud gennem hullerne, kan du lægge det i nylonstof (nylonstrømper til kvinder er velegnede). I

Brændstoffet vil cirkulere i det første kammer, og i det femte skal der være en iltleverandør - luft. Der vil være en elektrolyt mellem elektroderne, og for at forhindre den i at lække ind i luftkammeret, skal du gennembløde den med en opløsning af paraffin i benzin (forholdet 2 gram paraffin til et halvt glas benzin) før påfyldning det fjerde kammer med kulstof til luftelektrolytten. På kullaget skal du placere (ved let at trykke) kobberplader, hvortil ledningerne er loddet. Gennem dem vil strømmen blive afledt fra elektroderne.

Tilbage er blot at oplade elementet. Til dette har du brug for vodka, som skal fortyndes med vand 1:1. Tilsæt derefter forsigtigt tre hundrede til tre hundrede og halvtreds gram kaustisk kalium. Til elektrolytten opløses 70 gram kaliumhydroxid i 200 gram vand.

Brændselscellen er klar til test. Nu skal du samtidig hælde brændstof i det første kammer og elektrolyt i det tredje. Et voltmeter tilsluttet elektroderne skal vise fra 07 volt til 0,9. For at sikre kontinuerlig drift af elementet er det nødvendigt at fjerne brugt brændsel (dræne i et glas) og tilføje nyt brændstof (gennem et gummirør). Fremføringshastigheden justeres ved at klemme røret. Sådan ser driften af ​​en brændselscelle ud under laboratorieforhold, hvis effekt er forståeligt nok lav.

Video: Brændselscelle eller evigt batteri derhjemme

For at sikre større magt har forskere arbejdet på dette problem i lang tid. Det aktive stål i udvikling huser methanol- og ethanolbrændselsceller. Men de er desværre endnu ikke blevet ført ud i livet.

Hvorfor brændselscellen er valgt som en alternativ strømkilde

En brændselscelle blev valgt som en alternativ strømkilde, da slutproduktet af brintforbrænding i den er vand. Det eneste problem er at finde en billig og effektiv måde at producere brint på. Enorme midler investeret i udviklingen af ​​brintgeneratorer og brændselsceller kan ikke andet end at bære frugt, så et teknologisk gennembrud og deres reelle brug i hverdagen er kun et spørgsmål om tid.

Allerede i dag er bilindustriens monstre: General Motors, Honda, Draimler Coyler, Ballard demonstrerer busser og biler, der kører på brændselsceller, hvis effekt når op på 50 kW. Men problemerne forbundet med deres sikkerhed, pålidelighed og omkostninger er endnu ikke løst. Som allerede nævnt, i modsætning til traditionelle strømkilder - batterier og akkumulatorer, i dette tilfælde tilføres oxidationsmidlet og brændstoffet udefra, og brændselscellen er kun et mellemled i den igangværende reaktion med at brænde brændstof og omdanne den frigivne energi til elektricitet. "Forbrænding" opstår kun, hvis elementet leverer strøm til belastningen, som en dieselelektrisk generator, men uden en generator og en dieselmotor, og også uden støj, røg og overophedning. Samtidig er effektiviteten meget højere, da der ikke er nogen mellemliggende mekanismer.

Video: Brint brændselscelle bil

Der stilles store forhåbninger til brugen af ​​nanoteknologi og nanomaterialer, som vil hjælpe med at miniaturisere brændselsceller og samtidig øge deres effekt. Der har været rapporter om, at der er blevet skabt ultraeffektive katalysatorer, såvel som designs til brændselsceller, der ikke har membraner. I dem tilføres brændstof (f.eks. methan) til elementet sammen med oxidationsmidlet. Interessante løsninger bruger oxygen opløst i luft som et oxidationsmiddel, og organiske urenheder, der ophobes i forurenet vand, bruges som brændstof. Det er såkaldte biobrændstofelementer.

Brændselsceller kan ifølge eksperter komme ind på massemarkedet i de kommende år.

Brintbrændselsceller omdanner den kemiske energi af brændstof til elektricitet og omgår de ineffektive forbrændingsprocesser og omdannelse af termisk energi til mekanisk energi, som involverer store tab. En brint brændselscelle er elektrokemisk Enheden genererer direkte elektricitet som et resultat af højeffektiv "kold" forbrænding af brændstof. Brint-luft protonudvekslingsmembranbrændselscellen (PEMFC) er en af ​​de mest lovende brændselscelleteknologier.

For otte år siden blev seks flydende dieselpumper opdaget i Vesteuropa; de skal være to hundrede før slutningen. Vi er langt fra de tusindvis af hurtigopladningsterminaler, der klækker ud over det hele for at fremme spredningen af ​​elektrisk fremdrift. Og det er der, hvor gniden gør ondt. Og vi må hellere annoncere grafen.

Batterierne har ikke fået deres sidste ord

Der er mere i det end autonomi, og det er grunden til, at begrænsning af opladningstider bremser brugen af ​​elbiler. Han mindede dog i en note denne måned til sine kunder, at batterier har en begrænsning, begrænset til denne type sonde ved meget høje spændinger. Thomas Brachman får at vide, at der stadig mangler at blive bygget et brintdistributionsnet. Argumentet er, at han fejer sin hånd og husker, at multiplikationen af ​​hurtigopladningsterminaler også er meget dyr på grund af det høje tværsnit af højspændingskobberkabler. "Det er nemmere og billigere at transportere flydende brint med lastbil fra nedgravede tanke i nærheden af ​​produktionssteder."

En protonledende polymermembran adskiller de to elektroder, anode og katode. Hver elektrode er en kulstofplade (matrix) belagt med en katalysator. Ved anodekatalysatoren dissocierer molekylært hydrogen og afgiver elektroner. Brintkationer ledes gennem membranen til katoden, men elektroner tilføres det eksterne kredsløb, da membranen ikke tillader elektroner at passere igennem.

Brint er endnu ikke en ren vektor for elektricitet

Hvad angår prisen på selve batteriet, som er en meget følsom information, er Thomas Brachmann ikke i tvivl om, at den kan reduceres markant i takt med at effektiviteten øges. "Platin er det element, der koster mere." Desværre kommer næsten al brint fra fossile energikilder. Desuden er dihydrogen kun en vektor for energi og ikke en kilde, hvorfra en ikke-ubetydelig del forbruges under dets produktion, dets fortætning og derefter dets omdannelse til elektricitet.

Ved katodekatalysatoren kombineres et oxygenmolekyle med en elektron (som forsynes fra det elektriske kredsløb) og en indkommende proton og danner vand, som er det eneste produkt af reaktionen (i form af damp og/eller væske).

Brintbrændselsceller bruges til at fremstille membran-elektrodeenheder, som er det vigtigste genererende element i energisystemet.

Fremtidens bil opfører sig som en rigtig bil

Batteribalancen er cirka tre gange højere på trods af tab på grund af varme i driverne. Ak, mirakelbilen vil ikke ramme vores veje undtagen som en del af offentlige demonstrationer. Brachmann, der minder os om, at den naturlige stilhed i en elbil forstærker indtrykket af at leve i en støjende verden. På trods af alle vanskelighederne giver styre- og bremsepedalen en naturlig konsistens.

Miniature batteri men forbedret ydeevne

Gadgetten er synlig, den centrale skærm spreder billederne af kameraet placeret i højre spejl, så snart blinklyset aktiveres. De fleste af vores amerikanske kunder efterspørger ikke længere, og det giver os mulighed for at holde priserne nede - retfærdiggør maskinchefen, som tilbyder en lavere takst end. Det er faktisk værd at tale om en brændselscellestak, da der er 358, der arbejder sammen. Hovedbeholderen, med en kapacitet på 117 liter, presses mod bænkens bagvæg, hvilket forhindrer den i at blive foldet, og den anden - 24 liter, er skjult under sædet.

Fordele ved brintbrændselsceller sammenlignet med traditionelle løsninger:

- øget specifik energiintensitet (500 ÷ 1000 Wh/kg),

- udvidet driftstemperaturområde (-40 0 C / +40 0 C),

- fravær af varmeplet, støj og vibrationer,

- pålidelighed ved koldstart,

- praktisk talt ubegrænset energilagringsperiode (ingen selvafladning),

Første totakts brændselscelle

På trods af sin kompakte størrelse omdanner denne nye brændselscelle dihydrogen til elektrisk strøm hurtigere og bedre end sin forgænger. Det leverer ilt til pæleelementerne med en hastighed, der tidligere blev anset for at være uforenelig med deres holdbarhed. Overskydende vand, der tidligere har begrænset strømningshastigheden, evakueres bedst. Som et resultat øges effekten pr. element med det halve, og effektiviteten når 60%.

Dette skyldes tilstedeværelsen af ​​et 1,7 kWh lithium-ion-batteri - placeret under forsæderne, som gør det muligt at levere yderligere strøm under kraftige accelerationer. Eller den forventede autonomi er 460 km, ideelt i overensstemmelse med, hvad producenten hævder.

- evnen til at ændre systemets energiintensitet ved at ændre antallet af brændstofpatroner, hvilket giver næsten ubegrænset autonomi,

Evnen til at levere næsten enhver rimelig energiintensitet i systemet ved at ændre brintlagringskapaciteten,

- høj energiintensitet,

- tolerance over for urenheder i brint,

Men tusinde dele letter luftstrømmen og optimerer kølingen. Endnu mere end sin forgænger viser denne elbil, at brændselscellen er front og center. En stor udfordring for branchen og vores ledere. I mellemtiden er det meget smart, hvem der ved, hvilken brændselscelle eller hvilket batteri der vil råde.

En brændselscelle er en elektrokemisk energiomdannelsesenhed, der kan producere elektricitet i form af jævnstrøm ved at kombinere et brændstof og et oxidationsmiddel i en kemisk reaktion for at producere et affaldsprodukt, typisk et brændstofoxid.

- lang levetid,

- miljøvenlighed og støjsvag drift.

Strømforsyningssystemer baseret på brintbrændselsceller til UAV'er:

Installation af brændselsceller på ubemandede køretøjer i stedet for traditionelle batterier, multiplicerer den flyvevarigheden og nyttelastens vægt, øger flyets pålidelighed, udvider temperaturområdet for UAV-lancering og drift, hvilket reducerer grænsen til -40 0C. Sammenlignet med forbrændingsmotorer er brændselscelle-baserede systemer støjsvage, vibrationsfrie, fungerer ved lave temperaturer, er svære at opdage under flyvning, producerer ikke skadelige emissioner og kan effektivt udføre opgaver fra videoovervågning til levering af nyttelast.

Hver brændselscelle har to elektroder, den ene positiv og den anden negativ, og reaktionen, der producerer elektricitet, sker ved elektroderne i nærværelse af en elektrolyt, som transporterer ladede partikler fra elektrode til elektrode, mens elektroner cirkulerer i eksterne ledninger placeret mellem elektroderne at skabe elektricitet.

Brændselscellen kan generere elektricitet kontinuerligt, så længe den nødvendige strøm af brændstof og oxidationsmiddel opretholdes. Nogle brændselsceller producerer kun få watt, mens andre kan producere flere hundrede kilowatt, mens mindre batterier sandsynligvis findes i bærbare computere og mobiltelefoner, men brændselsceller er for dyre til at blive små generatorer, der bruges til at producere elektricitet til boliger og virksomheder.

Sammensætning af strømforsyningssystemet til UAV'er:

Økonomiske dimensioner af brændselsceller

At bruge brint som brændstof medfører betydelige omkostninger. Af denne grund er brint nu en uøkonomisk kilde, især fordi andre billigere kilder kan anvendes. Brintproduktionsomkostningerne kan variere, da de afspejler omkostningerne ved de ressourcer, hvorfra det udvindes.

Batteribrændstofkilder

Brændselsceller er generelt klassificeret i følgende kategorier: brintbrændselsceller, organiske brændselsceller, metalliske brændselsceller og redoxbatterier. Når brint bruges som brændstofkilde, omdannes kemisk energi til elektricitet under den omvendte hydrolyseproces for kun at producere vand og varme som affald. En brintbrændselscelle er meget lav, men kan være mere eller mindre høj i brintproduktion, især hvis den produceres af fossile brændstoffer.

• - brændselscelle batteri,
• - Li-Po buffer batteri til at dække kortvarige spidsbelastninger,
• - elektronisk kontrolsystem ,
• - brændstofsystem bestående af en cylinder med komprimeret brint eller en fast brintkilde.

Brændstofsystemet bruger højstyrke letvægtscylindre og reduktionsgear for at sikre maksimal forsyning af komprimeret brint om bord. Det er tilladt at bruge forskellige størrelser cylindre (fra 0,5 til 25 liter) med reduktionsgear, der giver det nødvendige brintforbrug.

Brintbatterier er opdelt i to kategorier: lavtemperaturbatterier og højtemperaturbatterier, hvor højtemperaturbatterier også kan bruge fossile brændstoffer direkte. Sidstnævnte består af kulbrinter som olie eller benzin, alkohol eller biomasse.

Andre brændstofkilder i batterier omfatter, men er ikke begrænset til, alkoholer, zink, aluminium, magnesium, ioniske opløsninger og mange kulbrinter. Andre oxidationsmidler indbefatter, men er ikke begrænset til, luft, chlor og chlordioxid. I øjeblikket findes der flere typer brændselsceller.

Karakteristika for strømforsyningssystemet til UAV'er:

Bærbare opladere baseret på brintbrændselsceller:

Bærbare opladere baseret på brintbrændselsceller er kompakte enheder, der i vægt og dimensioner kan sammenlignes med eksisterende batteriopladere, der bruges aktivt i verden.

Den allestedsnærværende bærbare teknologi i den moderne verden skal regelmæssigt genoplades. Traditionelle bærbare systemer er praktisk talt ubrugelige ved lave temperaturer, og efter at have udført deres funktion kræver de også genopladning ved hjælp af (elektriske netværk), hvilket også reducerer deres effektivitet og enhedens autonomi.

Hvert dihydrogenmolekyle optager 2 elektroner. H-ionen bevæger sig fra anoden til katoden og forårsager en elektrisk strøm ved at overføre en elektron. Hvordan kan brændselsceller til fly se ud? I dag udføres der test på fly for at forsøge at flyve dem ved hjælp af et lithium-ion hybrid brændselscellebatteri. Brændselscellens sande fordel ligger i dens lavvægtsintegritet: den er lettere, hvilket hjælper med at reducere flyvægten og dermed brændstofforbruget.

Men indtil videre er det ikke muligt at flyve med et brændselscellefly, fordi det stadig har mange ulemper. Billede af en brændselscelle. Hvad er ulemperne ved en brændselscelle? Først og fremmest, hvis brint var almindeligt, ville det være problematisk at bruge det i store mængder. Det er faktisk ikke kun tilgængeligt på Jorden. Det findes i iltholdigt vand og ammoniak. Derfor er det nødvendigt at elektrolysere vand for at opnå det, og det er endnu ikke en udbredt metode.

Brintbrændselscellesystemer kræver kun udskiftning af en kompakt brændstofpatron, hvorefter enheden straks er klar til brug.

Funktioner af bærbare opladere:

Uafbrydelige strømforsyninger baseret på brintbrændselsceller:

Garanteret strømforsyningssystemer baseret på brintbrændselsceller er designet til at organisere backup strømforsyning og midlertidig strømforsyning. Garanteret strømforsyningssystemer baseret på brintbrændselsceller giver betydelige fordele i forhold til traditionelle løsninger til organisering af midlertidig og backup strømforsyning ved hjælp af batterier og dieselgeneratorer.

Brint er en gas, hvilket gør det svært at indeholde og transportere. En anden risiko forbundet med brugen af ​​brint er risikoen for eksplosion, da det er en brandfarlig gas. det, der leverer batteriet til dets produktion i stor skala, kræver en anden energikilde, det være sig olie, gas eller kul, eller atomenergi, hvilket gør dets miljøbalance betydeligt dårligere end petroleum og gør dynge, platin, et metal, der er endnu sjældnere og dyrere end guld.

Brændselscellen leverer energi ved at oxidere brændstoffet ved anoden og reducere oxidationsmidlet ved katoden. Opdagelsen af ​​brændselscelleprincippet og de første implementeringer i laboratoriet ved hjælp af svovlsyre som elektrolyt er krediteret til kemikeren William Grove.

Karakteristika for det uafbrydelige strømforsyningssystem:

Brændselscelle er en elektrokemisk anordning, der ligner en galvanisk celle, men adskiller sig fra den ved, at stofferne til den elektrokemiske reaktion tilføres den udefra - i modsætning til den begrænsede mængde energi, der er lagret i en galvanisk celle eller batteri.

Faktisk har brændselsceller nogle fordele: dem, der bruger dihydrogen og dioxid, udsender kun vanddamp: det er derfor en ren teknologi. Der findes flere typer brændselsceller, afhængigt af elektrolyttens beskaffenhed, brændstoffets beskaffenhed, direkte eller indirekte oxidation og driftstemperatur.

Følgende tabel opsummerer de vigtigste egenskaber ved disse forskellige enheder. Flere europæiske programmer ser på andre polymerer, såsom polybenzimidazolderivater, som er mere stabile og billigere. Batteriets kompakthed er også en løbende udfordring med membraner i størrelsesordenen 15-50 mikron, porøse carbonanoder og bipolære plader i rustfrit stål. Den forventede levetid kan også forbedres, da spor af kulilte i størrelsesordenen nogle få ppm i brint på den ene side er reelle giftstoffer for katalysatoren, og på den anden side er kontrol med vand i polymeren obligatorisk.

Ris. 1. Nogle brændselsceller

Brændselsceller omdanner brændstofs kemiske energi til elektricitet og omgår ineffektive forbrændingsprocesser, der opstår med store tab. De omdanner brint og ilt til elektricitet gennem en kemisk reaktion. Som et resultat af denne proces dannes der vand, og en stor mængde varme frigives. En brændselscelle minder meget om et batteri, der kan oplades og derefter bruge den lagrede elektriske energi. Opfinderen af ​​brændselscellen anses for at være William R. Grove, som opfandt den tilbage i 1839. Denne brændselscelle brugte en svovlsyreopløsning som elektrolyt og brint som brændstof, som blev kombineret med oxygen i et oxidationsmiddel. Indtil for nylig blev brændselsceller kun brugt i laboratorier og på rumfartøjer.

I modsætning til andre kraftgeneratorer, såsom forbrændingsmotorer eller turbiner drevet af gas, kul, brændselsolie osv., brænder brændselsceller ikke brændstof. Det betyder ingen støjende højtryksrotorer, ingen høj udstødningsstøj, ingen vibrationer. Brændselsceller producerer elektricitet gennem en lydløs elektrokemisk reaktion. Et andet træk ved brændselsceller er, at de omdanner brændstoffets kemiske energi direkte til elektricitet, varme og vand.

Brændselsceller er yderst effektive og producerer ikke store mængder drivhusgasser som kuldioxid, metan og lattergas. De eneste emissioner fra brændselsceller er vand i form af damp og en lille mængde kuldioxid, som slet ikke frigives, hvis ren brint bruges som brændstof. Brændselsceller samles til samlinger og derefter til individuelle funktionsmoduler.

Brændselsceller har ingen bevægelige dele (i hvert fald ikke inde i selve cellen) og adlyder derfor ikke Carnots lov. Det vil sige, at de vil have mere end 50 % effektivitet og er særligt effektive ved lav belastning. Brændselscellekøretøjer kan således blive (og har allerede vist sig at være) mere brændstofeffektive end konventionelle køretøjer under virkelige køreforhold.

Brændselscellen producerer en elektrisk strøm med konstant spænding, der kan bruges til at drive den elektriske motor, belysning og andre elektriske systemer i køretøjet.

Der er flere typer brændselsceller, der adskiller sig i de anvendte kemiske processer. Brændselsceller er normalt klassificeret efter den type elektrolyt, de bruger.

Nogle typer brændselsceller er lovende til kraftværksfremdrift, mens andre er lovende til bærbare enheder eller til at køre biler.

1. Alkaliske brændselsceller (ALFC)

Alkalisk brændselscelle- Dette er et af de allerførste elementer, der er udviklet. Alkaliske brændselsceller (AFC) er en af ​​de mest undersøgte teknologier, brugt siden midten af ​​60'erne af det tyvende århundrede af NASA i Apollo- og Space Shuttle-programmerne. Om bord på disse rumfartøjer producerer brændselsceller elektrisk energi og drikkevand.

Alkaliske brændselsceller er en af ​​de mest effektive celler, der bruges til at generere elektricitet, med en elproduktionseffektivitet på op til 70 %.

Alkaliske brændselsceller bruger en elektrolyt, en vandig opløsning af kaliumhydroxid, indeholdt i en porøs, stabiliseret matrix. Kaliumhydroxidkoncentrationen kan variere afhængigt af brændselscellens driftstemperatur, som spænder fra 65°C til 220°C. Ladningsbæreren i SHTE er hydroxylionen (OH-), der bevæger sig fra katoden til anoden, hvor den reagerer med brint og producerer vand og elektroner. Vandet produceret ved anoden bevæger sig tilbage til katoden og genererer igen hydroxylioner der. Som et resultat af denne række af reaktioner, der finder sted i brændselscellen, produceres elektricitet og som et biprodukt varme:

Reaktion ved anoden: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e

Reaktion ved katoden: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH

Generel reaktion af systemet: 2H2 + O2 => 2H2O

Fordelen ved SHTE er, at disse brændselsceller er de billigste at producere, da den nødvendige katalysator på elektroderne kan være et hvilket som helst af de stoffer, der er billigere end dem, der bruges som katalysatorer til andre brændselsceller. Derudover fungerer SHTE'er ved relativt lave temperaturer og er blandt de mest effektive.

Et af de karakteristiske træk ved SHTE er dets høje følsomhed over for CO2, som kan være indeholdt i brændstof eller luft. CO2 reagerer med elektrolytten, forgifter den hurtigt og reducerer brændselscellens effektivitet kraftigt. Derfor er brugen af ​​SHTE begrænset til lukkede rum, såsom rumfartøjer og undervandsfartøjer; de opererer på ren brint og ilt.

2. Smeltet carbonat brændselsceller (MCFC)

Brændselsceller med smeltet carbonatelektrolyt er højtemperaturbrændselsceller. Den høje driftstemperatur muliggør direkte brug af naturgas uden brændstofprocessor og brændstofgas med lav brændværdi fra industrielle processer og andre kilder. Denne proces blev udviklet i midten af ​​60'erne af det tyvende århundrede. Siden da er produktionsteknologi, ydeevne og pålidelighed blevet forbedret.

Driften af ​​RCFC adskiller sig fra andre brændselsceller. Disse celler bruger en elektrolyt fremstillet af en blanding af smeltede carbonatsalte. I øjeblikket anvendes to typer blandinger: lithiumcarbonat og kaliumcarbonat eller lithiumcarbonat og natriumcarbonat. For at smelte carbonatsalte og opnå en høj grad af ionmobilitet i elektrolytten arbejder brændselsceller med smeltet karbonatelektrolyt ved høje temperaturer (650°C). Effektiviteten varierer mellem 60-80%.

Ved opvarmning til en temperatur på 650°C bliver saltene en leder for carbonationer (CO32-). Disse ioner passerer fra katoden til anoden, hvor de kombineres med brint for at danne vand, kuldioxid og frie elektroner. Disse elektroner sendes gennem et eksternt elektrisk kredsløb tilbage til katoden og genererer elektrisk strøm og varme som et biprodukt.

Reaktion ved anoden: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e

Reaktion ved katoden: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-

Generel reaktion af grundstoffet: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(katode) => H2O(g) + CO2(anode)

De høje driftstemperaturer af smeltet carbonatelektrolytbrændselsceller har visse fordele. Fordelen er muligheden for at bruge standardmaterialer (rustfri stålplader og nikkelkatalysator på elektroderne). Spildvarmen kan bruges til at producere højtryksdamp. Høje reaktionstemperaturer i elektrolytten har også deres fordele. Brugen af ​​høje temperaturer kræver lang tid for at opnå optimale driftsforhold, og systemet reagerer langsommere på ændringer i energiforbruget. Disse egenskaber tillader brugen af ​​brændselscelleinstallationer med smeltet carbonatelektrolyt under konstante strømforhold. Høje temperaturer forhindrer beskadigelse af brændselscellen ved kulilte, "forgiftning" osv.

Brændselsceller med smeltet karbonatelektrolyt er velegnede til brug i store stationære installationer. Termiske kraftværker med en elektrisk udgangseffekt på 2,8 MW er kommercielt produceret. Installationer med udgangseffekt op til 100 MW er under udvikling.

3. Fosforsyrebrændselsceller (PAFC)

Brændselsceller baseret på phosphorsyre (orthophosphorsyre). blev de første brændselsceller til kommerciel brug. Denne proces blev udviklet i midten af ​​60'erne af det tyvende århundrede, test er blevet udført siden 70'erne af det tyvende århundrede. Resultatet var øget stabilitet og ydeevne og reducerede omkostninger.

Fosforsyre (orthophosphorsyre) brændselsceller bruger en elektrolyt baseret på orthophosphorsyre (H3PO4) i koncentrationer op til 100%. Fosforsyrens ionledningsevne er lav ved lave temperaturer, så disse brændselsceller bruges ved temperaturer op til 150-220 °C.

Ladningsbæreren i brændselsceller af denne type er brint (H+, proton). En lignende proces sker i protonudvekslingsmembranbrændselsceller (PEMFC'er), hvor brint, der tilføres anoden, opdeles i protoner og elektroner. Protoner bevæger sig gennem elektrolytten og kombineres med ilt fra luften ved katoden for at danne vand. Elektronerne sendes gennem et eksternt elektrisk kredsløb og genererer derved en elektrisk strøm. Nedenfor er reaktioner, der genererer elektrisk strøm og varme.

Reaktion ved anoden: 2H2 => 4H+ + 4e

Reaktion ved katoden: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O

Generel reaktion af grundstoffet: 2H2 + O2 => 2H2O

Effektiviteten af ​​brændselsceller baseret på phosphorsyre (orthophosphorsyre) er mere end 40 %, når de genererer elektrisk energi. Med kombineret produktion af varme og el er den samlede virkningsgrad omkring 85 %. Desuden kan spildvarme, givet driftstemperaturer, bruges til at opvarme vand og generere atmosfærisk trykdamp.

Den høje ydeevne af termiske kraftværker, der anvender brændselsceller baseret på fosforsyre (orthophosphorsyre) i den kombinerede produktion af termisk og elektrisk energi er en af ​​fordelene ved denne type brændselsceller. Enhederne anvender kulilte med en koncentration på omkring 1,5 %, hvilket udvider valget af brændstof betydeligt. Enkelt design, lav grad af elektrolytflygtighed og øget stabilitet er også fordele ved sådanne brændselsceller.

Termiske kraftværker med elektrisk udgangseffekt på op til 400 kW er kommercielt produceret. Anlæg med en kapacitet på 11 MW har bestået passende test. Installationer med udgangseffekt op til 100 MW er under udvikling.

4. Protonudvekslingsmembranbrændselsceller (PEMFC)

Protonudvekslingsmembranbrændselsceller betragtes som den bedste type brændselsceller til at generere strøm til køretøjer, som kan erstatte benzin- og dieselforbrændingsmotorer. Disse brændselsceller blev først brugt af NASA til Gemini-programmet. Installationer baseret på MOPFC med effekt fra 1 W til 2 kW er udviklet og demonstreret.

Elektrolytten i disse brændselsceller er en solid polymermembran (en tynd film af plastik). Når den er mættet med vand, tillader denne polymer protoner at passere igennem, men leder ikke elektroner.

Brændstoffet er brint, og ladningsbæreren er en hydrogenion (proton). Ved anoden opdeles brintmolekylet i en brintion (proton) og elektroner. Hydrogenioner passerer gennem elektrolytten til katoden, og elektroner bevæger sig rundt i den ydre cirkel og producerer elektrisk energi. Ilt, som tages fra luften, tilføres katoden og kombineres med elektroner og brintioner for at danne vand. Følgende reaktioner sker ved elektroderne: Reaktion ved anoden: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4eReaktion ved katoden: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH Samlet cellereaktion: 2H2 + O2 => 2H2O Sammenlignet med andre typer af brændselsceller producerer brændselsceller med en protonudvekslingsmembran mere energi til en given volumen eller vægt af brændselscellen. Denne funktion giver dem mulighed for at være kompakte og lette. Derudover er driftstemperaturen mindre end 100°C, hvilket giver dig mulighed for hurtigt at starte driften. Disse egenskaber, såvel som evnen til hurtigt at ændre energiproduktionen, er blot nogle få, der gør disse brændselsceller til en førsteklasses kandidat til brug i køretøjer.

En anden fordel er, at elektrolytten er et fast stof snarere end en væske. Det er lettere at tilbageholde gasser ved katoden og anoden ved hjælp af en fast elektrolyt, så sådanne brændselsceller er billigere at producere. Med en fast elektrolyt er der ingen orienteringsproblemer og færre korrosionsproblemer, hvilket øger cellens og dens komponenters levetid.

5. Fast oxid brændselsceller (SOFC)

Fast oxid brændselsceller er brændselscellerne med den højeste driftstemperatur. Driftstemperaturen kan variere fra 600°C til 1000°C, hvilket tillader brug af forskellige typer brændstof uden særlig forbehandling. Til at håndtere så høje temperaturer er den anvendte elektrolyt et tyndt fast metaloxid på en keramisk basis, ofte en legering af yttrium og zirconium, som er en leder af oxygenioner (O2-). Teknologien til at bruge fastoxidbrændselsceller har udviklet sig siden slutningen af ​​50'erne af det tyvende århundrede og har to konfigurationer: plane og rørformede.

Den faste elektrolyt giver en forseglet overgang af gas fra en elektrode til en anden, mens flydende elektrolytter er placeret i et porøst substrat. Ladningsbæreren i brændselsceller af denne type er oxygenionen (O2-). Ved katoden adskilles iltmolekyler fra luften i en iltion og fire elektroner. Oxygenioner passerer gennem elektrolytten og kombineres med brint, hvilket skaber fire frie elektroner. Elektronerne sendes gennem et eksternt elektrisk kredsløb, der genererer elektrisk strøm og spildvarme.

Reaktion ved anoden: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e

Reaktion ved katoden: O2 + 4e- => 2O2-

Generel reaktion af grundstoffet: 2H2 + O2 => 2H2O

Effektiviteten af ​​elektrisk energiproduktion er den højeste af alle brændselsceller - omkring 60%. Derudover giver høje driftstemperaturer mulighed for kombineret produktion af termisk og elektrisk energi til at generere højtryksdamp. Kombinationen af ​​en højtemperaturbrændselscelle med en turbine gør det muligt at skabe en hybridbrændselscelle for at øge effektiviteten af ​​generering af elektrisk energi med op til 70%.

Fastoxidbrændselsceller fungerer ved meget høje temperaturer (600°C-1000°C), hvilket resulterer i betydelig tid, der kræves for at opnå optimale driftsforhold og en langsommere systemrespons på ændringer i energiforbruget. Ved så høje driftstemperaturer kræves der ingen konverter for at genvinde brint fra brændstoffet, hvilket gør det muligt for termiske kraftværker at fungere med relativt urene brændstoffer, der stammer fra forgasning af kul eller affaldsgasser osv. Brændselscellen er også fremragende til højeffektapplikationer, herunder industrielle og store centrale kraftværker. Moduler med en elektrisk udgangseffekt på 100 kW er kommercielt produceret.

6. Direkte methanoloxidationsbrændselsceller (DOMFC)

Direkte methanol oxidation brændselsceller De bruges med succes inden for strømforsyning til mobiltelefoner, bærbare computere samt til at skabe bærbare strømkilder, hvilket er, hvad den fremtidige brug af sådanne elementer er rettet mod.

Designet af brændselsceller med direkte oxidation af methanol ligner designet af brændselsceller med en protonbyttermembran (MEPFC), dvs. En polymer bruges som elektrolyt, og en hydrogenion (proton) bruges som ladningsbærer. Men flydende methanol (CH3OH) oxiderer i nærværelse af vand ved anoden og frigiver CO2, hydrogenioner og elektroner, som sendes gennem et eksternt elektrisk kredsløb, og derved genererer en elektrisk strøm. Hydrogenioner passerer gennem elektrolytten og reagerer med ilt fra luften og elektroner fra det eksterne kredsløb for at danne vand ved anoden.

Reaktion ved anoden: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6eReaktion ved katoden: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O Generel reaktion af grundstoffet: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O Udviklingen af ​​f.eks. brændselsceller er blevet udført siden begyndelsen af ​​90'erne af det tyvende århundrede, og deres specifikke kraft og effektivitet blev øget til 40%.

Disse elementer blev testet i temperaturområdet 50-120°C. På grund af deres lave driftstemperaturer og fraværet af behovet for en konverter, er sådanne brændselsceller en førsteklasses kandidat til brug i mobiltelefoner og andre forbrugerprodukter såvel som i bilmotorer. Deres fordel er også deres lille størrelse.

7. Polymerelektrolytbrændselsceller (PEFC)

I tilfælde af polymerelektrolytbrændselsceller består polymermembranen af ​​polymerfibre med vandområder, hvor ledningsvandioner H2O+ (proton, rød) binder sig til et vandmolekyle. Vandmolekyler udgør et problem på grund af langsom ionbytning. Derfor kræves der en høj koncentration af vand både i brændstoffet og ved udløbselektroderne, hvilket begrænser driftstemperaturen til 100°C.

8. Faste sure brændselsceller (SFC)

I faste sure brændselsceller indeholder elektrolytten (CsHSO4) ikke vand. Driftstemperaturen er derfor 100-300°C. Rotationen af ​​SO42 oxyanionerne gør det muligt for protonerne (røde) at bevæge sig som vist på figuren. Typisk er en fast syre brændselscelle en sandwich, hvor et meget tyndt lag af fast syreforbindelse er klemt mellem to elektroder, der er tæt presset sammen for at sikre god kontakt. Når den opvarmes, fordamper den organiske komponent og kommer ud gennem porerne i elektroderne, hvilket bevarer evnen til flere kontakter mellem brændstoffet (eller oxygen i den anden ende af elementet), elektrolytten og elektroderne.

9. Sammenligning af brændselscellers vigtigste egenskaber

Karakteristika for brændselsceller

Brændselscelle type	Driftstemperatur	Effektivitet i elproduktion	Brændstoftype	Anvendelsesområde
				Mellemstore og store installationer
			Ren brint	installationer
			Ren brint	Små installationer
			De fleste kulbrintebrændstoffer	Små, mellemstore og store installationer
				Transportabel installationer
			Ren brint	Plads forsket
			Ren brint	Små installationer

10. Brug af brændselsceller i biler

I lyset af de seneste begivenheder relateret til overophedning, brande og endda eksplosioner af bærbare computere på grund af lithium-ion-batteriers fejl, kan man ikke undgå at huske nye alternative teknologier, som ifølge de fleste eksperter i fremtiden vil kunne supplere eller erstatte nutidens traditionelle genopladelige batterier. Vi taler om nye strømkilder – brændselsceller.

Ifølge en empirisk lov formuleret for 40 år siden af ​​en af ​​grundlæggerne af Intel, Gordon Moore, fordobles processorydelsen hver 18. måned. Batterier kan ikke følge med chips. Deres kapacitet stiger ifølge eksperter kun med 10% om året.

Brændselscellen fungerer på basis af en cellulær (porøs) membran, der adskiller brændselscellens anode- og katoderum. Denne membran er belagt på begge sider med passende katalysatorer. Brændstof tilføres anoden, i dette tilfælde anvendes en methanolopløsning (methylalkohol). Som et resultat af den kemiske reaktion ved brændstofnedbrydning dannes der frie ladninger, der trænger gennem membranen til katoden. Det elektriske kredsløb er således lukket, og der dannes en elektrisk strøm i det for at drive enheden. Denne type brændselscelle kaldes Direct Methanol Fuel Cell (DMFC). Udviklingen af ​​brændselsceller begyndte for længe siden, men de første resultater, som gav anledning til at tale om reel konkurrence med lithium-ion-batterier, blev først opnået i de sidste to år.

I 2004 var der omkring 35 producenter på markedet for sådanne enheder, men kun få virksomheder var i stand til at erklære betydelig succes på dette område. I januar præsenterede Fujitsu sin udvikling – batteriet havde en tykkelse på 15 mm og indeholdt 300 mg af en 30 procent methanolopløsning. En effekt på 15 W gjorde det muligt at drive den bærbare computer i 8 timer. En måned senere var en lille virksomhed, PolyFuel, den første til at annoncere lanceringen af ​​kommerciel produktion af netop de membraner, der skulle udstyres med brændstofstrømforsyninger. Og allerede i marts demonstrerede Toshiba en prototype af en mobil pc, der kører på brændstof. Producenten udtalte, at en sådan bærbar kan holde fem gange længere end en bærbar, der bruger et traditionelt batteri.

I 2005 annoncerede LG Chem oprettelsen af ​​sin egen brændselscelle. Omkring 5 år og 5 milliarder dollars blev brugt på udviklingen. Som et resultat var det muligt at oprette en enhed med en effekt på 25 W og en vægt på 1 kg, forbundet til en bærbar computer via en USB-grænseflade og sikre dens drift i 10 timer. Også dette år, 2006, var præget af en række interessante udviklinger. Især amerikanske udviklere fra virksomheden Ultracell demonstrerede en brændselscelle, der yder en effekt på 25 W og er udstyret med tre udskiftelige patroner med 67 procent methanol. Den er i stand til at drive en bærbar computer i 24 timer. Vægten af ​​batteriet var omkring et kilogram, hver patron vejede omkring 260 gram.

Ud over at kunne give større kapacitet end lithium-ion-batterier, er methanol-batterier ikke-eksplosive. Ulemperne inkluderer deres ret høje omkostninger og behovet for periodisk at skifte methanolpatroner.

Selvom brændstofbatterier ikke erstatter traditionelle, vil de højst sandsynligt blive brugt sammen med dem. Ifølge eksperter vil brændselscellemarkedet i 2006 være omkring 600 millioner dollars, hvilket er et ret beskedent tal. Men i 2010 forudsiger eksperter dens tredobling - op til 1,9 milliarder dollars.

Diskussion af artiklen "Alkoholbatterier erstatter lithiumbatterier"

zemoneng

Holy shit, jeg fandt information om denne enhed i et dameblad.
Nå, jeg vil sige et par ord om dette:
1: Ulejligheden er, at du efter 6-10 timers drift skal lede efter en ny patron, hvilket er dyrt. Hvorfor skal jeg bruge penge på dette sludder?
2: så vidt jeg forstår, efter at have modtaget energi fra methylalkohol, skal der frigives vand. En bærbar computer og vand er uforenelige ting.
3: hvorfor skriver du i dameblade? At dømme efter kommentarerne "Jeg ved ikke noget." og "Hvad er det her?", er denne artikel ikke på niveau med et websted dedikeret til SKØNheder.

Beskrivelse:

Denne artikel undersøger mere detaljeret deres design, klassificering, fordele og ulemper, anvendelsesområde, effektivitet, skabelseshistorie og moderne muligheder for brug.

Brug af brændselsceller til at drive bygninger

Del 1

Denne artikel undersøger mere detaljeret princippet om drift af brændselsceller, deres design, klassificering, fordele og ulemper, anvendelsesområde, effektivitet, skabelseshistorie og moderne udsigter til brug. I anden del af artiklen, som udkommer i næste nummer af ABOK-magasinet, giver eksempler på faciliteter, hvor forskellige typer brændselsceller blev brugt som varme- og strømforsyningskilder (eller kun strømforsyning).

Vand kan lagres selv i begge retninger i både komprimeret og flydende form, men dette er også sjap, som begge er forårsaget af betydelige tekniske problemer. Dette skyldes høje tryk og ekstremt lave temperaturer på grund af væskedannelse. Af denne grund skal for eksempel et vandbrændstofdispenserstativ designes anderledes, end vi er vant til; enden af ​​påfyldningsledningen forbinder robotarmen med en ventil på bilen. Tilslutning og påfyldning er ret farligt, og derfor er det bedst, hvis det sker uden menneskelig tilstedeværelse.

Introduktion

Brændselsceller er en meget effektiv, pålidelig, holdbar og miljøvenlig måde at generere energi på.

Brændselsceller, der oprindeligt kun blev brugt i rumindustrien, bruges nu i stigende grad i en række forskellige områder - som stationære kraftværker, varme- og strømforsyninger til bygninger, køretøjsmotorer, strømforsyninger til bærbare computere og mobiltelefoner. Nogle af disse enheder er laboratorieprototyper, nogle gennemgår præproduktionstest eller bruges til demonstrationsformål, men mange modeller er masseproducerede og bruges i kommercielle projekter.

Sådan en enhed er i en testkørsel i lufthavnen i München, prøv at køre her med individuelle biler og busser. Et højt kilo kilometer er fedt, men i praksis er det lige så vigtigt, som hvor mange kilo det vil koste, og hvor meget plads i bilen en stærk, isoleret brændstoftank vil fylde. Nogle andre problemer med vand: - skabe et komplekst luftbad - problem med garager, autoværksteder osv. - takket være et lille molekyle, der trænger ind i enhver flaskehals, skruer og ventiler - kræver kompression og væskedannelse et betydeligt energiforbrug.

En brændselscelle (elektrokemisk generator) er en enhed, der omdanner den kemiske energi af brændstof (brint) til elektrisk energi direkte gennem en elektrokemisk reaktion, i modsætning til traditionelle teknologier, der anvender forbrænding af fast, flydende og gasformigt brændstof. Direkte elektrokemisk omdannelse af brændstof er meget effektiv og attraktiv ud fra et miljømæssigt synspunkt, da driftsprocessen producerer en minimal mængde forurenende stoffer, og der er ingen stærk støj eller vibrationer.

De specielle tryk, kompression og sæt af nødvendige sikkerhedsforanstaltninger har en rigtig god værdi i vurderingen for enden af ​​vandet, sammenlignet med flydende kulbrintebrændstoffer, som fremstilles ved hjælp af lette, ikke-tryksatte beholdere. Derfor kan måske meget presserende omstændigheder bidrage til hans virkelig smigrende fornøjelse.

I den nærmeste fremtid leder bilproducenterne stadig efter billigere og relativt mindre farlige flydende brændstoffer. Hotmelt kan være methanol, som relativt let kan ekstraheres. Dets vigtigste og eneste problem er toksicitet, på den anden side kan metan, ligesom vand, bruges både i forbrændingsmotorer og i en bestemt type brændstofkæde. Det har også nogle fordele i forbrændingsmotorer, herunder med hensyn til emissioner.

Fra et praktisk synspunkt minder en brændselscelle om et konventionelt voltaisk batteri. Forskellen er, at batteriet initialt er opladet, det vil sige fyldt med "brændstof". Under drift forbruges "brændstof", og batteriet er afladet. I modsætning til et batteri bruger en brændselscelle brændstof leveret fra en ekstern kilde til at producere elektrisk energi (fig. 1).

I denne henseende kan vandet stige til relativt uventet og alligevel kapabel konkurrence. Brændselscellen er en strømkilde, der genereres af en elektrokemisk reaktion. I modsætning til alle vores kendte batterier modtager den reagenser og udleder affald konstant, så i modsætning til et batteri er det stort set uudtømmeligt. Selvom der er mange forskellige typer, hjælper det følgende diagram af en brintbrændselscelle os med at forstå, hvordan den fungerer.

Brændstoffet tilføres den positive elektrode, hvor det oxideres. O2 oxygen kommer ind i den negative elektrode og kan reduceres.

Det var endda muligt at udvikle en brændselscelle, der direkte brændte kul. Da arbejdet fra videnskabsmænd fra Lawrence Livermore Laboratory, som var i stand til at teste en brændselscelle, der direkte omdanner kul til elektricitet, kunne være en meget vigtig milepæl i udviklingen af ​​energi, vil vi stoppe ved et par ord. Kuljord op til 1 mikron i størrelse blandes ved 750-850 ° C med smeltet lithium-, natrium- eller kaliumcarbonat.

For at producere elektrisk energi kan der ikke kun bruges ren brint, men også andre brintholdige råstoffer, for eksempel naturgas, ammoniak, methanol eller benzin. Almindelig luft bruges som iltkilde, også nødvendig for reaktionen.

Når man bruger rent brint som brændstof, er reaktionsprodukterne, udover elektrisk energi, varme og vand (eller vanddamp), det vil sige, at gasser, der forårsager luftforurening eller forårsager drivhuseffekt, ikke udsendes til atmosfæren. Hvis et brintholdigt råmateriale, såsom naturgas, bruges som brændstof, vil andre gasser såsom kulstof- og nitrogenoxider være et biprodukt af reaktionen, men mængden er meget lavere end ved afbrænding af den samme mængde naturligt. gas.

Derefter gøres alt på standardmåden ifølge ovenstående diagram: ilt i luften reagerer med kulstof til kuldioxid, og energi frigives i form af elektricitet. Selvom vi kender til flere forskellige typer brændselsceller, fungerer de alle efter det beskrevne princip. Dette er en slags kontrolleret forbrænding. Når vi blander brint med ilt, får vi en fissionsblanding, der eksploderer og danner vand. Energi frigives i form af varme. En brintbrændselscelle har samme reaktion, produktet er også vand, men energien frigives som elektricitet.

Processen med kemisk omdannelse af brændstof til at producere brint kaldes reformering, og den tilsvarende enhed kaldes en reformer.

Fordele og ulemper ved brændselsceller

Brændselsceller er mere energieffektive end forbrændingsmotorer, fordi der ikke er nogen termodynamisk energieffektivitetsbegrænsning for brændselsceller. Effektiviteten af ​​brændselsceller er 50%, mens effektiviteten af ​​forbrændingsmotorer er 12-15%, og effektiviteten af ​​dampturbinekraftværker ikke overstiger 40%. Ved at bruge varme og vand øges brændselscellernes effektivitet yderligere.

Den store fordel ved en brændselscelle er, at den producerer elektricitet fra brændstof på den ene eller anden måde direkte, uden et mellemliggende termisk anlæg, så emissionerne er lavere og effektiviteten højere. Den når op på 70 %, mens vi som standard opnår 40 % omdannelse af kul til elektricitet. Hvorfor bygger vi ikke kæmpe brændselsceller i stedet for kraftværker? En brændselscelle er en ret kompleks enhed, der fungerer ved høje temperaturer, så kravene til elektrodematerialer og selve elektrolytten er høje.

I modsætning til f.eks. forbrændingsmotorer forbliver brændselscellernes effektivitet meget høj, selv når de ikke kører med fuld effekt. Derudover kan brændselscellernes effekt øges ved blot at tilføje individuelle enheder, mens effektiviteten ikke ændres, det vil sige store installationer er lige så effektive som små. Disse forhold gør det muligt meget fleksibelt at udvælge udstyrssammensætning i overensstemmelse med kundens ønsker og medfører i sidste ende en reduktion i udstyrsomkostningerne.

Elektrolytter omfatter for eksempel ionbyttermembraner eller ledende keramiske materialer eller ret dyre materialer eller fosforsyre, natriumhydroxid eller smeltede alkalimetalcarbonater, som er meget aggressive til at ændre væv. Det var denne vanskelighed, som efter den indledende entusiasme i det tyvende århundrede, var brændselsceller uden for rumprogrammet ikke mere betydningsfulde.

Interessen faldt så igen, da det blev klart, at bredere brug var ud over teknologiens muligheder på det tidspunkt. Men i løbet af de sidste tredive år er udviklingen ikke stoppet, nye materialer og koncepter er dukket op, og vores prioriteringer har ændret sig - vi er nu meget mere opmærksomme på at beskytte miljøet end dengang. Derfor oplever vi noget af en renæssance inden for brændselsceller, som i stigende grad bliver brugt på mange områder. Der er 200 sådanne enheder rundt om i verden. For eksempel fungerer de som en backup-enhed, hvor netværkssvigt kan forårsage alvorlige problemer - for eksempel på hospitaler eller militære virksomheder.

En vigtig fordel ved brændselsceller er deres miljøvenlighed. Brændselscelleemissioner er så lave, at deres drift i nogle områder af USA ikke kræver særlig godkendelse fra offentlige luftkvalitetsregulatorer.

Brændselsceller kan placeres direkte i en bygning, hvilket reducerer tab under energitransport, og den varme, der genereres som følge af reaktionen, kan bruges til at levere varme eller varmt vand til bygningen. Autonome kilder til varme og elektricitet kan være meget gavnlige i fjerntliggende områder og i regioner præget af mangel på elektricitet og dens høje omkostninger, men samtidig er der reserver af brintholdige råstoffer (olie, naturgas).

De bruges meget fjerntliggende steder, hvor det er lettere at transportere brændstof end at strække kablet. De kan også begynde at konkurrere med kraftværker. Dette er det mest kraftfulde modul installeret i verden.

Næsten alle større bilproducenter arbejder på et brændselscelle-elkøretøjsprojekt. Det ser ud til at være et meget mere lovende koncept end en konventionel batteri-elbil, fordi den ikke kræver lang opladningstid, og den nødvendige infrastrukturændring ikke er så omfattende.

Fordelene ved brændselsceller er også tilgængeligheden af ​​brændstof, pålidelighed (der er ingen bevægelige dele i en brændselscelle), holdbarhed og nem betjening.

En af de største ulemper ved brændselsceller i dag er deres relativt høje omkostninger, men denne ulempe kan hurtigt overvindes - flere og flere virksomheder producerer kommercielle prøver af brændselsceller, de bliver konstant forbedret, og deres omkostninger er faldende.

Brændselscellers voksende betydning illustreres også af, at Bush-administrationen for nylig har gentænket sin tilgang til udvikling af biler, og de midler, den brugte på at udvikle biler med den bedst mulige kilometerstand, overføres nu til brændselscelleprojekter. Udviklingsfinansiering forbliver ikke blot i statens hænder.

Det nye kørekoncept er naturligvis ikke begrænset til personbiler, men vi kan også finde det i massetransport. Brændselscellebusser transporterer passagerer på gaderne i flere byer. Sammen med bilkørsler er der en række mindre på markedet, såsom drevne computere, videokameraer og mobiltelefoner. På billedet ser vi en brændselscelle til at drive trafikalarmen.

Den mest effektive måde er at bruge ren brint som brændstof, men dette vil kræve oprettelse af en særlig infrastruktur til produktion og transport. I øjeblikket bruger alle kommercielle modeller naturgas og lignende brændstoffer. Motorkøretøjer kan bruge almindelig benzin, hvilket gør det muligt at opretholde det eksisterende udviklede netværk af tankstationer. Imidlertid fører brugen af ​​sådant brændstof til skadelige emissioner til atmosfæren (omend meget lavt) og komplicerer (og derfor øger omkostningerne ved) brændselscellen. I fremtiden overvejes muligheden for at bruge miljøvenlige vedvarende energikilder (for eksempel sol- eller vindenergi) til at nedbryde vand til brint og ilt ved hjælp af elektrolyse og derefter omdanne det resulterende brændstof i en brændselscelle. Sådanne kombinerede anlæg, der opererer i et lukket kredsløb, kan repræsentere en fuldstændig miljøvenlig, pålidelig, holdbar og effektiv energikilde.

Værd at nævne er brugen af ​​brændselsceller på lossepladser, hvor de kan afbrænde gasudledninger og være med til at forbedre miljøet udover at producere elektricitet. Adskillige testfaciliteter er i øjeblikket i drift, og et omfattende installationsprogram af disse faciliteter er ved at blive udarbejdet på 150 teststeder over hele USA. Brændselsceller er simpelthen nyttige enheder, og vi vil helt sikkert se dem oftere og oftere.

Kemikere har udviklet en katalysator, der kan erstatte dyrt platin i brændselsceller. I stedet bruger han omkring to hundrede tusinde billigt jern. Brændselsceller omdanner kemisk energi til elektrisk energi. Elektroner i forskellige molekyler har forskellige energier. Energiforskellen mellem et molekyle og et andet kan bruges som energikilde. Bare find en reaktion, hvor elektroner bevæger sig fra højere til lavere. Sådanne reaktioner er den vigtigste energikilde for levende organismer.

En anden egenskab ved brændselsceller er, at de er mest effektive, når de bruger både elektrisk og termisk energi samtidigt. Det er dog ikke alle anlæg, der har mulighed for at bruge termisk energi. Hvis brændselsceller kun bruges til at generere elektrisk energi, falder deres effektivitet, selvom den overstiger effektiviteten af ​​"traditionelle" installationer.

Den mest kendte er respiration, som omdanner sukkerarter til kuldioxid og vand. I en brintbrændselscelle kombineres to-atomede brintmolekyler med ilt for at danne vand. Energiforskellen mellem elektronerne i brint og vand bruges til at generere elektricitet. Brintceller er nok de mest brugte til at køre biler i dag. Deres massive udvidelse forhindrer også små krogninger.

For at en energirig reaktion kan finde sted, kræves en katalysator. Katalysatorer er molekyler, der øger sandsynligheden for, at en reaktion opstår. Uden en katalysator kunne det også fungere, men sjældnere eller langsommere. Hydrogenceller bruger ædle platin som katalysator.

Historie og moderne brug af brændselsceller

Princippet om drift af brændselsceller blev opdaget i 1839. Den engelske videnskabsmand William Robert Grove (1811-1896) opdagede, at elektrolyseprocessen - nedbrydningen af ​​vand til brint og oxygen gennem elektrisk strøm - er reversibel, dvs. brint og oxygen kan kombineres til vandmolekyler uden forbrænding, men med frigivelsen af varme og elektrisk strøm. Grove kaldte den enhed, hvor en sådan reaktion var mulig, for et "gasbatteri", som var den første brændselscelle.

Den samme reaktion, som sker i brintceller, sker også i levende celler. Enzymer er relativt store molekyler, der består af aminosyrer, der kan kombineres som legoklodser. Hvert enzym har et såkaldt aktivt sted, hvor reaktionen accelereres. Andre molekyler end aminosyrer er også ofte til stede på det aktive sted.

I tilfælde af brintsyre er dette jern. Et hold af kemikere, ledet af Morris Bullock fra det amerikanske energiministeriums Pacific Laboratory, var i stand til at efterligne reaktionen på det aktive hydrogeneringssted. Ligesom et enzym er hydrogenering tilstrækkelig til platin med jern. Det kan splitte 0,66 til 2 brintmolekyler i sekundet. Forskellen i spænding varierer fra 160 til 220 tusinde volt. Begge er sammenlignelige med nuværende platinkatalysatorer, der anvendes i brintceller. Reaktionen udføres ved stuetemperatur.

Den aktive udvikling af teknologier til brug af brændselsceller begyndte efter Anden Verdenskrig, og den er forbundet med rumfartsindustrien. På dette tidspunkt var der en eftersøgning i gang efter en effektiv og pålidelig, men samtidig ganske kompakt, energikilde. I 1960'erne valgte NASA (National Aeronautics and Space Administration, NASA) specialister brændselsceller som en strømkilde til rumfartøjet i Apollo-programmerne (bemandede flyvninger til Månen), Apollo-Soyuz, Gemini og Skylab. . Apollo-rumfartøjet brugte tre 1,5 kW (2,2 kW peak) anlæg, der brugte kryogen brint og oxygen til at producere elektricitet, varme og vand. Massen af ​​hver installation var 113 kg. Disse tre celler fungerede parallelt, men den energi, der blev genereret af en enhed, var tilstrækkelig til en sikker tilbagevenden. I løbet af 18 flyvninger fungerede brændselscellerne i i alt 10.000 timer uden fejl. I øjeblikket bruges brændselsceller i rumfærgen, som bruger tre 12 W enheder til at generere al den elektriske energi om bord på rumfartøjet (fig. 2). Vandet opnået som følge af den elektrokemiske reaktion bruges til drikkevand og også til køleudstyr.

Et kilo jern koster 0,5 CZK. Derfor er jern 200 tusind gange billigere end platin. I fremtiden kan brændselsceller være billigere. Dyr platin er ikke den eneste grund til, at de ikke skal bruges, i hvert fald ikke i stor skala. Det er svært og farligt at håndtere det.

Hvis brintkamre skulle bruges i bulk til at køre biler, ville de skulle bygge den samme infrastruktur som benzin og diesel. Derudover er der brug for kobber til at producere de elektriske motorer, der driver brintdrevne biler. Det betyder dog ikke, at brændselsceller er ubrugelige. Når der er olie, har vi måske intet andet valg end at køre på brint.

I vores land blev der også arbejdet med at skabe brændselsceller til brug i astronautik. For eksempel blev brændselsceller brugt til at drive det sovjetiske Buran genanvendelige rumfartøj.

Udvikling af metoder til kommerciel brug af brændselsceller begyndte i midten af ​​1960'erne. Denne udvikling blev delvist finansieret af statslige organisationer.

I øjeblikket går udviklingen af ​​teknologier til brug af brændselsceller i flere retninger. Dette er oprettelsen af ​​stationære kraftværker på brændselsceller (både til centraliseret og decentral energiforsyning), kraftværker til køretøjer (prøver af biler og busser på brændselsceller er blevet skabt, herunder i vores land) (fig. 3), og også strømforsyninger til forskellige mobile enheder (bærbare computere, mobiltelefoner osv.) (fig. 4).

Eksempler på brugen af ​​brændselsceller på forskellige områder er givet i tabel. 1.

En af de første kommercielle brændselscellemodeller designet til autonom varme- og strømforsyning til bygninger var PC25 Model A fremstillet af ONSI Corporation (nu United Technologies, Inc.). Denne brændselscelle med en mærkeeffekt på 200 kW er en type celle med en elektrolyt baseret på fosforsyre (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC). Tallet "25" i modelnavnet betyder serienummeret på designet. De fleste tidligere modeller var eksperimentelle eller testenheder, såsom 12,5 kW "PC11"-modellen introduceret i 1970'erne. De nye modeller øgede strømmen fra en individuel brændselscelle og reducerede også omkostningerne pr. kilowatt produceret energi. I øjeblikket er en af ​​de mest effektive kommercielle modeller PC25 Model C brændselscellen. Ligesom Model A er dette en fuldautomatisk 200 kW PAFC-brændselscelle designet til installation på stedet som en selvstændig varme- og strømkilde. En sådan brændselscelle kan installeres uden for en bygning. Udvendigt er det et parallelepipedum 5,5 m langt, 3 m bredt og højt, der vejer 18.140 kg. Forskellen fra tidligere modeller er en forbedret reformer og en højere strømtæthed.

tabel 1 Anvendelsesområde for brændselsceller

Område applikationer Nominel strøm Eksempler på brug Stationær installationer 5–250 kW og højere Autonome varme- og strømforsyningskilder til boliger, offentlige og industrielle bygninger, uafbrydelige strømforsyninger, backup- og nødstrømforsyningskilder Transportabel installationer 1-50 kW Vejskilte, fragt- og kølejernbanevogne, kørestole, golfvogne, rumskibe og satellitter Mobil installationer 25–150 kW Biler (prototyper blev f.eks. skabt af DaimlerCrysler, FIAT, Ford, General Motors, Honda, Hyundai, Nissan, Toyota, Volkswagen, VAZ), busser (f.eks. "MAN", "Neoplan", "Renault") og andre køretøjer , krigsskibe og ubåde Mikroenheder 1-500 W Mobiltelefoner, bærbare computere, personlige digitale assistenter (PDA'er), forskellige elektroniske forbrugere, moderne militære enheder

I nogle typer brændselsceller kan den kemiske proces vendes: Ved at påføre en potentialforskel på elektroderne kan vand nedbrydes til brint og oxygen, som samler sig på de porøse elektroder. Når en belastning er tilsluttet, vil en sådan regenerativ brændselscelle begynde at producere elektrisk energi.

En lovende retning for brugen af ​​brændselsceller er deres anvendelse i forbindelse med vedvarende energikilder, for eksempel solcellepaneler eller vindkraftværker. Denne teknologi giver os mulighed for helt at undgå luftforurening. Et lignende system er planlagt til at blive oprettet, for eksempel på Adam Joseph Lewis Training Center i Oberlin (se ABOK, 2002, nr. 5, s. 10). I øjeblikket bruges solpaneler som en af ​​energikilderne i denne bygning. Sammen med NASA-specialister er der udviklet et projekt for at bruge solcellepaneler til at producere brint og ilt fra vand ved elektrolyse. Brinten bruges derefter i brændselsceller til at producere elektrisk energi og. Dette vil give bygningen mulighed for at opretholde funktionaliteten af ​​alle systemer under overskyede dage og om natten.

Driftsprincip for brændselsceller

Lad os overveje princippet om drift af en brændselscelle ved at bruge eksemplet på et simpelt element med en protonudvekslingsmembran (Proton Exchange Membrane, PEM). En sådan celle består af en polymermembran placeret mellem en anode (positiv elektrode) og en katode (negativ elektrode) sammen med anode- og katodekatalysatorer. Polymermembranen bruges som elektrolyt. Diagrammet af PEM-elementet er vist i fig. 5.

En protonudvekslingsmembran (PEM) er en tynd (ca. 2-7 ark papir tykt) fast organisk forbindelse. Denne membran fungerer som en elektrolyt: den adskiller et stof i positivt og negativt ladede ioner i nærvær af vand.

En oxidationsproces finder sted ved anoden, og en reduktionsproces sker ved katoden. Anoden og katoden i en PEM-celle er lavet af et porøst materiale, som er en blanding af kulstof og platinpartikler. Platin fungerer som en katalysator, der fremmer dissociationsreaktionen. Anoden og katoden er gjort porøse til fri passage af henholdsvis brint og ilt gennem dem.

Anoden og katoden er placeret mellem to metalplader, som tilfører brint og ilt til anoden og katoden, og fjerner varme og vand samt elektrisk energi.

Brintmolekyler passerer gennem kanaler i pladen til anoden, hvor molekylerne nedbrydes til individuelle atomer (fig. 6).

	Figur 5. () Skematisk af en brændselscelle med en protonudvekslingsmembran (PEM-celle)
	Figur 6. () Brintmolekyler passerer gennem kanaler i pladen til anoden, hvor molekylerne nedbrydes til individuelle atomer
	Figur 7. () Som et resultat af kemisorption i nærvær af en katalysator omdannes hydrogenatomer til protoner
	Figur 8. () Positivt ladede brintioner diffunderer gennem membranen til katoden, og en strøm af elektroner ledes til katoden gennem et eksternt elektrisk kredsløb, hvortil belastningen er forbundet
	Figur 9. () Ilt, der tilføres katoden, i nærværelse af en katalysator, indgår i en kemisk reaktion med hydrogenioner fra protonudvekslingsmembranen og elektroner fra det eksterne elektriske kredsløb. Som et resultat af en kemisk reaktion dannes vand

Derefter, som et resultat af kemisorption i nærvær af en katalysator, omdannes hydrogenatomer, der hver afgiver en elektron e –, til positivt ladede hydrogenioner H+, dvs. protoner (fig. 7).

Positivt ladede brintioner (protoner) diffunderer gennem membranen til katoden, og strømmen af ​​elektroner ledes til katoden gennem et eksternt elektrisk kredsløb, hvortil belastningen (forbrugeren af ​​elektrisk energi) er forbundet (fig. 8).

Ilt, der tilføres katoden, i nærværelse af en katalysator, indgår i en kemisk reaktion med hydrogenioner (protoner) fra protonudvekslingsmembranen og elektroner fra det eksterne elektriske kredsløb (fig. 9). Som et resultat af en kemisk reaktion dannes vand.

Den kemiske reaktion i andre typer brændselsceller (f.eks. med en sur elektrolyt, som bruger en opløsning af orthophosphorsyre H 3 PO 4) er fuldstændig identisk med den kemiske reaktion i en brændselscelle med en protonbyttermembran.

I enhver brændselscelle frigives noget af energien fra en kemisk reaktion som varme.

Strømmen af ​​elektroner i et eksternt kredsløb er en jævnstrøm, der bruges til at udføre arbejde. Åbning af det eksterne kredsløb eller standsning af hydrogenioners bevægelse stopper den kemiske reaktion.

Mængden af ​​elektrisk energi produceret af en brændselscelle afhænger af typen af ​​brændselscelle, geometriske dimensioner, temperatur, gastryk. En separat brændselscelle giver en EMF på mindre end 1,16 V. Størrelsen af ​​brændselsceller kan øges, men i praksis bruges flere elementer forbundet til batterier (fig. 10).

Brændselscelle design

Lad os se på designet af en brændselscelle med PC25 Model C som eksempel. Brændselscellediagrammet er vist i fig. elleve.

PC25 Model C-brændselscellen består af tre hoveddele: brændstofprocessoren, den faktiske strømproduktionssektion og spændingsomformeren.

Hoveddelen af ​​brændselscellen, elproduktionssektionen, er et batteri sammensat af 256 individuelle brændselsceller. Brændselscelleelektroderne indeholder en platinkatalysator. Disse celler producerer en konstant elektrisk strøm på 1.400 ampere ved 155 volt. Batteridimensionerne er cirka 2,9 m i længden og 0,9 m i bredden og højden.

Da den elektrokemiske proces foregår ved en temperatur på 177 °C, er det nødvendigt at opvarme batteriet ved opstart og fjerne varme fra det under drift. For at opnå dette inkluderer brændselscellen et separat vandkredsløb, og batteriet er udstyret med specielle køleplader.

Brændstofprocessoren omdanner naturgas til brint, der er nødvendig for en elektrokemisk reaktion. Denne proces kaldes reformering. Hovedelementet i brændstofprocessoren er reformeren. I reformeren reagerer naturgas (eller andet brintholdigt brændstof) med vanddamp ved høj temperatur (900 °C) og højt tryk i nærvær af en nikkelkatalysator. I dette tilfælde opstår følgende kemiske reaktioner:

CH 4 (methan) + H 2 O 3H 2 + CO

(reaktionen er endoterm med varmeabsorption);

CO + H 2 O H 2 + CO 2

(reaktionen er eksoterm, frigiver varme).

Den samlede reaktion er udtrykt ved ligningen:

CH 4 (methan) + 2H 2 O 4H 2 + CO 2

(reaktionen er endoterm med varmeabsorption).

For at tilvejebringe den høje temperatur, der kræves for at omdanne naturgas, ledes en del af det brugte brændsel fra brændselscellestablen til en brænder, som opretholder den nødvendige reformertemperatur.

Den damp, der kræves til reformering, genereres fra kondensat, der genereres under drift af brændselscellen. Dette bruger den varme, der fjernes fra batteriet af brændselsceller (fig. 12).

Brændselscellestablen producerer en intermitterende jævnstrøm, der er lavspænding og høj strøm. En spændingsomformer bruges til at konvertere den til industriel standard AC-strøm. Derudover indeholder spændingsomformerenheden forskellige styreenheder og sikkerhedslåsekredsløb, der gør det muligt at slukke for brændselscellen i tilfælde af forskellige fejl.

I en sådan brændselscelle kan cirka 40 % af brændselsenergien omdannes til elektrisk energi. Cirka den samme mængde, omkring 40 % af brændselsenergien, kan omdannes til termisk energi, som så bruges som varmekilde til opvarmning, varmtvandsforsyning og lignende formål. Således kan den samlede effektivitet af en sådan installation nå op på 80%.

En vigtig fordel ved en sådan kilde til varme og elektricitet er muligheden for dens automatiske drift. Til vedligeholdelse behøver ejerne af anlægget, hvor brændselscellen er installeret, ikke at vedligeholde specialuddannet personale - periodisk vedligeholdelse kan udføres af medarbejdere i driftsorganisationen.

Typer af brændselsceller

I øjeblikket kendes flere typer brændselsceller, der adskiller sig i sammensætningen af ​​den anvendte elektrolyt. Følgende fire typer er mest udbredte (tabel 2):

1. Brændselsceller med en protonudvekslingsmembran (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC).

2. Brændselsceller baseret på orthophosphorsyre (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC).

3. Brændselsceller baseret på smeltet carbonat (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).

4. Solid Oxide Fuel Cells (SOFC). I øjeblikket er den største flåde af brændselsceller baseret på PAFC-teknologi.

En af de vigtigste egenskaber ved forskellige typer brændselsceller er driftstemperatur. På mange måder er det temperaturen, der bestemmer brændselscellernes anvendelsesområde. For eksempel er høje temperaturer kritiske for bærbare computere, så protonudvekslingsmembranbrændselsceller med lave driftstemperaturer udvikles til dette markedssegment.

Til autonom strømforsyning af bygninger kræves brændselsceller med høj installeret effekt, og der er samtidig mulighed for at bruge termisk energi, så andre typer brændselsceller kan bruges til disse formål.

Protonudvekslingsmembranbrændselsceller (PEMFC)

Disse brændselsceller fungerer ved relativt lave driftstemperaturer (60-160 °C). De har en høj effekttæthed, giver dig mulighed for hurtigt at justere udgangseffekten og kan hurtigt tændes. Ulempen ved denne type element er de høje krav til brændstofkvalitet, da forurenet brændstof kan beskadige membranen. Den nominelle effekt af denne type brændselsceller er 1-100 kW.

Protonudvekslingsmembranbrændselsceller blev oprindeligt udviklet af General Electric i 1960'erne for NASA. Denne type brændselscelle bruger en solid-state polymer elektrolyt kaldet en Proton Exchange Membrane (PEM). Protoner kan bevæge sig gennem protonudvekslingsmembranen, men elektroner kan ikke passere gennem den, hvilket resulterer i en potentialforskel mellem katoden og anoden. På grund af deres enkelhed og pålidelighed blev sådanne brændselsceller brugt som en strømkilde på det bemandede Gemini-rumfartøj.

Denne type brændselscelle bruges som strømkilde til en lang række forskellige enheder, herunder prototyper og prototyper, fra mobiltelefoner til busser og stationære strømsystemer. Den lave driftstemperatur gør det muligt at bruge sådanne celler til at drive forskellige typer komplekse elektroniske enheder. Deres anvendelse er mindre effektiv som varme- og elforsyningskilde til offentlige og industrielle bygninger, hvor der kræves store mængder termisk energi. Samtidig er sådanne elementer lovende som en autonom strømforsyningskilde til små boligbyggerier, såsom hytter bygget i regioner med et varmt klima.

tabel 2 Typer af brændselsceller

Varetype Arbejdere temperatur, °C Effektivitetsoutput elektriske energi),% Total Effektivitet, % Brændselsceller med protonudvekslingsmembran (PEMFC) 60–160 30–35 50–70 Brændstofceller baseret på fosfor (phosphor)syre (PAFC) 150–200 35 70–80 Brændselsceller baseret smeltet carbonat (MCFC) 600–700 45–50 70–80 Fast oxid brændselsceller (SOFC) 700–1 000 50–60 70–80

Fosforsyrebrændselsceller (PAFC)

Test af brændselsceller af denne type blev udført allerede i begyndelsen af ​​1970'erne. Driftstemperaturområde - 150-200 °C. Det vigtigste anvendelsesområde er autonome kilder til varme og elektricitetsforsyning med medium effekt (ca. 200 kW).

Disse brændselsceller bruger en fosforsyreopløsning som elektrolyt. Elektroderne er lavet af papir belagt med kulstof, hvori en platinkatalysator er dispergeret.

Den elektriske effektivitet af PAFC-brændselsceller er 37-42%. Men da disse brændselsceller fungerer ved en ret høj temperatur, er det muligt at bruge den damp, der genereres som følge af driften. I dette tilfælde kan den samlede effektivitet nå op på 80%.

For at producere energi skal brintholdigt råmateriale omdannes til rent brint gennem en reformeringsproces. For eksempel, hvis benzin bruges som brændstof, er det nødvendigt at fjerne svovlholdige forbindelser, da svovl kan beskadige platinkatalysatoren.

PAFC-brændselsceller var de første kommercielle brændselsceller, der blev brugt økonomisk. Den mest almindelige model var 200 kW PC25-brændselscellen fremstillet af ONSI Corporation (nu United Technologies, Inc.) (fig. 13). For eksempel bruges disse elementer som en kilde til termisk og elektrisk energi på politistationen i Central Park i New York eller som en ekstra energikilde i Conde Nast Building & Four Times Square. Den største installation af denne type er ved at blive testet som et 11 MW kraftværk beliggende i Japan.

Fosforsyrebrændselsceller bruges også som energikilde i køretøjer. For eksempel udstyrede H-Power Corp., Georgetown University og det amerikanske energiministerium i 1994 en bus med et 50 kW kraftværk.

Molten Carbonate Fuel Cells (MCFC)

Brændselsceller af denne type fungerer ved meget høje temperaturer - 600-700 °C. Disse driftstemperaturer gør det muligt at bruge brændstoffet direkte i selve cellen uden brug af en separat reformer. Denne proces blev kaldt "intern reform". Det gør det muligt væsentligt at forenkle brændselscellens design.

Brændselsceller baseret på smeltet karbonat kræver en betydelig opstartstid og giver ikke mulighed for hurtig justering af udgangseffekten, så deres hovedanvendelsesområde er store stationære kilder til termisk og elektrisk energi. De er dog kendetegnet ved høj brændstofkonverteringseffektivitet - 60 % elektrisk virkningsgrad og op til 85 % samlet effektivitet.

I denne type brændselscelle består elektrolytten af ​​kaliumcarbonat og lithiumcarbonatsalte opvarmet til ca. 650 °C. Under disse betingelser er saltene i smeltet tilstand og danner en elektrolyt. Ved anoden reagerer brint med CO 3 ioner, danner vand, kuldioxid og frigiver elektroner, som sendes til det eksterne kredsløb, og ved katoden interagerer oxygen med kuldioxid og elektroner fra det eksterne kredsløb og danner igen CO 3 ioner .

Laboratorieprøver af brændselsceller af denne type blev skabt i slutningen af ​​1950'erne af de hollandske videnskabsmænd G.H.J. Broers og J.A.A. Ketelaar. I 1960'erne arbejdede ingeniør Francis T. Bacon, en efterkommer af den berømte engelske forfatter og videnskabsmand fra det 17. århundrede, med disse celler, hvorfor MCFC-brændselsceller undertiden kaldes Bacon-celler. I NASAs Apollo-, Apollo-Soyuz- og Scylab-programmer blev disse brændselsceller brugt som en energikilde (fig. 14). I løbet af de samme år testede den amerikanske militærafdeling adskillige prøver af MCFC-brændselsceller produceret af Texas Instruments, som brugte benzin af militær kvalitet som brændstof. I midten af ​​1970'erne begyndte det amerikanske energiministerium forskning for at skabe en stationær smeltet carbonatbrændselscelle egnet til praktiske anvendelser. I 1990'erne blev en række kommercielle installationer med mærkeeffekt op til 250 kW introduceret, for eksempel på US Naval Air Station Miramar i Californien. I 1996, FuelCell Energy, Inc. lancerede et præproduktionsanlæg på 2 MW i Santa Clara, Californien.

Solid-state oxide brændselsceller (SOFC)

Solid-state oxid brændselsceller er enkle i design og fungerer ved meget høje temperaturer - 700-1.000 °C. Sådanne høje temperaturer tillader brugen af ​​relativt "snavset", uraffineret brændstof. De samme egenskaber som brændselsceller baseret på smeltet karbonat bestemmer et lignende anvendelsesområde - store stationære kilder til termisk og elektrisk energi.

Fastoxidbrændselsceller er strukturelt forskellige fra brændselsceller baseret på PAFC- og MCFC-teknologier. Anoden, katoden og elektrolytten er lavet af specielle kvaliteter af keramik. Den mest almindeligt anvendte elektrolyt er en blanding af zirconiumoxid og calciumoxid, men andre oxider kan anvendes. Elektrolytten danner et krystalgitter belagt på begge sider med porøst elektrodemateriale. Strukturelt er sådanne elementer lavet i form af rør eller flade kredsløb, hvilket gør det muligt at bruge teknologier, der er meget udbredt i elektronikindustrien i deres produktion. Som et resultat kan faststofoxidbrændselsceller fungere ved meget høje temperaturer, hvilket gør dem fordelagtige til at producere både elektrisk og termisk energi.

Ved høje driftstemperaturer dannes iltioner ved katoden, som migrerer gennem krystalgitteret til anoden, hvor de interagerer med brintioner, danner vand og frigiver frie elektroner. I dette tilfælde separeres hydrogen fra naturgas direkte i cellen, det vil sige, at der ikke er behov for en separat reformer.

Det teoretiske grundlag for skabelsen af ​​faststofoxid-brændselsceller blev lagt i slutningen af ​​1930'erne, da de schweiziske videnskabsmænd Emil Bauer og H. Preis eksperimenterede med zirconium, yttrium, cerium, lanthan og wolfram og brugte dem som elektrolytter.

De første prototyper af sådanne brændselsceller blev skabt i slutningen af ​​1950'erne af en række amerikanske og hollandske virksomheder. De fleste af disse virksomheder opgav snart yderligere forskning på grund af teknologiske vanskeligheder, men en af ​​dem, Westinghouse Electric Corp. (nu Siemens Westinghouse Power Corporation), fortsatte arbejdet. Virksomheden accepterer i øjeblikket forudbestillinger af en kommerciel model af en rørformet faststofoxid-brændselscelle, som forventes at være tilgængelig i år (figur 15). Markedssegmentet for sådanne elementer er stationære installationer til produktion af termisk og elektrisk energi med en kapacitet på 250 kW til 5 MW.

SOFC-brændselsceller har vist meget høj pålidelighed. For eksempel har en prototype brændselscelle fremstillet af Siemens Westinghouse opnået 16.600 timers drift og fortsætter med at fungere, hvilket gør den til den længste kontinuerlige brændselscellelevetid i verden.

SOFC-brændselscellernes højtemperatur- og højtryksdriftstilstand giver mulighed for at skabe hybridanlæg, hvor brændselscelleemissioner driver gasturbiner, der bruges til at generere elektrisk strøm. Den første sådanne hybridinstallation er i drift i Irvine, Californien. Denne installations nominelle effekt er 220 kW, heraf 200 kW fra brændselscellen og 20 kW fra mikroturbinegeneratoren.

Brændselscelle er en elektrokemisk anordning, der ligner en galvanisk celle, men adskiller sig fra den ved, at stofferne til den elektrokemiske reaktion tilføres den udefra - i modsætning til den begrænsede mængde energi, der er lagret i en galvanisk celle eller batteri.

Ris. 1. Nogle brændselsceller

Brændselsceller omdanner brændstofs kemiske energi til elektricitet og omgår ineffektive forbrændingsprocesser, der opstår med store tab. De omdanner brint og ilt til elektricitet gennem en kemisk reaktion. Som et resultat af denne proces dannes der vand, og en stor mængde varme frigives. En brændselscelle minder meget om et batteri, der kan oplades og derefter bruge den lagrede elektriske energi. Opfinderen af ​​brændselscellen anses for at være William R. Grove, som opfandt den tilbage i 1839. Denne brændselscelle brugte en svovlsyreopløsning som elektrolyt og brint som brændstof, som blev kombineret med oxygen i et oxidationsmiddel. Indtil for nylig blev brændselsceller kun brugt i laboratorier og på rumfartøjer.

I modsætning til andre kraftgeneratorer, såsom forbrændingsmotorer eller turbiner drevet af gas, kul, brændselsolie osv., brænder brændselsceller ikke brændstof. Det betyder ingen støjende højtryksrotorer, ingen høj udstødningsstøj, ingen vibrationer. Brændselsceller producerer elektricitet gennem en lydløs elektrokemisk reaktion. Et andet træk ved brændselsceller er, at de omdanner brændstoffets kemiske energi direkte til elektricitet, varme og vand.

Brændselsceller er yderst effektive og producerer ikke store mængder drivhusgasser som kuldioxid, metan og lattergas. De eneste emissioner fra brændselsceller er vand i form af damp og en lille mængde kuldioxid, som slet ikke frigives, hvis ren brint bruges som brændstof. Brændselsceller samles til samlinger og derefter til individuelle funktionsmoduler.

Brændselsceller har ingen bevægelige dele (i hvert fald ikke inde i selve cellen) og adlyder derfor ikke Carnots lov. Det vil sige, at de vil have mere end 50 % effektivitet og er særligt effektive ved lav belastning. Brændselscellekøretøjer kan således blive (og har allerede vist sig at være) mere brændstofeffektive end konventionelle køretøjer under virkelige køreforhold.

Brændselscellen producerer en elektrisk strøm med konstant spænding, der kan bruges til at drive den elektriske motor, belysning og andre elektriske systemer i køretøjet.

Der er flere typer brændselsceller, der adskiller sig i de anvendte kemiske processer. Brændselsceller er normalt klassificeret efter den type elektrolyt, de bruger.

Nogle typer brændselsceller er lovende til kraftværksfremdrift, mens andre er lovende til bærbare enheder eller til at køre biler.

1. Alkaliske brændselsceller (ALFC)

Alkalisk brændselscelle- Dette er et af de allerførste elementer, der er udviklet. Alkaliske brændselsceller (AFC) er en af ​​de mest undersøgte teknologier, brugt siden midten af ​​60'erne af det tyvende århundrede af NASA i Apollo- og Space Shuttle-programmerne. Om bord på disse rumfartøjer producerer brændselsceller elektrisk energi og drikkevand.

Alkaliske brændselsceller er et af de mest effektive elementer, der bruges til at generere elektricitet, med en elproduktionseffektivitet på op til 70 %.

Alkaliske brændselsceller bruger en elektrolyt, en vandig opløsning af kaliumhydroxid, indeholdt i en porøs, stabiliseret matrix. Kaliumhydroxidkoncentrationen kan variere afhængigt af brændselscellens driftstemperatur, som spænder fra 65°C til 220°C. Ladningsbæreren i SHTE er hydroxylionen (OH-), der bevæger sig fra katoden til anoden, hvor den reagerer med brint og producerer vand og elektroner. Vandet produceret ved anoden bevæger sig tilbage til katoden og genererer igen hydroxylioner der. Som et resultat af denne række af reaktioner, der finder sted i brændselscellen, produceres elektricitet og som et biprodukt varme:

Reaktion ved anoden: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e

Reaktion ved katoden: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH

Generel reaktion af systemet: 2H2 + O2 => 2H2O

Fordelen ved SHTE er, at disse brændselsceller er de billigste at producere, da den nødvendige katalysator på elektroderne kan være et hvilket som helst af de stoffer, der er billigere end dem, der bruges som katalysatorer til andre brændselsceller. Derudover fungerer SHTE'er ved relativt lave temperaturer og er blandt de mest effektive.

Et af de karakteristiske træk ved SHTE er dets høje følsomhed over for CO2, som kan være indeholdt i brændstof eller luft. CO2 reagerer med elektrolytten, forgifter den hurtigt og reducerer brændselscellens effektivitet kraftigt. Derfor er brugen af ​​SHTE begrænset til lukkede rum, såsom rumfartøjer og undervandsfartøjer; de opererer på ren brint og ilt.

2. Smeltet carbonat brændselsceller (MCFC)

Brændselsceller med smeltet carbonatelektrolyt er højtemperaturbrændselsceller. Den høje driftstemperatur muliggør direkte brug af naturgas uden brændstofprocessor og brændstofgas med lav brændværdi fra industrielle processer og andre kilder. Denne proces blev udviklet i midten af ​​60'erne af det tyvende århundrede. Siden da er produktionsteknologi, ydeevne og pålidelighed blevet forbedret.

Driften af ​​RCFC adskiller sig fra andre brændselsceller. Disse celler bruger en elektrolyt fremstillet af en blanding af smeltede carbonatsalte. I øjeblikket anvendes to typer blandinger: lithiumcarbonat og kaliumcarbonat eller lithiumcarbonat og natriumcarbonat. For at smelte carbonatsalte og opnå en høj grad af ionmobilitet i elektrolytten arbejder brændselsceller med smeltet karbonatelektrolyt ved høje temperaturer (650°C). Effektiviteten varierer mellem 60-80%.

Ved opvarmning til en temperatur på 650°C bliver saltene en leder for carbonationer (CO32-). Disse ioner passerer fra katoden til anoden, hvor de kombineres med brint for at danne vand, kuldioxid og frie elektroner. Disse elektroner sendes gennem et eksternt elektrisk kredsløb tilbage til katoden og genererer elektrisk strøm og varme som et biprodukt.

Reaktion ved anoden: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e

Reaktion ved katoden: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-

Generel reaktion af grundstoffet: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(katode) => H2O(g) + CO2(anode)

De høje driftstemperaturer af smeltet carbonatelektrolytbrændselsceller har visse fordele. Fordelen er muligheden for at bruge standardmaterialer (rustfri stålplader og nikkelkatalysator på elektroderne). Spildvarmen kan bruges til at producere højtryksdamp. Høje reaktionstemperaturer i elektrolytten har også deres fordele. Brugen af ​​høje temperaturer kræver lang tid for at opnå optimale driftsforhold, og systemet reagerer langsommere på ændringer i energiforbruget. Disse egenskaber tillader brugen af ​​brændselscelleinstallationer med smeltet carbonatelektrolyt under konstante strømforhold. Høje temperaturer forhindrer beskadigelse af brændselscellen ved kulilte, "forgiftning" osv.

Brændselsceller med smeltet karbonatelektrolyt er velegnede til brug i store stationære installationer. Termiske kraftværker med en elektrisk udgangseffekt på 2,8 MW er kommercielt produceret. Installationer med udgangseffekt op til 100 MW er under udvikling.

3. Fosforsyrebrændselsceller (PAFC)

Brændselsceller baseret på phosphorsyre (orthophosphorsyre). blev de første brændselsceller til kommerciel brug. Denne proces blev udviklet i midten af ​​60'erne af det tyvende århundrede, test er blevet udført siden 70'erne af det tyvende århundrede. Resultatet var øget stabilitet og ydeevne og reducerede omkostninger.

Fosforsyre (orthophosphorsyre) brændselsceller bruger en elektrolyt baseret på orthophosphorsyre (H3PO4) i koncentrationer op til 100%. Fosforsyrens ionledningsevne er lav ved lave temperaturer, så disse brændselsceller bruges ved temperaturer op til 150-220 °C.

Ladningsbæreren i brændselsceller af denne type er brint (H+, proton). En lignende proces sker i protonudvekslingsmembranbrændselsceller (PEMFC'er), hvor brint, der tilføres anoden, opdeles i protoner og elektroner. Protoner bevæger sig gennem elektrolytten og kombineres med ilt fra luften ved katoden for at danne vand. Elektronerne sendes gennem et eksternt elektrisk kredsløb og genererer derved en elektrisk strøm. Nedenfor er reaktioner, der genererer elektrisk strøm og varme.

Reaktion ved anoden: 2H2 => 4H+ + 4e

Reaktion ved katoden: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O

Generel reaktion af grundstoffet: 2H2 + O2 => 2H2O

Effektiviteten af ​​brændselsceller baseret på phosphorsyre (orthophosphorsyre) er mere end 40 %, når de genererer elektrisk energi. Med kombineret produktion af varme og el er den samlede virkningsgrad omkring 85 %. Desuden kan spildvarme, givet driftstemperaturer, bruges til at opvarme vand og generere atmosfærisk trykdamp.

Den høje ydeevne af termiske kraftværker, der anvender brændselsceller baseret på fosforsyre (orthophosphorsyre) i den kombinerede produktion af termisk og elektrisk energi er en af ​​fordelene ved denne type brændselsceller. Enhederne anvender kulilte med en koncentration på omkring 1,5 %, hvilket udvider valget af brændstof betydeligt. Enkelt design, lav grad af elektrolytflygtighed og øget stabilitet er også fordele ved sådanne brændselsceller.

Termiske kraftværker med elektrisk udgangseffekt på op til 400 kW er kommercielt produceret. Anlæg med en kapacitet på 11 MW har bestået passende test. Installationer med udgangseffekt op til 100 MW er under udvikling.

4. Protonudvekslingsmembranbrændselsceller (PEMFC)

Protonudvekslingsmembranbrændselsceller betragtes som den bedste type brændselsceller til at generere strøm til køretøjer, som kan erstatte benzin- og dieselforbrændingsmotorer. Disse brændselsceller blev først brugt af NASA til Gemini-programmet. Installationer baseret på MOPFC med effekt fra 1 W til 2 kW er udviklet og demonstreret.

Elektrolytten i disse brændselsceller er en solid polymermembran (en tynd film af plastik). Når den er mættet med vand, tillader denne polymer protoner at passere igennem, men leder ikke elektroner.

Brændstoffet er brint, og ladningsbæreren er en hydrogenion (proton). Ved anoden opdeles brintmolekylet i en brintion (proton) og elektroner. Hydrogenioner passerer gennem elektrolytten til katoden, og elektroner bevæger sig rundt i den ydre cirkel og producerer elektrisk energi. Ilt, som tages fra luften, tilføres katoden og kombineres med elektroner og brintioner for at danne vand. Følgende reaktioner sker ved elektroderne: Reaktion ved anoden: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4eReaktion ved katoden: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH Samlet cellereaktion: 2H2 + O2 => 2H2O Sammenlignet med andre typer af brændselsceller producerer brændselsceller med en protonudvekslingsmembran mere energi til en given volumen eller vægt af brændselscellen. Denne funktion giver dem mulighed for at være kompakte og lette. Derudover er driftstemperaturen mindre end 100°C, hvilket giver dig mulighed for hurtigt at starte driften. Disse egenskaber, såvel som evnen til hurtigt at ændre energiproduktionen, er blot nogle få, der gør disse brændselsceller til en førsteklasses kandidat til brug i køretøjer.

En anden fordel er, at elektrolytten er et fast stof snarere end en væske. Det er lettere at tilbageholde gasser ved katoden og anoden ved hjælp af en fast elektrolyt, så sådanne brændselsceller er billigere at producere. Med en fast elektrolyt er der ingen orienteringsproblemer og færre korrosionsproblemer, hvilket øger cellens og dens komponenters levetid.

5. Fast oxid brændselsceller (SOFC)

Fast oxid brændselsceller er brændselscellerne med den højeste driftstemperatur. Driftstemperaturen kan variere fra 600°C til 1000°C, hvilket tillader brug af forskellige typer brændstof uden særlig forbehandling. Til at håndtere så høje temperaturer er den anvendte elektrolyt et tyndt fast metaloxid på en keramisk basis, ofte en legering af yttrium og zirconium, som er en leder af oxygenioner (O2-). Teknologien til at bruge fastoxidbrændselsceller har udviklet sig siden slutningen af ​​50'erne af det tyvende århundrede og har to konfigurationer: plane og rørformede.

Den faste elektrolyt giver en forseglet overgang af gas fra en elektrode til en anden, mens flydende elektrolytter er placeret i et porøst substrat. Ladningsbæreren i brændselsceller af denne type er oxygenionen (O2-). Ved katoden adskilles iltmolekyler fra luften i en iltion og fire elektroner. Oxygenioner passerer gennem elektrolytten og kombineres med brint, hvilket skaber fire frie elektroner. Elektronerne sendes gennem et eksternt elektrisk kredsløb, der genererer elektrisk strøm og spildvarme.

Reaktion ved anoden: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e

Reaktion ved katoden: O2 + 4e- => 2O2-

Generel reaktion af grundstoffet: 2H2 + O2 => 2H2O

Effektiviteten af ​​elektrisk energiproduktion er den højeste af alle brændselsceller - omkring 60%. Derudover giver høje driftstemperaturer mulighed for kombineret produktion af termisk og elektrisk energi til at generere højtryksdamp. Kombinationen af ​​en højtemperaturbrændselscelle med en turbine gør det muligt at skabe en hybridbrændselscelle for at øge effektiviteten af ​​generering af elektrisk energi med op til 70%.

Fastoxidbrændselsceller fungerer ved meget høje temperaturer (600°C-1000°C), hvilket resulterer i betydelig tid, der kræves for at opnå optimale driftsforhold og en langsommere systemrespons på ændringer i energiforbruget. Ved så høje driftstemperaturer kræves der ingen konverter for at genvinde brint fra brændstoffet, hvilket gør det muligt for termiske kraftværker at fungere med relativt urene brændstoffer, der stammer fra forgasning af kul eller affaldsgasser osv. Brændselscellen er også fremragende til højeffektapplikationer, herunder industrielle og store centrale kraftværker. Moduler med en elektrisk udgangseffekt på 100 kW er kommercielt produceret.

6. Direkte methanoloxidationsbrændselsceller (DOMFC)

Direkte methanol oxidation brændselsceller De bruges med succes inden for strømforsyning til mobiltelefoner, bærbare computere samt til at skabe bærbare strømkilder, hvilket er, hvad den fremtidige brug af sådanne elementer er rettet mod.

Designet af brændselsceller med direkte oxidation af methanol ligner designet af brændselsceller med en protonbyttermembran (MEPFC), dvs. En polymer bruges som elektrolyt, og en hydrogenion (proton) bruges som ladningsbærer. Men flydende methanol (CH3OH) oxiderer i nærværelse af vand ved anoden og frigiver CO2, hydrogenioner og elektroner, som sendes gennem et eksternt elektrisk kredsløb, og derved genererer en elektrisk strøm. Hydrogenioner passerer gennem elektrolytten og reagerer med ilt fra luften og elektroner fra det eksterne kredsløb for at danne vand ved anoden.

Reaktion ved anoden: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6eReaktion ved katoden: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O Generel reaktion af grundstoffet: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O Udviklingen af ​​f.eks. brændselsceller er blevet udført siden begyndelsen af ​​90'erne af det tyvende århundrede, og deres specifikke kraft og effektivitet blev øget til 40%.

Disse elementer blev testet i temperaturområdet 50-120°C. På grund af deres lave driftstemperaturer og fraværet af behovet for en konverter, er sådanne brændselsceller en førsteklasses kandidat til brug i mobiltelefoner og andre forbrugerprodukter såvel som i bilmotorer. Deres fordel er også deres lille størrelse.

7. Polymerelektrolytbrændselsceller (PEFC)

I tilfælde af polymerelektrolytbrændselsceller består polymermembranen af ​​polymerfibre med vandområder, hvor ledningsvandioner H2O+ (proton, rød) binder sig til et vandmolekyle. Vandmolekyler udgør et problem på grund af langsom ionbytning. Derfor kræves der en høj koncentration af vand både i brændstoffet og ved udløbselektroderne, hvilket begrænser driftstemperaturen til 100°C.

8. Faste sure brændselsceller (SFC)

I faste sure brændselsceller indeholder elektrolytten (CsHSO4) ikke vand. Driftstemperaturen er derfor 100-300°C. Rotationen af ​​SO42 oxyanionerne gør det muligt for protonerne (røde) at bevæge sig som vist på figuren. Typisk er en fast syre brændselscelle en sandwich, hvor et meget tyndt lag af fast syreforbindelse er klemt mellem to elektroder, der er tæt presset sammen for at sikre god kontakt. Når den opvarmes, fordamper den organiske komponent og kommer ud gennem porerne i elektroderne, hvilket bevarer evnen til flere kontakter mellem brændstoffet (eller oxygen i den anden ende af elementet), elektrolytten og elektroderne.

9. Sammenligning af brændselscellers vigtigste egenskaber

Karakteristika for brændselsceller

Brændselscelle type	Driftstemperatur	Effektivitet i elproduktion	Brændstoftype	Anvendelsesområde
				Mellemstore og store installationer
			Ren brint	installationer
			Ren brint	Små installationer
			De fleste kulbrintebrændstoffer	Små, mellemstore og store installationer
				Transportabel installationer
			Ren brint	Plads forsket
			Ren brint	Små installationer

10. Brug af brændselsceller i biler