Anda tidak lagi akan mengejutkan sesiapa sahaja dengan sama ada panel solar atau turbin angin, yang menjana elektrik di semua rantau di dunia. Tetapi output daripada peranti ini tidak tetap dan perlu memasang sumber kuasa sandaran atau menyambung ke rangkaian untuk mendapatkan elektrik dalam tempoh sumber tenaga boleh diperbaharui tidak menjana elektrik. Walau bagaimanapun, terdapat pemasangan, dibangunkan pada abad ke-19, yang menggunakan bahan api "alternatif" untuk menjana elektrik, iaitu tidak membakar gas atau produk petroleum. Pemasangan sedemikian adalah sel bahan api.

SEJARAH PENCIPTAAN

Sel bahan api (FC) atau sel bahan api ditemui pada tahun 1838-1839 oleh William Grove (Grove, Grove), ketika dia sedang mengkaji elektrolisis air.

Bantuan: Elektrolisis air ialah proses penguraian air di bawah pengaruh arus elektrik kepada molekul hidrogen dan oksigen

Setelah memutuskan sambungan bateri dari sel elektrolitik, dia terkejut apabila mendapati elektrod mula menyerap gas yang dilepaskan dan menjana arus. Penemuan proses pembakaran hidrogen "sejuk" elektrokimia merupakan peristiwa penting dalam industri tenaga. Dia kemudiannya mencipta bateri Grove. Peranti ini mempunyai elektrod platinum yang direndam dalam asid nitrik dan elektrod zink dalam zink sulfat. Ia menghasilkan arus 12 ampere dan voltan 8 volt. Grow sendiri memanggil reka bentuk ini "bateri basah". Dia kemudian mencipta bateri menggunakan dua elektrod platinum. Satu hujung setiap elektrod adalah dalam asid sulfurik, dan hujung yang lain dimeterai dalam bekas dengan hidrogen dan oksigen. Terdapat arus yang stabil di antara elektrod, dan jumlah air di dalam bekas meningkat. Grow dapat mengurai dan menambah baik air dalam peranti ini.

"Bateri Tumbuh"

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

Istilah "sel bahan api" (Bahasa Inggeris "Fuel Cell") muncul hanya pada tahun 1889 oleh L. Mond dan
C. Langer, yang cuba mencipta peranti untuk menjana elektrik daripada udara dan gas arang batu.

BAGAIMANA INI BERFUNGSI?

Sel bahan api adalah peranti yang agak mudah. Ia mempunyai dua elektrod: anod (elektrod negatif) dan katod (elektrod positif). Tindak balas kimia berlaku pada elektrod. Untuk mempercepatkannya, permukaan elektrod disalut dengan mangkin. FC dilengkapi dengan satu lagi elemen - selaput. Penukaran tenaga kimia bahan api secara langsung kepada elektrik berlaku terima kasih kepada kerja membran. Ia memisahkan dua ruang unsur di mana bahan api dan pengoksida dibekalkan. Membran membenarkan hanya proton, yang dihasilkan sebagai hasil daripada pemisahan bahan api, untuk berpindah dari satu ruang ke ruang yang lain pada elektrod yang disalut dengan mangkin (elektron kemudian bergerak melalui litar luaran). Dalam ruang kedua, proton bergabung dengan elektron (dan atom oksigen) untuk membentuk air.

Prinsip kerja sel bahan api hidrogen

Pada peringkat kimia, proses menukar tenaga bahan api kepada tenaga elektrik adalah sama dengan proses pembakaran konvensional (pengoksidaan).

Semasa pembakaran biasa dalam oksigen, pengoksidaan bahan api organik berlaku, dan tenaga kimia bahan api ditukar kepada tenaga haba. Mari kita lihat apa yang berlaku semasa pengoksidaan hidrogen dengan oksigen dalam persekitaran elektrolit dan dengan kehadiran elektrod.

Dengan membekalkan hidrogen kepada elektrod yang terletak dalam persekitaran alkali, tindak balas kimia berlaku:

2H 2 + 4OH - → 4H 2 O + 4e -

Seperti yang anda lihat, kita mendapat elektron yang, melalui litar luaran, tiba di elektrod bertentangan, yang mana oksigen mengalir dan di mana tindak balas berlaku:

4e- + O 2 + 2H 2 O → 4OH -

Dapat dilihat bahawa tindak balas yang terhasil 2H 2 + O 2 → H 2 O adalah sama seperti semasa pembakaran biasa, tetapi Sel bahan api menghasilkan arus elektrik dan sedikit haba.

JENIS-JENIS SEL BAHAN BAKAR

Adalah lazim untuk mengelaskan sel bahan api mengikut jenis elektrolit yang digunakan untuk tindak balas:

Ambil perhatian bahawa sel bahan api juga boleh menggunakan arang batu, karbon monoksida, alkohol, hidrazin, dan bahan organik lain sebagai bahan api, dan udara, hidrogen peroksida, klorin, bromin, asid nitrik, dsb. sebagai agen pengoksida.

KECEKAPAN SEL BAHAN BAKAR

Satu ciri sel bahan api ialah tiada had ketat terhadap kecekapan, seperti enjin haba.

Bantuan: KecekapanKitaran Carnot ialah kecekapan tertinggi yang mungkin di antara semua enjin haba dengan suhu minimum dan maksimum yang sama.

Oleh itu, kecekapan sel bahan api secara teori boleh lebih tinggi daripada 100%. Ramai yang tersenyum dan berfikir, "Mesin gerakan kekal telah dicipta." Tidak, di sini kita harus kembali ke kursus kimia sekolah. Sel bahan api adalah berdasarkan kepada penukaran tenaga kimia kepada tenaga elektrik. Di sinilah keajaiban berlaku. Tindak balas kimia tertentu apabila ia berlaku boleh menyerap haba daripada persekitaran.

Bantuan: Tindak balas endotermik ialah tindak balas kimia yang disertai dengan penyerapan haba. Untuk tindak balas endotermik, perubahan dalam entalpi dan tenaga dalaman mempunyai nilai positif (Δ H >0, Δ U >0), oleh itu produk tindak balas mengandungi lebih banyak tenaga daripada komponen permulaan.

Contoh tindak balas sedemikian ialah pengoksidaan hidrogen, yang digunakan dalam kebanyakan sel bahan api. Oleh itu, secara teorinya, kecekapan boleh melebihi 100%. Tetapi hari ini, sel bahan api menjadi panas semasa operasi dan tidak dapat menyerap haba daripada persekitaran.

Bantuan: Had ini dikenakan oleh undang-undang kedua termodinamik. Proses pemindahan haba dari badan "sejuk" kepada badan "panas" tidak mungkin.

Selain itu, terdapat kerugian yang berkaitan dengan proses nonequilibrium. Seperti: kehilangan ohmik disebabkan oleh kekonduksian khusus elektrolit dan elektrod, pengaktifan dan polarisasi kepekatan, kehilangan resapan. Akibatnya, sebahagian daripada tenaga yang dijana dalam sel bahan api ditukar kepada haba. Oleh itu, sel bahan api bukanlah mesin gerakan kekal dan kecekapannya kurang daripada 100%. Tetapi kecekapan mereka lebih besar daripada mesin lain. Hari ini Kecekapan sel bahan api mencapai 80%.

Rujukan: Pada tahun empat puluhan, jurutera Inggeris T. Bacon mereka bentuk dan membina bateri sel bahan api dengan jumlah kuasa 6 kW dan kecekapan 80%, berjalan pada hidrogen dan oksigen tulen, tetapi nisbah kuasa kepada berat bateri ternyata terlalu kecil - elemen sedemikian tidak sesuai untuk kegunaan praktikal dan terlalu mahal (sumber: http://www.powerinfo.ru/).

MASALAH SEL BAHAN BAKAR

Hampir semua sel bahan api menggunakan hidrogen sebagai bahan api, jadi persoalan logik timbul: "Di mana saya boleh mendapatkannya?"

Nampaknya sel bahan api telah ditemui hasil daripada elektrolisis, jadi adalah mungkin untuk menggunakan hidrogen yang dibebaskan sebagai hasil daripada elektrolisis. Tetapi mari kita lihat proses ini dengan lebih terperinci.

Mengikut undang-undang Faraday: jumlah bahan yang teroksida di anod atau dikurangkan pada katod adalah berkadar dengan jumlah elektrik yang melalui elektrolit. Ini bermakna untuk mendapatkan lebih banyak hidrogen, anda perlu membelanjakan lebih banyak tenaga elektrik. Kaedah sedia ada elektrolisis air beroperasi dengan kecekapan kurang daripada satu. Kemudian kami menggunakan hidrogen yang terhasil dalam sel bahan api, di mana kecekapan juga kurang daripada perpaduan. Oleh itu, kita akan menghabiskan lebih banyak tenaga daripada yang kita boleh hasilkan.

Sudah tentu, anda boleh menggunakan hidrogen yang dihasilkan daripada gas asli. Kaedah menghasilkan hidrogen ini kekal paling murah dan paling popular. Pada masa ini, kira-kira 50% daripada hidrogen yang dihasilkan di seluruh dunia berasal daripada gas asli. Tetapi terdapat masalah dengan menyimpan dan mengangkut hidrogen. Hidrogen mempunyai ketumpatan rendah ( satu liter hidrogen seberat 0.0846 g), jadi untuk mengangkutnya dalam jarak yang jauh ia mesti dimampatkan. Dan ini adalah tenaga tambahan dan kos kewangan. Juga, jangan lupa tentang keselamatan.

Walau bagaimanapun, terdapat juga penyelesaian di sini - bahan api hidrokarbon cecair boleh digunakan sebagai sumber hidrogen. Contohnya, etil atau metil alkohol. Benar, ini memerlukan peranti tambahan khas - penukar bahan api, yang pada suhu tinggi (untuk metanol ia akan menjadi kira-kira 240 ° C) menukar alkohol menjadi campuran gas H 2 dan CO 2. Tetapi dalam kes ini, sudah lebih sukar untuk memikirkan kemudahalihan - peranti sedemikian bagus untuk digunakan sebagai penjana pegun atau kereta, tetapi untuk peralatan mudah alih padat anda memerlukan sesuatu yang kurang besar.

Pemangkin

Untuk meningkatkan tindak balas dalam sel bahan api, permukaan anod biasanya dirawat dengan pemangkin. Sehingga baru-baru ini, platinum digunakan sebagai pemangkin. Oleh itu, kos sel bahan api adalah tinggi. Kedua, platinum adalah logam yang agak jarang berlaku. Menurut pakar, dengan pengeluaran industri sel bahan api, rizab platinum yang terbukti akan kehabisan dalam 15-20 tahun. Tetapi saintis di seluruh dunia cuba menggantikan platinum dengan bahan lain. By the way, sebahagian daripada mereka mencapai keputusan yang baik. Jadi saintis China menggantikan platinum dengan kalsium oksida (sumber: www.cheburek.net).

MENGGUNAKAN SEL BAHAN BAKAR

Sel bahan api pertama dalam teknologi automotif telah diuji pada tahun 1959. Traktor Alice-Chambers menggunakan 1008 bateri untuk beroperasi. Bahan api adalah campuran gas, terutamanya propana dan oksigen.

Sumber: http://www.planetseed.com/

Sejak pertengahan 60-an, pada kemuncak "perlumbaan angkasa lepas", pencipta kapal angkasa mula berminat dengan sel bahan api. Kerja beribu-ribu saintis dan jurutera membolehkan kami mencapai tahap yang baru, dan pada tahun 1965. sel bahan api telah diuji di Amerika Syarikat pada kapal angkasa Gemini 5, dan kemudian pada kapal angkasa Apollo untuk penerbangan ke Bulan dan program Shuttle. Di USSR, sel bahan api telah dibangunkan di NPO Kvant, juga untuk kegunaan di angkasa (sumber: http://www.powerinfo.ru/).

Memandangkan dalam sel bahan api produk akhir pembakaran hidrogen adalah air, ia dianggap paling bersih dari segi kesan alam sekitar. Oleh itu, sel bahan api mula mendapat populariti dengan latar belakang minat umum terhadap alam sekitar.

Sudah, pengeluar kereta seperti Honda, Ford, Nissan dan Mercedes-Benz telah mencipta kereta yang dikuasakan oleh sel bahan api hidrogen.

Mercedes-Benz - Ener-G-Force dikuasakan oleh hidrogen

Apabila menggunakan kereta hidrogen, masalah penyimpanan hidrogen diselesaikan. Pembinaan stesen minyak hidrogen akan membolehkan anda mengisi minyak di mana-mana sahaja. Selain itu, mengisi minyak kereta dengan hidrogen adalah lebih cepat daripada mengecas kereta elektrik di stesen minyak. Tetapi apabila melaksanakan projek sedemikian, kami menghadapi masalah yang serupa dengan kenderaan elektrik. Orang ramai bersedia untuk beralih kepada kereta hidrogen jika terdapat infrastruktur untuk mereka. Dan pembinaan stesen minyak akan dimulakan sekiranya terdapat bilangan pengguna yang mencukupi. Oleh itu, kita kembali kepada dilema telur dan ayam.

Sel bahan api digunakan secara meluas dalam telefon bimbit dan komputer riba. Masa telah berlalu apabila telefon dicas seminggu sekali. Kini telefon dicas hampir setiap hari, dan komputer riba berfungsi selama 3-4 jam tanpa rangkaian. Oleh itu, pengeluar teknologi mudah alih memutuskan untuk mensintesis sel bahan api dengan telefon dan komputer riba untuk pengecasan dan operasi. Sebagai contoh, syarikat Toshiba pada tahun 2003. menunjukkan prototaip siap sel bahan api metanol. Ia menghasilkan kuasa kira-kira 100 mW. Satu isi semula 2 kiub metanol pekat (99.5%) cukup untuk 20 jam operasi pemain MP3. Sekali lagi, Toshiba yang sama menunjukkan bateri untuk menghidupkan komputer riba berukuran 275x75x40mm, membolehkan komputer beroperasi selama 5 jam dengan sekali cas.

Tetapi beberapa pengeluar telah pergi lebih jauh. Syarikat PowerTrekk telah mengeluarkan pengecas dengan nama yang sama. PowerTrekk ialah pengecas air pertama di dunia. Ia sangat mudah digunakan. PowerTrekk memerlukan penambahan air untuk membekalkan elektrik segera melalui kord USB. Sel bahan api ini mengandungi serbuk silikon dan natrium silisid (NaSi) apabila dicampur dengan air, gabungan itu menghasilkan hidrogen. Hidrogen bercampur dengan udara dalam sel bahan api itu sendiri, dan ia menukar hidrogen kepada elektrik melalui pertukaran membran-protonnya, tanpa kipas atau pam. Anda boleh membeli pengecas mudah alih sedemikian dengan harga 149 € (

Sel bahan api (penjana elektrokimia) mewakili kaedah penjanaan tenaga yang sangat cekap, tahan lama, boleh dipercayai dan mesra alam. Pada mulanya, ia hanya digunakan dalam industri angkasa, tetapi hari ini penjana elektrokimia semakin digunakan dalam pelbagai bidang: bekalan kuasa untuk telefon bimbit dan komputer riba, enjin kenderaan, sumber kuasa autonomi untuk bangunan, dan loji kuasa pegun. Sesetengah peranti ini beroperasi sebagai prototaip makmal, manakala yang lain digunakan untuk tujuan demonstrasi atau sedang menjalani ujian pra-pengeluaran. Walau bagaimanapun, banyak model telah digunakan dalam projek komersial dan dihasilkan secara besar-besaran.

Peranti

Sel bahan api ialah peranti elektrokimia yang mampu menyediakan kadar penukaran tenaga kimia sedia ada yang tinggi kepada tenaga elektrik.

Peranti sel bahan api termasuk tiga bahagian utama:

1. Bahagian penjanaan kuasa;
2. CPU;
3. Penukar voltan.

Bahagian utama sel bahan api ialah bahagian penjanaan kuasa, iaitu bateri yang diperbuat daripada sel bahan api individu. Mangkin platinum disertakan dalam struktur elektrod sel bahan api. Menggunakan sel-sel ini, arus elektrik yang berterusan dicipta.

Salah satu peranti ini mempunyai ciri-ciri berikut: pada voltan 155 volt, 1400 ampere dihasilkan. Dimensi bateri ialah 0.9 m lebar dan tinggi, dan 2.9 m panjang. Proses elektrokimia di dalamnya dijalankan pada suhu 177 °C, yang memerlukan pemanasan bateri pada masa permulaan, serta penyingkiran haba semasa operasinya. Untuk tujuan ini, litar air berasingan dimasukkan ke dalam sel bahan api, dan bateri dilengkapi dengan plat penyejuk khas.

Proses bahan api menukarkan gas asli kepada hidrogen, yang diperlukan untuk tindak balas elektrokimia. Elemen utama pemproses bahan api ialah pembaharu. Di dalamnya, gas asli (atau bahan api yang mengandungi hidrogen lain) berinteraksi pada tekanan tinggi dan suhu tinggi (kira-kira 900 ° C) dengan wap air di bawah tindakan pemangkin nikel.

Untuk mengekalkan suhu yang diperlukan pembaharu terdapat pembakar. Stim yang diperlukan untuk reformasi terhasil daripada kondensat. Arus terus yang tidak stabil dijana dalam bateri sel bahan api dan penukar voltan digunakan untuk menukarnya.

Juga dalam blok penukar voltan terdapat:

• Peranti kawalan.
• Litar kunci keselamatan yang menutup sel bahan api semasa pelbagai kerosakan.

Prinsip operasi

Sel membran pertukaran proton yang paling ringkas terdiri daripada membran polimer yang terletak di antara anod dan katod, serta pemangkin katod dan anod. Membran polimer digunakan sebagai elektrolit.

• Membran pertukaran proton kelihatan seperti sebatian organik pepejal nipis dengan ketebalan kecil. Membran ini berfungsi sebagai elektrolit dengan kehadiran air, ia memisahkan bahan menjadi ion bercas negatif dan positif.
• Pengoksidaan bermula di anod, dan pengurangan berlaku di katod. Katod dan anod dalam sel PEM diperbuat daripada bahan berliang ia adalah campuran zarah platinum dan karbon. Platinum bertindak sebagai pemangkin, yang menggalakkan tindak balas disosiasi. Katod dan anod dibuat berliang supaya oksigen dan hidrogen melaluinya dengan bebas.
• Anod dan katod terletak di antara dua plat logam, ia membekalkan oksigen dan hidrogen kepada katod dan anod, dan mengeluarkan tenaga elektrik, haba dan air.
• Melalui saluran dalam plat, molekul hidrogen memasuki anod, di mana molekul diuraikan menjadi atom.
• Hasil daripada chemisorption di bawah pengaruh mangkin, atom hidrogen ditukar kepada ion hidrogen H+ bercas positif, iaitu proton.
• Proton meresap ke katod melalui membran, dan aliran elektron pergi ke katod melalui litar elektrik luaran khas. Beban disambungkan kepadanya, iaitu pengguna tenaga elektrik.
• Oksigen, yang dibekalkan kepada katod, apabila terdedah, memasuki tindak balas kimia dengan elektron daripada litar elektrik luaran dan ion hidrogen daripada membran pertukaran proton. Akibat tindak balas kimia ini, air muncul.

Tindak balas kimia yang berlaku dalam jenis sel bahan api lain (contohnya, dengan elektrolit berasid dalam bentuk asid ortofosforik H3PO4) adalah sama sepenuhnya dengan tindak balas peranti dengan membran pertukaran proton.

Spesies

Pada masa ini, beberapa jenis sel bahan api diketahui, yang berbeza dalam komposisi elektrolit yang digunakan:

• Sel bahan api berasaskan asid ortofosforik atau fosforik (PAFC, Sel Bahan Api Asid Fosforik).
• Peranti dengan membran pertukaran proton (PEMFC, Sel Bahan Api Membran Proton Exchange).
• Sel bahan api oksida pepejal (SOFC, Sel Bahan Api Oksida Pepejal).
• Penjana elektrokimia berasaskan karbonat cair (MCFC, Sel Bahan Api Karbonat Lebur).

Pada masa ini, penjana elektrokimia menggunakan teknologi PAFC telah menjadi lebih meluas.

Permohonan

Hari ini, sel bahan api digunakan dalam Space Shuttle, kapal angkasa yang boleh diguna semula. Mereka menggunakan unit 12 W. Mereka menjana semua tenaga elektrik pada kapal angkasa. Air yang terbentuk semasa tindak balas elektrokimia digunakan untuk diminum, termasuk untuk peralatan penyejukan.

Penjana elektrokimia juga digunakan untuk menggerakkan Soviet Buran, sebuah kapal angkasa yang boleh digunakan semula.

Sel bahan api juga digunakan dalam sfera awam.

• Pemasangan pegun dengan kuasa 5–250 kW dan ke atas. Ia digunakan sebagai sumber autonomi untuk bekalan haba dan kuasa kepada bangunan perindustrian, awam dan kediaman, bekalan kuasa kecemasan dan sandaran, dan bekalan kuasa yang tidak terganggu.
• Unit mudah alih dengan kuasa 1–50 kW. Ia digunakan untuk satelit angkasa dan kapal. Contoh dicipta untuk kereta golf, kerusi roda, peti sejuk kereta api dan barang serta papan tanda jalan.
• Pemasangan mudah alih dengan kuasa 25–150 kW. Ia mula digunakan dalam kapal tentera dan kapal selam, termasuk kereta dan kenderaan lain. Prototaip telah pun dicipta oleh gergasi automotif seperti Renault, Neoplan, Toyota, Volkswagen, Hyundai, Nissan, VAZ, General Motors, Honda, Ford dan lain-lain.
• Peranti mikro dengan kuasa 1–500 W. Mereka menemui aplikasi dalam komputer pegang tangan termaju, komputer riba, peranti elektronik pengguna, telefon mudah alih dan peranti tentera moden.

Keanehan

• Sebahagian daripada tenaga daripada tindak balas kimia dalam setiap sel bahan api dibebaskan sebagai haba. Penyejukan diperlukan. Dalam litar luaran, aliran elektron mencipta arus terus yang digunakan untuk melakukan kerja. Menghentikan pergerakan ion hidrogen atau membuka litar luaran membawa kepada penghentian tindak balas kimia.
• Jumlah tenaga elektrik yang dihasilkan oleh sel bahan api ditentukan oleh tekanan gas, suhu, dimensi geometri dan jenis sel bahan api. Untuk meningkatkan jumlah elektrik yang dihasilkan oleh tindak balas, sel bahan api boleh dibuat lebih besar, tetapi dalam praktiknya beberapa sel digunakan, yang digabungkan menjadi bateri.
• Proses kimia dalam beberapa jenis sel bahan api boleh diterbalikkan. Iaitu, apabila beza keupayaan digunakan pada elektrod, air boleh diuraikan menjadi oksigen dan hidrogen, yang akan dikumpulkan pada elektrod berliang. Apabila beban dihidupkan, sel bahan api tersebut akan menjana tenaga elektrik.

Prospek

Pada masa ini, penjana elektrokimia memerlukan kos permulaan yang besar untuk digunakan sebagai sumber tenaga utama. Dengan pengenalan membran yang lebih stabil dengan kekonduksian tinggi, pemangkin yang cekap dan murah, dan sumber hidrogen alternatif, sel bahan api akan menjadi sangat menarik dari segi ekonomi dan akan dilaksanakan di mana-mana sahaja.

• Kereta akan berjalan pada sel bahan api tidak akan ada enjin pembakaran dalaman sama sekali. Air atau hidrogen keadaan pepejal akan digunakan sebagai sumber tenaga. Pengisian bahan api akan menjadi mudah dan selamat, dan pemanduan akan mesra alam - hanya wap air akan dihasilkan.
• Semua bangunan akan mempunyai penjana kuasa sel bahan api mudah alih mereka sendiri.
• Penjana elektrokimia akan menggantikan semua bateri dan akan dipasang dalam mana-mana elektronik dan perkakas rumah.

Kelebihan dan kekurangan

Setiap jenis fuel cell mempunyai kelemahan dan kelebihan tersendiri. Sesetengahnya memerlukan bahan api berkualiti tinggi, yang lain mempunyai reka bentuk yang kompleks dan memerlukan suhu operasi yang tinggi.

Secara umum, kelebihan sel bahan api berikut boleh diperhatikan:

• keselamatan alam sekitar;
• penjana elektrokimia tidak perlu dicas semula;
• penjana elektrokimia boleh mencipta tenaga secara berterusan, mereka tidak mengambil berat tentang keadaan luaran;
• fleksibiliti dalam skala dan mudah alih.

Antara kelemahannya ialah:

• kesukaran teknikal dengan penyimpanan dan pengangkutan bahan api;
• elemen peranti yang tidak sempurna: pemangkin, membran, dan sebagainya.

sel bahan api ( Sel Bahan Api) ialah peranti yang menukarkan tenaga kimia kepada tenaga elektrik. Ia serupa pada prinsipnya dengan bateri konvensional, tetapi berbeza kerana operasinya memerlukan bekalan bahan yang berterusan dari luar untuk tindak balas elektrokimia berlaku. Hidrogen dan oksigen dibekalkan kepada sel bahan api, dan output adalah elektrik, air dan haba. Kelebihan mereka termasuk keramahan alam sekitar, kebolehpercayaan, ketahanan dan kemudahan operasi. Tidak seperti bateri konvensional, penukar elektrokimia boleh beroperasi hampir tanpa had selagi bahan api dibekalkan. Mereka tidak perlu dicaj selama berjam-jam sehingga dicas sepenuhnya. Selain itu, sel itu sendiri boleh mengecas bateri semasa kereta diletakkan dengan enjin dimatikan.

Sel bahan api yang paling banyak digunakan dalam kenderaan hidrogen ialah sel bahan api membran proton (PEMFC) dan sel bahan api oksida pepejal (SOFC).

Sel bahan api membran pertukaran proton berfungsi seperti berikut. Di antara anod dan katod terdapat membran khas dan pemangkin bersalut platinum. Hidrogen dibekalkan ke anod, dan oksigen (contohnya, dari udara) dibekalkan ke katod. Di anod, hidrogen diuraikan menjadi proton dan elektron dengan bantuan mangkin. Proton hidrogen melalui membran dan mencapai katod, dan elektron dipindahkan ke litar luar (membran tidak membenarkan mereka melalui). Beza keupayaan yang diperoleh itu membawa kepada penjanaan arus elektrik. Di bahagian katod, proton hidrogen dioksidakan oleh oksigen. Akibatnya, wap air muncul, yang merupakan unsur utama gas ekzos kereta. Mempunyai kecekapan tinggi, sel PEM mempunyai satu kelemahan yang ketara - operasinya memerlukan hidrogen tulen, yang penyimpanannya merupakan masalah yang agak serius.

Jika pemangkin sedemikian didapati menggantikan platinum yang mahal dalam sel-sel ini, maka sel bahan api yang murah untuk menjana elektrik akan segera dicipta, yang bermaksud dunia akan menghilangkan pergantungan minyak.

Sel Oksida Pepejal

Sel SOFC oksida pepejal tidak memerlukan ketulenan bahan api. Di samping itu, terima kasih kepada penggunaan pembaharu POX (Pengoksidaan Separa), sel tersebut boleh menggunakan petrol biasa sebagai bahan api. Proses menukar petrol terus kepada elektrik adalah seperti berikut. Dalam peranti khas - pembaharu, pada suhu kira-kira 800 ° C, petrol menguap dan terurai menjadi unsur konstituennya.

Ini membebaskan hidrogen dan karbon dioksida. Selanjutnya, juga di bawah pengaruh suhu dan menggunakan SOFC secara langsung (terdiri daripada bahan seramik berliang berdasarkan zirkonium oksida), hidrogen dioksidakan oleh oksigen di udara. Selepas memperoleh hidrogen daripada petrol, proses diteruskan mengikut senario yang diterangkan di atas, dengan hanya satu perbezaan: sel bahan api SOFC, tidak seperti peranti yang beroperasi pada hidrogen, kurang sensitif kepada kekotoran dalam bahan api asal. Jadi kualiti petrol tidak boleh menjejaskan prestasi sel bahan api.

Suhu operasi SOFC yang tinggi (650–800 darjah) adalah kelemahan yang ketara; proses memanaskan badan mengambil masa kira-kira 20 minit. Tetapi haba yang berlebihan tidak menjadi masalah, kerana ia dikeluarkan sepenuhnya oleh udara yang tinggal dan gas ekzos yang dihasilkan oleh reformer dan sel bahan api itu sendiri. Ini membolehkan sistem SOFC disepadukan ke dalam kenderaan sebagai peranti berasingan dalam perumahan terlindung haba.

Struktur modular membolehkan anda mencapai voltan yang diperlukan dengan menyambungkan set sel standard secara bersiri. Dan, mungkin yang paling penting dari sudut pandangan pelaksanaan peranti sedemikian, SOFC tidak mengandungi elektrod berasaskan platinum yang sangat mahal. Kos tinggi unsur-unsur ini merupakan salah satu halangan dalam pembangunan dan penyebaran teknologi PEMFC.

Jenis sel bahan api

Pada masa ini, terdapat jenis sel bahan api berikut:

• A.F.C.– Sel Bahan Api Beralkali (sel bahan api beralkali);
• PAFC– Sel Bahan Api Asid Fosforik (sel bahan api asid fosforik);
• PEMFC– Sel Bahan Api Membran Pertukaran Proton (sel bahan api dengan membran pertukaran proton);
• DMFC– Sel Bahan Api Metanol Langsung (sel bahan api dengan pecahan langsung metanol);
• MCFC– Sel Bahan Api Karbonat Lebur (sel bahan api karbonat cair);
• SOFC– Sel Bahan Api Oksida Pepejal (sel bahan api oksida pepejal).

Kelebihan sel/sel bahan api

Sel/sel bahan api ialah peranti yang cekap menghasilkan arus terus dan haba daripada bahan api yang kaya dengan hidrogen melalui tindak balas elektrokimia.

Sel bahan api adalah serupa dengan bateri kerana ia menghasilkan arus terus melalui tindak balas kimia. Sel bahan api termasuk anod, katod dan elektrolit. Walau bagaimanapun, tidak seperti bateri, sel bahan api tidak boleh menyimpan tenaga elektrik dan tidak menyahcas atau memerlukan elektrik untuk mengecas semula. Sel/sel bahan api boleh menghasilkan tenaga elektrik secara berterusan selagi ia mempunyai bekalan bahan api dan udara.

Tidak seperti penjana kuasa lain, seperti enjin pembakaran dalaman atau turbin yang dikuasakan oleh gas, arang batu, minyak bahan api, dll., sel/sel bahan api tidak membakar bahan api. Ini bermakna tiada rotor tekanan tinggi yang bising, tiada bunyi ekzos yang kuat, tiada getaran. Sel/sel bahan api menghasilkan elektrik melalui tindak balas elektrokimia senyap. Satu lagi ciri sel/sel bahan api ialah ia menukar tenaga kimia bahan api secara terus kepada elektrik, haba dan air.

Sel bahan api sangat cekap dan tidak menghasilkan sejumlah besar gas rumah hijau seperti karbon dioksida, metana dan nitrus oksida. Satu-satunya produk pelepasan semasa operasi ialah air dalam bentuk wap dan sejumlah kecil karbon dioksida, yang tidak dilepaskan sama sekali jika hidrogen tulen digunakan sebagai bahan api. Elemen/sel bahan api dipasang ke dalam pemasangan dan kemudian ke dalam modul berfungsi individu.

Sejarah perkembangan sel/sel bahan api

Pada tahun 1950-an dan 1960-an, salah satu cabaran paling mendesak untuk sel bahan api timbul daripada keperluan Pentadbiran Aeronautik dan Angkasa Lepas Kebangsaan (NASA) untuk sumber tenaga untuk misi angkasa lepas jangka panjang. Sel bahan api alkali NASA menggunakan hidrogen dan oksigen sebagai bahan api dengan menggabungkan dua unsur kimia dalam tindak balas elektrokimia. Keluaran ialah tiga hasil sampingan yang berguna daripada tindak balas dalam penerbangan angkasa lepas - elektrik untuk menggerakkan kapal angkasa, air untuk minuman dan sistem penyejukan, dan haba untuk memanaskan angkasawan.

Penemuan sel bahan api bermula pada awal abad ke-19. Bukti pertama kesan sel bahan api diperoleh pada tahun 1838.

Pada akhir 1930-an, kerja-kerja dimulakan pada sel bahan api dengan elektrolit alkali dan pada tahun 1939 sel menggunakan elektrod bersalut nikel tekanan tinggi telah dibina. Semasa Perang Dunia Kedua, sel/sel bahan api telah dibangunkan untuk kapal selam Tentera Laut British dan pada tahun 1958 pemasangan bahan api yang terdiri daripada sel/sel bahan api beralkali dengan diameter lebih daripada 25 cm telah diperkenalkan.

Minat meningkat pada 1950-an dan 1960-an, dan juga pada 1980-an, apabila dunia perindustrian mengalami kekurangan bahan api petroleum. Dalam tempoh yang sama, negara-negara dunia turut mengambil berat tentang masalah pencemaran udara dan mempertimbangkan cara untuk menjana tenaga elektrik secara mesra alam. Teknologi sel bahan api kini sedang mengalami perkembangan pesat.

Prinsip operasi sel/sel bahan api

Sel/sel bahan api menghasilkan elektrik dan haba akibat tindak balas elektrokimia yang berlaku menggunakan elektrolit, katod dan anod.

Anod dan katod dipisahkan oleh elektrolit yang mengalirkan proton. Selepas hidrogen mengalir ke anod dan oksigen ke katod, tindak balas kimia bermula, akibatnya arus elektrik, haba dan air dihasilkan.

Pada pemangkin anod, hidrogen molekul tercerai dan kehilangan elektron. Ion hidrogen (proton) dialirkan melalui elektrolit ke katod, manakala elektron disalurkan melalui elektrolit dan bergerak melalui litar elektrik luaran, menghasilkan arus terus yang boleh digunakan untuk peralatan kuasa. Pada pemangkin katod, molekul oksigen bergabung dengan elektron (yang dibekalkan daripada komunikasi luaran) dan proton masuk, dan membentuk air, yang merupakan satu-satunya hasil tindak balas (dalam bentuk wap dan/atau cecair).

Di bawah ialah tindak balas yang sepadan:

Tindak balas pada anod: 2H 2 => 4H+ + 4e -
Tindak balas pada katod: O 2 + 4H+ + 4e - => 2H 2 O
Tindak balas am unsur: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Jenis dan kepelbagaian elemen/sel bahan api

Sama seperti terdapat pelbagai jenis enjin pembakaran dalaman, terdapat pelbagai jenis sel bahan api - pemilihan jenis sel bahan api yang betul bergantung pada penggunaannya.

Sel bahan api dibahagikan kepada suhu tinggi dan suhu rendah. Sel bahan api suhu rendah memerlukan hidrogen yang agak tulen sebagai bahan api. Ini selalunya bermakna pemprosesan bahan api diperlukan untuk menukar bahan api utama (seperti gas asli) kepada hidrogen tulen. Proses ini menggunakan tenaga tambahan dan memerlukan peralatan khas. Sel bahan api suhu tinggi tidak memerlukan prosedur tambahan ini kerana mereka boleh "menukar secara dalaman" bahan api pada suhu tinggi, bermakna tidak perlu melabur dalam infrastruktur hidrogen.

Sel/Sel Bahan Api Karbonat Lebur (MCFC)

Sel bahan api elektrolit karbonat cair adalah sel bahan api suhu tinggi. Suhu operasi yang tinggi membolehkan penggunaan langsung gas asli tanpa pemproses bahan api dan gas bahan api nilai kalori rendah daripada proses perindustrian dan sumber lain.

Operasi RCFC berbeza daripada sel bahan api lain. Sel-sel ini menggunakan elektrolit yang diperbuat daripada campuran garam karbonat cair. Pada masa ini, dua jenis campuran digunakan: litium karbonat dan kalium karbonat atau litium karbonat dan natrium karbonat. Untuk mencairkan garam karbonat dan mencapai tahap mobiliti ion yang tinggi dalam elektrolit, sel bahan api dengan elektrolit karbonat cair beroperasi pada suhu tinggi (650°C). Kecekapan berbeza antara 60-80%.

Apabila dipanaskan pada suhu 650°C, garam menjadi konduktor untuk ion karbonat (CO 3 2-). Ion-ion ini berpindah dari katod ke anod, di mana ia bergabung dengan hidrogen untuk membentuk air, karbon dioksida dan elektron bebas. Elektron ini dihantar melalui litar elektrik luaran kembali ke katod, menghasilkan arus elektrik dan haba sebagai hasil sampingan.

Tindak balas pada anod: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Tindak balas pada katod: CO 2 + 1/2O 2 + 2e - => CO 3 2-
Tindak balas am unsur: H 2 (g) + 1/2O 2 (g) + CO 2 (katod) => H 2 O (g) + CO 2 (anod)

Suhu operasi yang tinggi bagi sel bahan api elektrolit karbonat cair mempunyai kelebihan tertentu. Pada suhu tinggi, gas asli diubah suai secara dalaman, menghapuskan keperluan untuk pemproses bahan api. Di samping itu, kelebihan termasuk keupayaan untuk menggunakan bahan binaan standard seperti kepingan keluli tahan karat dan mangkin nikel pada elektrod. Haba buangan boleh digunakan untuk menghasilkan wap tekanan tinggi untuk pelbagai tujuan perindustrian dan komersial.

Suhu tindak balas yang tinggi dalam elektrolit juga mempunyai kelebihannya. Penggunaan suhu tinggi memerlukan masa yang ketara untuk mencapai keadaan operasi yang optimum, dan sistem bertindak balas dengan lebih perlahan kepada perubahan dalam penggunaan tenaga. Ciri-ciri ini membenarkan penggunaan pemasangan sel bahan api dengan elektrolit karbonat cair di bawah keadaan kuasa yang berterusan. Suhu tinggi menghalang karbon monoksida daripada merosakkan sel bahan api.

Sel bahan api dengan elektrolit karbonat cair sesuai untuk digunakan dalam pemasangan pegun yang besar. Loji janakuasa haba dengan kuasa keluaran elektrik 3.0 MW dihasilkan secara komersial. Pemasangan dengan kuasa keluaran sehingga 110 MW sedang dibangunkan.

Sel/sel bahan api asid fosforik (PAFC)

Sel bahan api asid fosforik (ortofosforik) ialah sel bahan api pertama untuk kegunaan komersial.

Sel bahan api asid fosforik (ortofosforik) menggunakan elektrolit berasaskan asid ortofosforik (H 3 PO 4) dengan kepekatan sehingga 100%. Kekonduksian ionik asid fosforik adalah rendah pada suhu rendah, oleh sebab ini sel bahan api ini digunakan pada suhu sehingga 150–220°C.

Pembawa cas dalam sel bahan api jenis ini ialah hidrogen (H+, proton). Proses yang sama berlaku dalam sel bahan api membran pertukaran proton, di mana hidrogen yang dibekalkan kepada anod dibahagikan kepada proton dan elektron. Proton bergerak melalui elektrolit dan bergabung dengan oksigen dari udara di katod untuk membentuk air. Elektron dihantar melalui litar elektrik luaran, dengan itu menghasilkan arus elektrik. Di bawah adalah tindak balas yang menghasilkan arus elektrik dan haba.

Tindak balas pada anod: 2H 2 => 4H + + 4e -
Tindak balas pada katod: O 2 (g) + 4H + + 4e - => 2 H 2 O
Tindak balas am unsur: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Kecekapan sel bahan api berdasarkan asid fosforik (ortofosforik) adalah lebih daripada 40% apabila menjana tenaga elektrik. Dengan gabungan pengeluaran haba dan elektrik, kecekapan keseluruhan adalah kira-kira 85%. Di samping itu, berdasarkan suhu operasi, haba buangan boleh digunakan untuk memanaskan air dan menjana wap tekanan atmosfera.

Prestasi tinggi loji kuasa haba menggunakan sel bahan api berasaskan asid fosforik (ortofosforik) dalam gabungan pengeluaran tenaga haba dan elektrik adalah salah satu kelebihan sel bahan api jenis ini. Unit menggunakan karbon monoksida dengan kepekatan kira-kira 1.5%, yang secara signifikan mengembangkan pilihan bahan api. Di samping itu, CO 2 tidak menjejaskan elektrolit dan operasi sel bahan api ini berfungsi dengan bahan api semula jadi yang diperbaharui. Reka bentuk ringkas, tahap turun naik elektrolit yang rendah dan peningkatan kestabilan juga merupakan kelebihan sel bahan api jenis ini.

Loji kuasa haba dengan kuasa keluaran elektrik sehingga 500 kW dihasilkan secara komersil. Pemasangan 11 MW telah lulus ujian yang sesuai. Pemasangan dengan kuasa keluaran sehingga 100 MW sedang dibangunkan.

Sel/sel bahan api oksida pepejal (SOFC)

Sel bahan api oksida pepejal ialah sel bahan api suhu operasi tertinggi. Suhu operasi boleh berbeza dari 600°C hingga 1000°C, membenarkan penggunaan pelbagai jenis bahan api tanpa pra-rawatan khas. Untuk mengendalikan suhu yang begitu tinggi, elektrolit yang digunakan ialah oksida logam pepejal nipis pada asas seramik, selalunya aloi yttrium dan zirkonium, yang merupakan konduktor ion oksigen (O2-).

Elektrolit pepejal menyediakan peralihan gas yang tertutup dari satu elektrod ke yang lain, manakala elektrolit cecair terletak dalam substrat berliang. Pembawa cas dalam sel bahan api jenis ini ialah ion oksigen (O 2-). Di katod, molekul oksigen dari udara dipisahkan menjadi ion oksigen dan empat elektron. Ion oksigen melalui elektrolit dan bergabung dengan hidrogen, menghasilkan empat elektron bebas. Elektron dihantar melalui litar elektrik luaran, menghasilkan arus elektrik dan haba buangan.

Tindak balas pada anod: 2H 2 + 2O 2- => 2H 2 O + 4e -
Tindak balas pada katod: O 2 + 4e - => 2O 2-
Tindak balas am unsur: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Kecekapan tenaga elektrik yang dihasilkan adalah yang tertinggi dari semua sel bahan api - kira-kira 60-70%. Suhu operasi yang tinggi membolehkan gabungan pengeluaran tenaga haba dan elektrik untuk menghasilkan stim tekanan tinggi. Menggabungkan sel bahan api suhu tinggi dengan turbin memungkinkan untuk mencipta sel bahan api hibrid untuk meningkatkan kecekapan penjanaan tenaga elektrik sehingga 75%.

Sel bahan api oksida pepejal beroperasi pada suhu yang sangat tinggi (600°C–1000°C), menghasilkan masa yang ketara untuk mencapai keadaan operasi yang optimum dan tindak balas sistem yang lebih perlahan terhadap perubahan dalam penggunaan tenaga. Pada suhu operasi yang begitu tinggi, tiada penukar diperlukan untuk memulihkan hidrogen daripada bahan api, membenarkan loji kuasa haba beroperasi dengan bahan api yang agak tidak tulen hasil daripada pengegasan arang batu atau gas buangan, dsb. Sel bahan api juga sangat baik untuk aplikasi kuasa tinggi, termasuk perindustrian dan loji kuasa pusat yang besar. Modul dengan kuasa keluaran elektrik 100 kW dihasilkan secara komersial.

Sel bahan api pengoksidaan metanol langsung (DOMFCs)

Teknologi menggunakan sel bahan api dengan pengoksidaan langsung metanol sedang menjalani tempoh pembangunan aktif. Ia telah berjaya membuktikan dirinya dalam bidang kuasa telefon bimbit, komputer riba, serta untuk mencipta sumber kuasa mudah alih. Inilah tujuan penggunaan unsur-unsur ini pada masa hadapan.

Reka bentuk sel bahan api dengan pengoksidaan langsung metanol adalah serupa dengan sel bahan api dengan membran pertukaran proton (MEPFC), i.e. Polimer digunakan sebagai elektrolit, dan ion hidrogen (proton) digunakan sebagai pembawa cas. Walau bagaimanapun, metanol cecair (CH 3 OH) teroksida dengan kehadiran air di anod, membebaskan CO 2, ion hidrogen dan elektron, yang dihantar melalui litar elektrik luaran, dengan itu menghasilkan arus elektrik. Ion hidrogen melalui elektrolit dan bertindak balas dengan oksigen dari udara dan elektron dari litar luar untuk membentuk air di anod.

Tindak balas pada anod: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Tindak balas pada katod: 3/2O 2 + 6 H + + 6e - => 3H 2 O
Tindak balas am unsur: CH 3 OH + 3/2O 2 => CO 2 + 2H 2 O

Kelebihan sel bahan api jenis ini adalah saiznya yang kecil, kerana penggunaan bahan api cecair, dan ketiadaan keperluan untuk menggunakan penukar.

Sel/sel bahan api alkali (ALFC)

Sel bahan api alkali adalah salah satu sel yang paling cekap digunakan untuk menjana elektrik, dengan kecekapan penjanaan kuasa mencapai sehingga 70%.

Sel bahan api alkali menggunakan elektrolit, larutan kalium hidroksida berair, yang terkandung dalam matriks berliang dan stabil. Kepekatan kalium hidroksida mungkin berbeza-beza bergantung pada suhu operasi sel bahan api, yang berjulat dari 65°C hingga 220°C. Pembawa cas dalam SHTE ialah ion hidroksil (OH -), bergerak dari katod ke anod, di mana ia bertindak balas dengan hidrogen, menghasilkan air dan elektron. Air yang dihasilkan di anod bergerak kembali ke katod, sekali lagi menghasilkan ion hidroksil di sana. Hasil daripada siri tindak balas yang berlaku dalam sel bahan api, elektrik dan, sebagai hasil sampingan, haba terhasil:

Tindak balas pada anod: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Tindak balas pada katod: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4 OH -
Tindak balas umum sistem: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Kelebihan SHTE ialah sel bahan api ini adalah yang paling murah untuk dihasilkan, kerana pemangkin yang diperlukan pada elektrod boleh menjadi mana-mana bahan yang lebih murah daripada yang digunakan sebagai pemangkin untuk sel bahan api lain. SFC beroperasi pada suhu yang agak rendah dan merupakan antara sel bahan api yang paling cekap - ciri sedemikian boleh menyumbang kepada penjanaan kuasa yang lebih pantas dan kecekapan bahan api yang tinggi.

Salah satu ciri ciri SHTE ialah kepekaannya yang tinggi kepada CO 2, yang mungkin terkandung dalam bahan api atau udara. CO 2 bertindak balas dengan elektrolit, cepat meracuninya, dan sangat mengurangkan kecekapan sel bahan api. Oleh itu, penggunaan SHTE dihadkan kepada ruang tertutup, seperti ruang angkasa dan kenderaan bawah air, mereka mesti menggunakan hidrogen dan oksigen tulen. Lebih-lebih lagi, molekul seperti CO, H 2 O dan CH4, yang selamat untuk sel bahan api lain, malah bertindak sebagai bahan api untuk sesetengah daripada mereka, berbahaya kepada SHFC.

Sel Bahan Api Elektrolit Polimer (PEFC)

Dalam kes sel bahan api elektrolit polimer, membran polimer terdiri daripada gentian polimer dengan kawasan air di mana terdapat pengaliran ion air H2O+ (proton, merah) melekat pada molekul air). Molekul air menimbulkan masalah kerana pertukaran ion yang perlahan. Oleh itu, kepekatan air yang tinggi diperlukan dalam kedua-dua bahan api dan pada elektrod alir keluar, mengehadkan suhu operasi kepada 100°C.

Sel/sel bahan api asid pepejal (SFC)

Dalam sel bahan api asid pepejal, elektrolit (CsHSO 4) tidak mengandungi air. Oleh itu, suhu operasi ialah 100-300°C. Putaran anion oksi SO 4 2- membolehkan proton (merah) bergerak seperti yang ditunjukkan dalam rajah. Biasanya, sel bahan api asid pepejal ialah sandwic di mana lapisan sebatian asid pepejal yang sangat nipis diapit di antara dua elektrod yang ditekan rapat untuk memastikan sentuhan yang baik. Apabila dipanaskan, komponen organik tersejat, keluar melalui liang-liang dalam elektrod, mengekalkan keupayaan berbilang sentuhan antara bahan api (atau oksigen di hujung elemen yang lain), elektrolit dan elektrod.

Pelbagai modul sel bahan api. Bateri sel bahan api

1. Bateri sel bahan api
2. Peralatan lain yang beroperasi pada suhu tinggi (penjana stim bersepadu, kebuk pembakaran, penukar keseimbangan haba)
3. Penebat tahan haba

Modul sel bahan api

Analisis perbandingan jenis dan jenis sel bahan api

Loji janakuasa dan haba perbandaran cekap tenaga yang inovatif biasanya dibina di atas sel bahan api oksida pepejal (SOFC), sel bahan api elektrolit polimer (PEFC), sel bahan api asid fosforik (PAFC), sel bahan api membran pertukaran proton (PEMFC) dan sel bahan api alkali ( ALFC). Biasanya mempunyai ciri-ciri berikut:

Sel bahan api oksida pepejal (SOFC) yang paling sesuai harus dipertimbangkan, yang:

• beroperasi pada suhu yang lebih tinggi, mengurangkan keperluan untuk logam berharga yang mahal (seperti platinum)
• boleh beroperasi pada pelbagai jenis bahan api hidrokarbon, terutamanya gas asli
• mempunyai masa permulaan yang lebih lama dan oleh itu lebih sesuai untuk tindakan jangka panjang
• menunjukkan kecekapan penjanaan kuasa tinggi (sehingga 70%)
• Disebabkan oleh suhu operasi yang tinggi, unit boleh digabungkan dengan sistem pemindahan haba, menjadikan kecekapan sistem keseluruhan sehingga 85%
• mempunyai hampir sifar pelepasan, beroperasi secara senyap dan mempunyai keperluan operasi yang rendah berbanding dengan teknologi penjanaan kuasa sedia ada

Jenis sel bahan api	Suhu operasi	Kecekapan penjanaan kuasa	Jenis bahan api	Skop permohonan
RKTE	550–700°C	50-70%		Pemasangan sederhana dan besar
FCTE	100–220°C	35-40%	Hidrogen tulen	Pemasangan yang besar
MOPTE	30-100°C	35-50%	Hidrogen tulen	Pemasangan kecil
SOFC	450–1000°C	45-70%	Kebanyakan bahan api hidrokarbon	Pemasangan kecil, sederhana dan besar
PEMFC	20-90°C	20-30%	Metanol	Mudah alih
SHTE	50–200°C	40-70%	Hidrogen tulen	Penyelidikan angkasa lepas
PETE	30-100°C	35-50%	Hidrogen tulen	Pemasangan kecil

Memandangkan loji kuasa haba kecil boleh disambungkan ke rangkaian bekalan gas konvensional, sel bahan api tidak memerlukan sistem bekalan hidrogen yang berasingan. Apabila menggunakan loji janakuasa haba kecil berdasarkan sel bahan api oksida pepejal, haba yang dihasilkan boleh disepadukan ke dalam penukar haba untuk memanaskan air dan udara pengudaraan, meningkatkan kecekapan keseluruhan sistem. Teknologi inovatif ini paling sesuai untuk menjana tenaga elektrik dengan cekap tanpa memerlukan infrastruktur yang mahal dan integrasi instrumen yang kompleks.

Penggunaan sel/sel bahan api

Aplikasi sel bahan api/sel dalam sistem telekomunikasi

Disebabkan oleh percambahan pesat sistem komunikasi tanpa wayar di seluruh dunia, serta peningkatan faedah sosio-ekonomi teknologi telefon mudah alih, keperluan untuk sandaran kuasa yang boleh dipercayai dan kos efektif telah menjadi kritikal. Kehilangan grid elektrik sepanjang tahun akibat keadaan cuaca buruk, bencana alam atau kapasiti grid terhad menimbulkan cabaran berterusan bagi pengendali grid.

Penyelesaian sandaran kuasa telekomunikasi tradisional termasuk bateri (sel bateri asid plumbum yang dikawal injap) untuk kuasa sandaran jangka pendek dan penjana diesel dan propana untuk kuasa sandaran jangka panjang. Bateri adalah sumber kuasa sandaran yang agak murah untuk 1 - 2 jam. Walau bagaimanapun, bateri tidak sesuai untuk kuasa sandaran jangka panjang kerana ia mahal untuk diselenggara, menjadi tidak boleh dipercayai selepas tempoh penggunaan yang lama, sensitif kepada suhu dan berbahaya kepada alam sekitar selepas dilupuskan. Penjana diesel dan propana boleh menyediakan sandaran kuasa jangka panjang. Walau bagaimanapun, penjana boleh menjadi tidak boleh dipercayai, memerlukan penyelenggaraan yang meluas, dan mengeluarkan paras pencemar dan gas rumah hijau yang tinggi.

Untuk mengatasi batasan penyelesaian sandaran kuasa tradisional, teknologi sel bahan api hijau yang inovatif telah dibangunkan. Sel bahan api boleh dipercayai, senyap, mengandungi lebih sedikit bahagian bergerak daripada penjana, mempunyai julat suhu operasi yang lebih luas daripada bateri: dari -40°C hingga +50°C dan, sebagai hasilnya, memberikan penjimatan tenaga yang sangat tinggi. Di samping itu, kos seumur hidup pemasangan sedemikian adalah lebih rendah daripada kos penjana. Kos sel bahan api yang lebih rendah hasil daripada hanya satu lawatan penyelenggaraan setahun dan produktiviti loji yang jauh lebih tinggi. Pada penghujung hari, sel bahan api adalah penyelesaian teknologi hijau dengan kesan alam sekitar yang minimum.

Unit sel bahan api menyediakan kuasa sandaran untuk infrastruktur rangkaian komunikasi kritikal untuk komunikasi wayarles, kekal dan jalur lebar dalam sistem telekomunikasi, antara 250 W hingga 15 kW, mereka menawarkan banyak ciri inovatif yang tiada tandingan:

• KEBOLEHPERCAYAAN– beberapa bahagian yang bergerak dan tiada pelepasan dalam mod siap sedia
• JIMAT TENAGA
• DIAM– tahap bunyi yang rendah
• KEMAMPANAN– julat operasi dari -40°C hingga +50°C
• KEBOLEHSUAIAN– pemasangan di luar dan di dalam rumah (bekas/bekas pelindung)
• KUASA TINGGI- sehingga 15 kW
• KEPERLUAN PENYELENGGARAAN RENDAH– penyelenggaraan tahunan yang minimum
• EKONOMI- jumlah kos pemilikan yang menarik
• TENAGA HIJAU– pelepasan rendah dengan kesan minimum terhadap alam sekitar

Sistem mengesan voltan bas DC pada setiap masa dan menerima beban kritikal dengan lancar jika voltan bas DC jatuh di bawah titik set yang ditentukan pengguna. Sistem ini berjalan pada hidrogen, yang dibekalkan kepada timbunan sel bahan api dalam satu daripada dua cara - sama ada daripada sumber hidrogen perindustrian atau daripada bahan api cecair metanol dan air, menggunakan sistem pembaharuan bersepadu.

Elektrik dihasilkan oleh timbunan sel bahan api dalam bentuk arus terus. Kuasa DC dipindahkan ke penukar, yang menukarkan kuasa DC yang tidak terkawal yang datang daripada timbunan sel bahan api kepada kuasa DC terkawal berkualiti tinggi untuk beban yang diperlukan. Pemasangan sel bahan api boleh memberikan kuasa sandaran selama beberapa hari kerana tempohnya hanya dihadkan oleh jumlah bahan api hidrogen atau metanol/air yang tersedia.

Sel bahan api menawarkan penjimatan tenaga yang unggul, kebolehpercayaan sistem yang lebih baik, prestasi yang lebih boleh diramal dalam pelbagai iklim, dan ketahanan operasi yang boleh dipercayai berbanding pek bateri sel asid plumbum yang dikawal injap standard industri. Kos seumur hidup juga lebih rendah disebabkan oleh keperluan penyelenggaraan dan penggantian yang jauh lebih rendah. Sel bahan api menawarkan faedah alam sekitar kepada pengguna akhir kerana kos pelupusan dan risiko liabiliti yang berkaitan dengan sel asid plumbum semakin menjadi kebimbangan.

Prestasi bateri elektrik boleh terjejas oleh pelbagai faktor seperti tahap cas, suhu, berbasikal, hayat dan pembolehubah lain. Tenaga yang diberikan akan berbeza-beza bergantung kepada faktor-faktor ini dan tidak mudah untuk diramalkan. Prestasi sel bahan api membran pertukaran proton (PEMFC) secara relatifnya tidak terjejas oleh faktor-faktor ini dan boleh memberikan kuasa kritikal selagi bahan api tersedia. Kebolehramalan yang lebih tinggi adalah faedah penting apabila beralih ke sel bahan api untuk aplikasi kuasa sandaran yang kritikal misi.

Sel bahan api menjana kuasa hanya apabila bahan api dibekalkan, sama seperti penjana turbin gas, tetapi tidak mempunyai bahagian bergerak di kawasan penjanaan. Oleh itu, tidak seperti penjana, mereka tidak tertakluk kepada haus pantas dan tidak memerlukan penyelenggaraan dan pelinciran yang berterusan.

Bahan api yang digunakan untuk memacu penukar bahan api tempoh lanjutan ialah campuran bahan api metanol dan air. Metanol ialah bahan api yang boleh didapati secara meluas, dihasilkan secara komersial yang kini mempunyai banyak kegunaan, termasuk pencuci cermin depan, botol plastik, bahan tambahan enjin dan cat emulsi, antara lain. Metanol mudah diangkut, boleh dicampur dengan air, mempunyai biodegradasi yang baik dan tidak mengandungi sulfur. Ia mempunyai takat beku yang rendah (-71°C) dan tidak terurai semasa penyimpanan jangka panjang.

Aplikasi sel bahan api/sel dalam rangkaian komunikasi

Rangkaian komunikasi selamat memerlukan penyelesaian kuasa sandaran yang boleh dipercayai yang boleh beroperasi selama berjam-jam atau hari dalam situasi kecemasan jika grid kuasa tidak lagi tersedia.

Dengan beberapa bahagian bergerak dan tiada kehilangan kuasa siap sedia, teknologi sel bahan api yang inovatif menawarkan penyelesaian yang menarik kepada sistem kuasa sandaran semasa.

Hujah yang paling menarik untuk menggunakan teknologi sel bahan api dalam rangkaian komunikasi ialah peningkatan kebolehpercayaan dan keselamatan keseluruhan. Semasa kejadian seperti gangguan bekalan elektrik, gempa bumi, ribut dan taufan, adalah penting bahawa sistem terus beroperasi dan dibekalkan dengan kuasa sandaran yang boleh dipercayai dalam tempoh masa yang panjang, tanpa mengira suhu atau umur sistem kuasa sandaran.

Barisan peranti kuasa berasaskan sel bahan api sesuai untuk menyokong rangkaian komunikasi terperingkat. Terima kasih kepada prinsip reka bentuk penjimatan tenaga mereka, mereka menyediakan kuasa sandaran yang mesra alam dan boleh dipercayai dengan tempoh lanjutan (sehingga beberapa hari) untuk digunakan dalam julat kuasa dari 250 W hingga 15 kW.

Aplikasi sel bahan api/sel dalam rangkaian data

Bekalan kuasa yang boleh dipercayai untuk rangkaian data, seperti rangkaian data berkelajuan tinggi dan tulang belakang gentian optik, adalah penting di seluruh dunia. Maklumat yang dihantar melalui rangkaian tersebut mengandungi data kritikal untuk institusi seperti bank, syarikat penerbangan atau pusat perubatan. Gangguan kuasa dalam rangkaian sedemikian bukan sahaja menimbulkan bahaya kepada maklumat yang dihantar, tetapi juga, sebagai peraturan, membawa kepada kerugian kewangan yang ketara. Pemasangan sel bahan api yang boleh dipercayai dan inovatif yang menyediakan bekalan kuasa sandaran memberikan kebolehpercayaan yang diperlukan untuk memastikan bekalan kuasa tidak terganggu.

Unit sel bahan api, dikuasakan oleh campuran bahan api cecair metanol dan air, memberikan kuasa sandaran yang boleh dipercayai dengan tempoh lanjutan, sehingga beberapa hari. Di samping itu, unit ini telah mengurangkan keperluan penyelenggaraan dengan ketara berbanding penjana dan bateri, yang memerlukan hanya satu lawatan penyelenggaraan setahun.

Ciri tapak aplikasi biasa untuk menggunakan pemasangan sel bahan api dalam rangkaian data:

• Aplikasi dengan kuantiti penggunaan kuasa dari 100 W hingga 15 kW
• Aplikasi dengan keperluan hayat bateri > 4 jam
• Pengulang dalam sistem gentian optik (hierarki sistem digital segerak, Internet berkelajuan tinggi, suara melalui IP...)
• Nod rangkaian untuk penghantaran data berkelajuan tinggi
• Nod penghantaran WiMAX

Pemasangan sandaran kuasa sel bahan api menawarkan banyak faedah untuk infrastruktur rangkaian data kritikal berbanding penjana bateri atau diesel tradisional, yang membolehkan peningkatan penggunaan di tapak:

1. Teknologi bahan api cecair menyelesaikan masalah penempatan hidrogen dan menyediakan kuasa sandaran yang hampir tidak terhad.
2. Terima kasih kepada operasi yang senyap, berat yang rendah, ketahanan terhadap perubahan suhu dan operasi yang hampir bebas getaran, sel bahan api boleh dipasang di luar bangunan, dalam bangunan/bekas industri atau di atas bumbung.
3. Persediaan untuk penggunaan sistem di tapak adalah cepat dan menjimatkan, dan kos operasi adalah rendah.
4. Bahan api boleh terbiodegradasi dan menyediakan penyelesaian mesra alam untuk persekitaran bandar.

Aplikasi sel bahan api/sel dalam sistem keselamatan

Sistem keselamatan dan komunikasi bangunan yang direka dengan paling teliti hanya boleh dipercayai seperti bekalan kuasa yang menyokongnya. Walaupun kebanyakan sistem termasuk beberapa jenis sistem kuasa tanpa gangguan sandaran untuk kehilangan kuasa jangka pendek, mereka tidak menampung gangguan bekalan elektrik jangka panjang yang boleh berlaku selepas bencana alam atau serangan pengganas. Ini boleh menjadi isu kritikal bagi banyak agensi korporat dan kerajaan.

Sistem penting seperti sistem pemantauan dan kawalan capaian CCTV (pembaca kad pengenalan, peranti kunci pintu, teknologi pengenalan biometrik, dsb.), penggera kebakaran automatik dan sistem pemadam kebakaran, sistem kawalan lif dan rangkaian telekomunikasi, berisiko sekiranya tiada bekalan kuasa alternatif yang boleh dipercayai dan tahan lama.

Penjana diesel membuat banyak bunyi, sukar dikesan, dan mempunyai masalah kebolehpercayaan dan penyelenggaraan yang terkenal. Sebaliknya, pemasangan sel bahan api yang menyediakan kuasa sandaran adalah senyap, boleh dipercayai, menghasilkan pelepasan sifar atau sangat rendah, dan boleh dipasang dengan mudah di atas bumbung atau di luar bangunan. Ia tidak menyahcas atau kehilangan kuasa dalam mod siap sedia. Ia memastikan operasi berterusan sistem kritikal, walaupun selepas kemudahan itu berhenti beroperasi dan bangunan itu dikosongkan.

Pemasangan sel bahan api yang inovatif melindungi pelaburan mahal dalam aplikasi kritikal. Mereka menyediakan kuasa sandaran yang mesra alam dan boleh dipercayai dengan tempoh lanjutan (sehingga beberapa hari) untuk digunakan dalam julat kuasa dari 250 W hingga 15 kW, digabungkan dengan pelbagai ciri yang tiada tandingan dan, terutamanya, tahap penjimatan tenaga yang tinggi.

Pemasangan sandaran kuasa sel bahan api menawarkan banyak kelebihan untuk digunakan dalam aplikasi kritikal misi seperti keselamatan dan sistem kawalan bangunan berbanding penjana berkuasa bateri atau diesel tradisional. Teknologi bahan api cecair menyelesaikan masalah penempatan hidrogen dan menyediakan kuasa sandaran yang hampir tidak terhad.

Penggunaan sel/sel bahan api dalam pemanasan perbandaran dan penjanaan kuasa

Sel bahan api oksida pepejal (SOFC) membekalkan loji kuasa haba yang boleh dipercayai, cekap tenaga dan bebas pelepasan untuk menjana elektrik dan haba daripada gas asli yang tersedia secara meluas dan sumber bahan api boleh diperbaharui. Pemasangan inovatif ini digunakan dalam pelbagai pasaran, daripada penjanaan kuasa rumah kepada bekalan kuasa jauh, serta bekalan kuasa tambahan.

Penggunaan sel bahan api/sel dalam rangkaian pengedaran

Loji kuasa haba kecil direka bentuk untuk beroperasi dalam rangkaian penjanaan kuasa teragih yang terdiri daripada sebilangan besar set penjana kecil dan bukannya satu loji kuasa berpusat.

Rajah di bawah menunjukkan kehilangan kecekapan penjanaan elektrik apabila ia dijana di loji kuasa haba dan dihantar ke rumah melalui rangkaian penghantaran kuasa tradisional yang sedang digunakan. Kerugian kecekapan dalam penjanaan berpusat termasuk kerugian daripada loji kuasa, penghantaran voltan rendah dan voltan tinggi, dan kerugian pengagihan.

Angka tersebut menunjukkan hasil penyepaduan loji kuasa haba kecil: elektrik dijana dengan kecekapan penjanaan sehingga 60% pada titik penggunaan. Di samping itu, isi rumah boleh menggunakan haba yang dijana oleh sel bahan api untuk memanaskan air dan ruang, yang meningkatkan kecekapan keseluruhan pemprosesan tenaga bahan api dan meningkatkan penjimatan tenaga.

Penggunaan sel bahan api untuk melindungi alam sekitar - penggunaan gas petroleum yang berkaitan

Salah satu tugas terpenting dalam industri minyak ialah penggunaan gas petroleum yang berkaitan. Kaedah sedia ada untuk menggunakan gas petroleum yang berkaitan mempunyai banyak kelemahan, yang utama ialah ia tidak berdaya maju dari segi ekonomi. Gas petroleum yang berkaitan dibakar, yang menyebabkan kemudaratan besar kepada alam sekitar dan kesihatan manusia.

Loji janakuasa haba yang inovatif menggunakan sel bahan api menggunakan gas petroleum yang berkaitan sebagai bahan api membuka jalan kepada penyelesaian radikal dan kos efektif untuk masalah penggunaan gas petroleum yang berkaitan.

1. Salah satu kelebihan utama pemasangan sel bahan api ialah ia boleh beroperasi dengan pasti dan stabil pada gas petroleum yang berkaitan dengan komposisi berubah-ubah. Disebabkan oleh tindak balas kimia tanpa api yang mendasari operasi sel bahan api, penurunan dalam peratusan, sebagai contoh, metana hanya menyebabkan penurunan yang sepadan dalam output kuasa.
2. Fleksibiliti berhubung dengan beban elektrik pengguna, penurunan, lonjakan beban.
3. Untuk pemasangan dan sambungan loji kuasa haba pada sel bahan api, pelaksanaannya tidak memerlukan perbelanjaan modal, kerana Unit boleh dipasang dengan mudah di tapak yang tidak disediakan berhampiran medan, mudah dikendalikan, boleh dipercayai dan cekap.
4. Automasi tinggi dan alat kawalan jauh moden tidak memerlukan kehadiran kakitangan tetap di pemasangan.
5. Kesederhanaan dan kesempurnaan teknikal reka bentuk: ketiadaan bahagian bergerak, geseran, dan sistem pelinciran memberikan manfaat ekonomi yang ketara daripada pengendalian pemasangan sel bahan api.
6. Penggunaan air: tiada pada suhu ambien sehingga +30 °C dan boleh diabaikan pada suhu yang lebih tinggi.
7. Saluran air: tiada.
8. Di samping itu, loji kuasa haba menggunakan sel bahan api tidak membuat bunyi bising, tidak bergetar, tidak menghasilkan pelepasan berbahaya ke atmosfera

Sel bahan api hidrogen Nissan

Elektronik mudah alih bertambah baik setiap tahun, menjadi lebih meluas dan boleh diakses: PDA, komputer riba, peranti mudah alih dan digital, bingkai foto, dll. Kesemuanya sentiasa dikemas kini dengan fungsi baharu, monitor yang lebih besar, komunikasi tanpa wayar, pemproses yang lebih kuat, sambil mengecil dalam saiz. . Teknologi kuasa, tidak seperti teknologi semikonduktor, tidak maju dengan pesat.

Bateri dan penumpuk sedia ada untuk menggerakkan pencapaian industri menjadi tidak mencukupi, jadi isu sumber alternatif sangat meruncing. Sel bahan api adalah kawasan yang paling menjanjikan. Prinsip operasi mereka ditemui pada tahun 1839 oleh William Grove, yang menjana elektrik dengan menukar elektrolisis air.

Video: Dokumentari, sel bahan api untuk pengangkutan: masa lalu, sekarang, masa depan

Sel bahan api menarik minat pengeluar kereta, dan pereka kapal angkasa juga berminat dengannya. Pada tahun 1965, mereka juga telah diuji oleh Amerika pada kapal angkasa Gemini 5 yang dilancarkan ke angkasa lepas, dan kemudiannya pada Apollo. Berjuta-juta dolar masih dilaburkan dalam penyelidikan sel bahan api hari ini, apabila terdapat masalah yang berkaitan dengan pencemaran alam sekitar dan peningkatan pelepasan gas rumah hijau yang dihasilkan semasa pembakaran bahan api fosil, yang rizabnya juga tidak berkesudahan.

Sel bahan api, sering dipanggil penjana elektrokimia, beroperasi dengan cara yang diterangkan di bawah.

Menjadi, seperti akumulator dan bateri, unsur galvanik, tetapi dengan perbezaan bahawa bahan aktif disimpan di dalamnya secara berasingan. Mereka dibekalkan kepada elektrod semasa ia digunakan. Bahan api asli atau apa-apa bahan yang diperoleh daripadanya terbakar pada elektrod negatif, yang boleh menjadi gas (hidrogen, contohnya, dan karbon monoksida) atau cecair, seperti alkohol. Oksigen biasanya bertindak balas pada elektrod positif.

Tetapi prinsip operasi yang kelihatan mudah tidak mudah untuk diterjemahkan ke dalam realiti.

sel bahan api DIY

Video: sel bahan api hidrogen DIY

Malangnya, kami tidak mempunyai gambar tentang rupa elemen bahan api ini, kami bergantung pada imaginasi anda.

Anda boleh membuat sel bahan api berkuasa rendah dengan tangan anda sendiri walaupun di makmal sekolah. Anda perlu menyimpan topeng gas lama, beberapa keping kaca plexiglass, alkali dan larutan akueus etil alkohol (lebih mudah, vodka), yang akan berfungsi sebagai "bahan api" untuk sel bahan api.

Pertama sekali, anda memerlukan perumah untuk sel bahan api, yang terbaik diperbuat daripada kaca plexiglass, sekurang-kurangnya lima milimeter tebal. Sekatan dalaman (terdapat lima petak di dalam) boleh dibuat sedikit nipis - 3 cm Untuk melekatkan plexiglass, gunakan gam komposisi berikut: enam gram pencukur plexiglass dibubarkan dalam seratus gram kloroform atau dichloroethane (kerja dijalankan. keluar di bawah tudung).

Kini anda perlu menggerudi lubang di dinding luar, di mana anda perlu memasukkan tiub longkang kaca dengan diameter 5-6 sentimeter melalui penyumbat getah.

Semua orang tahu bahawa dalam jadual berkala logam yang paling aktif berada di sudut kiri bawah, dan metaloid yang sangat aktif berada di sudut kanan atas jadual, i.e. keupayaan untuk menderma elektron meningkat dari atas ke bawah dan dari kanan ke kiri. Unsur-unsur yang boleh, dalam keadaan tertentu, menampakkan diri sebagai logam atau metaloid berada di tengah-tengah jadual.

Sekarang kami menuangkan karbon diaktifkan dari topeng gas ke dalam petak kedua dan keempat (antara partition pertama dan kedua, serta ketiga dan keempat), yang akan bertindak sebagai elektrod. Untuk mengelakkan arang daripada tumpah keluar melalui lubang, anda boleh meletakkannya di dalam fabrik nilon (stoking nilon wanita sesuai). DALAM

Bahan api akan beredar di ruang pertama, dan di ruang kelima harus ada pembekal oksigen - udara. Akan ada elektrolit di antara elektrod, dan untuk mengelakkannya daripada bocor ke dalam ruang udara, sebelum mengisi ruang keempat dengan arang batu untuk elektrolit udara, anda perlu merendamnya dengan larutan parafin dalam petrol (nisbah 2). gram parafin hingga setengah gelas petrol). Pada lapisan arang batu anda perlu meletakkan (dengan sedikit menekan) plat tembaga yang wayarnya dipateri. Melalui mereka, arus akan dialihkan dari elektrod.

Yang tinggal hanyalah mengecas elemen. Untuk ini anda memerlukan vodka, yang perlu dicairkan dengan air 1: 1. Kemudian berhati-hati menambah tiga ratus hingga tiga ratus lima puluh gram kalium kaustik. Untuk elektrolit, 70 gram kalium hidroksida dilarutkan dalam 200 gram air.

Sel bahan api sedia untuk ujian. Sekarang anda perlu menuangkan bahan api secara serentak ke dalam ruang pertama dan elektrolit ke dalam ruang ketiga. Voltmeter yang disambungkan kepada elektrod hendaklah menunjukkan dari 07 volt hingga 0.9. Untuk memastikan operasi berterusan elemen, perlu mengeluarkan bahan api terpakai (buang ke dalam gelas) dan menambah bahan api baru (melalui tiub getah). Kadar suapan diselaraskan dengan memerah tiub. Beginilah rupa operasi sel bahan api dalam keadaan makmal, kuasa yang boleh difahami adalah rendah.

Video: Sel bahan api atau bateri kekal di rumah

Untuk memastikan kuasa yang lebih besar, saintis telah mengusahakan masalah ini untuk masa yang lama. Keluli aktif dalam pembangunan menempatkan sel bahan api metanol dan etanol. Tetapi, malangnya, mereka masih belum dipraktikkan.

Mengapa sel bahan api dipilih sebagai sumber kuasa alternatif

Sel bahan api telah dipilih sebagai sumber kuasa alternatif, kerana hasil akhir pembakaran hidrogen di dalamnya adalah air. Satu-satunya masalah ialah mencari cara yang murah dan cekap untuk menghasilkan hidrogen. Dana besar yang dilaburkan dalam pembangunan penjana hidrogen dan sel bahan api tidak boleh tidak membuahkan hasil, jadi kejayaan teknologi dan penggunaan sebenar mereka dalam kehidupan seharian hanya menunggu masa.

Sudah hari ini raksasa industri automotif: General Motors, Honda, Draimler Coyler, Ballard sedang menunjukkan bas dan kereta yang menggunakan sel bahan api, yang kuasanya mencapai 50 kW. Tetapi masalah yang berkaitan dengan keselamatan, kebolehpercayaan dan kosnya masih belum dapat diselesaikan. Seperti yang telah disebutkan, tidak seperti sumber kuasa tradisional - bateri dan penumpuk, dalam kes ini pengoksida dan bahan api dibekalkan dari luar, dan sel bahan api hanyalah perantara dalam tindak balas berterusan pembakaran bahan api dan menukar tenaga yang dilepaskan kepada elektrik. "Pembakaran" berlaku hanya jika elemen membekalkan arus kepada beban, seperti penjana elektrik diesel, tetapi tanpa penjana dan enjin diesel, dan juga tanpa bunyi bising, asap dan terlalu panas. Pada masa yang sama, kecekapannya jauh lebih tinggi, kerana tiada mekanisme perantaraan.

Video: Kereta sel bahan api hidrogen

Harapan besar diletakkan pada penggunaan nanoteknologi dan bahan nano, yang akan membantu mengecilkan sel bahan api sambil meningkatkan kuasanya. Terdapat laporan bahawa pemangkin ultra cekap telah dicipta, serta reka bentuk untuk sel bahan api yang tidak mempunyai membran. Di dalamnya, bahan api (metana, sebagai contoh) dibekalkan kepada unsur bersama-sama dengan pengoksida. Penyelesaian yang menarik menggunakan oksigen terlarut dalam udara sebagai pengoksida, dan kekotoran organik yang terkumpul dalam perairan tercemar digunakan sebagai bahan api. Ini adalah unsur biofuel yang dipanggil.

Sel bahan api, menurut pakar, mungkin memasuki pasaran besar-besaran pada tahun-tahun akan datang.

Sel bahan api hidrogen menukarkan tenaga kimia bahan api kepada elektrik, memintas proses pembakaran yang tidak berkesan dan penukaran tenaga haba kepada tenaga mekanikal, yang melibatkan kerugian besar. Sel bahan api hidrogen ialah elektrokimia Peranti secara langsung menjana elektrik hasil daripada pembakaran bahan api "sejuk" yang sangat cekap. Sel bahan api membran pertukaran proton hidrogen-udara (PEMFC) adalah salah satu teknologi sel bahan api yang paling menjanjikan.

Lapan tahun lalu, enam pam diesel cecair ditemui di Eropah Barat; mereka mesti dua ratus sebelum akhir. Kami jauh berbeza daripada beribu-ribu terminal pengecasan pantas yang menetas di seluruh tempat untuk menggalakkan penyebaran pendorong elektrik. Dan di situlah gosokan itu menyakitkan. Dan lebih baik kita umumkan graphene.

Bateri tidak mempunyai kata-kata terakhir mereka

Terdapat lebih daripada itu daripada autonomi, itulah sebabnya mengehadkan masa pengecasan memperlahankan penggunaan EV. Bagaimanapun, dia teringat dalam nota bulan ini kepada pelanggannya bahawa bateri mempunyai had, terhad kepada jenis probe ini pada voltan yang sangat tinggi. Thomas Brachman akan diberitahu bahawa rangkaian pengedaran hidrogen masih perlu dibina. Hujahnya ialah dia menyapu tangannya, mengingatkan bahawa pendaraban terminal cas pantas juga sangat mahal, disebabkan keratan rentas kabel tembaga voltan tinggi yang tinggi. "Adalah lebih mudah dan lebih murah untuk mengangkut hidrogen cecair dengan trak dari tangki tertimbus berhampiran tapak pengeluaran."

Membran polimer pengalir proton memisahkan dua elektrod—anod dan katod. Setiap elektrod adalah plat karbon (matriks) yang disalut dengan mangkin. Pada pemangkin anod, molekul hidrogen berpecah dan melepaskan elektron. Kation hidrogen dialirkan melalui membran ke katod, tetapi elektron diberikan ke dalam litar luar, kerana membran tidak membenarkan elektron melaluinya.

Hidrogen belum lagi merupakan vektor tulen elektrik

Bagi kos bateri itu sendiri, yang merupakan maklumat yang sangat sensitif, Thomas Brachmann tidak ragu-ragu bahawa ia boleh dikurangkan dengan ketara apabila kecekapan meningkat. "Platinum ialah elemen yang kosnya lebih tinggi." Malangnya, hampir semua hidrogen datang daripada sumber tenaga fosil. Selain itu, dihidrogen hanyalah vektor tenaga, dan bukan sumber dari mana bahagian yang tidak boleh diabaikan digunakan semasa pengeluarannya, pencairannya, dan kemudian penukarannya kepada elektrik.

Pada pemangkin katod, molekul oksigen bergabung dengan elektron (yang dibekalkan daripada litar elektrik) dan proton masuk dan membentuk air, yang merupakan satu-satunya hasil tindak balas (dalam bentuk wap dan/atau cecair).

Sel bahan api hidrogen digunakan untuk membuat unit membran-elektrod, yang merupakan elemen penjanaan utama sistem tenaga.

Kereta masa depan berkelakuan seperti kereta sebenar

Baki bateri adalah kira-kira tiga kali lebih tinggi, walaupun kehilangan akibat haba pada pemandu. Malangnya, kereta ajaib itu tidak akan melanggar jalan raya kita kecuali sebagai sebahagian daripada demonstrasi awam. Brachmann, yang mengingatkan kita bahawa kesunyian semula jadi sebuah kereta elektrik meningkatkan kesan hidup dalam dunia yang bising. Walaupun menghadapi semua kesukaran, stereng dan pedal brek memberikan konsistensi semula jadi.

Bateri kecil tetapi prestasi dipertingkatkan

Alat itu kelihatan, skrin tengah meresapkan imej kamera yang diletakkan di cermin kanan sebaik sahaja isyarat belok diaktifkan. Kebanyakan pelanggan Amerika kami tidak lagi memerlukan, dan ini membolehkan kami menurunkan harga - mewajarkan ketua jurutera, yang menawarkan tarif yang lebih rendah daripada. Ia sebenarnya berbaloi untuk bercakap tentang timbunan sel bahan api kerana terdapat 358 yang berfungsi bersama. Takungan utama, dengan kapasiti 117 liter, ditekan pada dinding belakang bangku, menghalangnya daripada dilipat, dan yang kedua - 24 liter, tersembunyi di bawah tempat duduk.

Kelebihan sel bahan api hidrogen berbanding penyelesaian tradisional:

- peningkatan keamatan tenaga khusus (500 ÷ 1000 Wj/kg),

- julat suhu operasi lanjutan (-40 0 C / +40 0 C),

- ketiadaan titik haba, bunyi dan getaran,

- kebolehpercayaan pada permulaan sejuk,

- tempoh penyimpanan tenaga hampir tanpa had (tiada pelepasan diri),

Sel bahan api dua lejang pertama

Walaupun saiznya padat, sel bahan api baharu ini menukarkan dihidrogen kepada arus elektrik dengan lebih pantas dan lebih baik daripada pendahulunya. Ia menghantar oksigen kepada unsur cerucuk pada kadar yang sebelum ini dianggap tidak serasi dengan ketahanannya. Lebihan air yang sebelum ini mengehadkan kadar alir sebaiknya dipindahkan. Akibatnya, kuasa setiap elemen meningkat separuh, dan kecekapan mencapai 60%.

Ini disebabkan oleh kehadiran bateri litium-ion 1.7 kWh - terletak di bawah tempat duduk hadapan, yang membolehkan arus tambahan dihantar di bawah pecutan yang kuat. Atau autonomi ramalan ialah 460 km, idealnya konsisten dengan apa yang didakwa oleh pengeluar.

- keupayaan untuk menukar keamatan tenaga sistem dengan menukar bilangan kartrij bahan api, yang memastikan autonomi hampir tidak terhad,

Keupayaan untuk menyediakan hampir semua keamatan tenaga yang munasabah sistem dengan menukar kapasiti penyimpanan hidrogen,

- keamatan tenaga yang tinggi,

- toleransi terhadap kekotoran dalam hidrogen,

Tetapi seribu bahagian memudahkan aliran udara dan mengoptimumkan penyejukan. Malah lebih daripada pendahulunya, kereta elektrik ini menunjukkan bahawa sel bahan api berada di hadapan dan tengah. Cabaran besar untuk industri dan pemimpin kami. Sementara itu, sangat bijak siapa yang akan mengetahui sel bahan api atau bateri mana yang akan diguna pakai.

Sel bahan api ialah peranti penukaran tenaga elektrokimia yang boleh menghasilkan elektrik dalam bentuk arus terus dengan menggabungkan bahan api dan pengoksida dalam tindak balas kimia untuk menghasilkan bahan buangan, biasanya bahan api oksida.

- hayat perkhidmatan yang panjang,

- mesra alam dan operasi yang senyap.

Sistem bekalan kuasa berdasarkan sel bahan api hidrogen untuk UAV:

Pemasangan sel bahan api dihidupkan kenderaan tanpa pemandu bukannya bateri tradisional, ia menggandakan tempoh penerbangan dan berat muatan, meningkatkan kebolehpercayaan pesawat, mengembangkan julat suhu pelancaran dan operasi UAV, mengurangkan had kepada -40 0C. Berbanding dengan enjin pembakaran dalaman, sistem berasaskan sel bahan api adalah senyap, bebas getaran, beroperasi pada suhu rendah, sukar dikesan semasa penerbangan, tidak menghasilkan pelepasan berbahaya, dan boleh melaksanakan tugas dengan cekap daripada pengawasan video hingga penghantaran muatan.

Setiap sel bahan api mempunyai dua elektrod, satu positif dan satu lagi negatif, dan tindak balas yang menghasilkan elektrik berlaku pada elektrod dengan kehadiran elektrolit, yang membawa zarah bercas dari elektrod ke elektrod, manakala elektron beredar dalam wayar luaran yang terletak di antara elektrod. untuk mencipta tenaga elektrik.

Sel bahan api boleh menjana elektrik secara berterusan selagi aliran bahan api dan pengoksida yang diperlukan dikekalkan. Sesetengah sel bahan api hanya menghasilkan beberapa watt, manakala yang lain boleh menghasilkan beberapa ratus kilowatt, manakala bateri yang lebih kecil mungkin terdapat dalam komputer riba dan telefon bimbit, tetapi sel bahan api terlalu mahal untuk menjadi penjana kecil yang digunakan untuk menghasilkan elektrik untuk rumah dan perniagaan.

Komposisi sistem bekalan kuasa untuk UAV:

Dimensi Ekonomi Sel Bahan Api

Menggunakan hidrogen sebagai sumber bahan api memerlukan kos yang besar. Atas sebab ini, hidrogen kini merupakan sumber yang tidak ekonomik, terutamanya kerana sumber lain yang lebih murah boleh digunakan. Kos pengeluaran hidrogen boleh berbeza-beza kerana ia mencerminkan kos sumber dari mana ia diekstrak.

Sumber bahan api bateri

Sel bahan api biasanya dikelaskan ke dalam kategori berikut: sel bahan api hidrogen, sel bahan api organik, sel bahan api logam dan bateri redoks. Apabila hidrogen digunakan sebagai sumber bahan api, tenaga kimia ditukar kepada elektrik semasa proses hidrolisis terbalik untuk menghasilkan hanya air dan haba sebagai sisa. Sel bahan api hidrogen adalah sangat rendah, tetapi boleh menjadi lebih kurang tinggi dalam pengeluaran hidrogen, terutamanya jika dihasilkan daripada bahan api fosil.

• - bateri sel bahan api,
• - Bateri penimbal Li-Po untuk menampung beban puncak jangka pendek,
• - elektronik sistem kawalan ,
• - sistem bahan api yang terdiri daripada silinder dengan hidrogen termampat atau sumber pepejal hidrogen.

Sistem bahan api menggunakan silinder ringan berkekuatan tinggi dan pengurang untuk memastikan bekalan maksimum hidrogen termampat di atas kapal. Ia dibenarkan menggunakan saiz silinder yang berbeza (dari 0.5 hingga 25 liter) dengan pengurang yang menyediakan penggunaan hidrogen yang diperlukan.

Bateri hidrogen dibahagikan kepada dua kategori: bateri suhu rendah dan bateri suhu tinggi, di mana bateri suhu tinggi juga boleh menggunakan bahan api fosil secara langsung. Yang terakhir terdiri daripada hidrokarbon seperti minyak atau petrol, alkohol atau biojisim.

Sumber bahan api lain dalam bateri termasuk, tetapi tidak terhad kepada, alkohol, zink, aluminium, magnesium, larutan ionik dan banyak hidrokarbon. Agen pengoksidaan lain termasuk, tetapi tidak terhad kepada, udara, klorin dan klorin dioksida. Pada masa ini, terdapat beberapa jenis sel bahan api.

Ciri-ciri sistem bekalan kuasa untuk UAV:

Pengecas mudah alih berdasarkan sel bahan api hidrogen:

Pengecas mudah alih berdasarkan sel bahan api hidrogen ialah peranti padat, setanding dalam berat dan dimensi dengan pengecas bateri sedia ada yang digunakan secara aktif di dunia.

Teknologi mudah alih di mana-mana di dunia moden perlu dicas semula secara berkala. Sistem mudah alih tradisional hampir tidak berguna pada suhu rendah, dan selepas melaksanakan fungsinya, mereka juga memerlukan pengecasan semula menggunakan (rangkaian elektrik), yang juga mengurangkan kecekapan dan autonomi peranti.

Setiap molekul dihidrogen memperoleh 2 elektron. Ion H bergerak dari anod ke katod dan menghasilkan arus elektrik dengan memindahkan elektron. Apakah rupa sel bahan api untuk kapal terbang? Hari ini, ujian sedang dijalankan ke atas pesawat untuk cuba menerbangkannya menggunakan bateri sel bahan api hibrid lithium-ion. Faedah sebenar sel bahan api terletak pada integriti beratnya yang rendah: ia lebih ringan, yang membantu mengurangkan berat pesawat dan oleh itu penggunaan bahan api.

Tetapi buat masa ini, menerbangkan pesawat sel bahan api tidak mungkin kerana ia masih mempunyai banyak kelemahan. Imej sel bahan api. Apakah keburukan sel bahan api? Pertama sekali, jika hidrogen adalah perkara biasa, menggunakannya dalam kuantiti yang banyak akan menjadi masalah. Sesungguhnya, ia boleh didapati bukan sahaja di Bumi. Ia ditemui dalam air yang mengandungi oksigen dan ammonia. Oleh itu, adalah perlu untuk mengelektrolisis air untuk mendapatkannya, dan ini belum lagi merupakan kaedah yang meluas.

Sistem sel bahan api hidrogen hanya memerlukan penggantian kartrij bahan api padat, selepas itu peranti segera sedia untuk digunakan.

Ciri-ciri pengecas mudah alih:

Bekalan kuasa tidak terganggu berdasarkan sel bahan api hidrogen:

Sistem bekalan kuasa terjamin berdasarkan sel bahan api hidrogen direka untuk mengatur bekalan kuasa sandaran dan bekalan kuasa sementara. Sistem bekalan kuasa terjamin berdasarkan sel bahan api hidrogen menawarkan kelebihan ketara berbanding penyelesaian tradisional untuk mengatur bekalan kuasa sementara dan sandaran, menggunakan bateri dan penjana diesel.

Hidrogen adalah gas, menjadikannya sukar untuk dibendung dan diangkut. Risiko lain yang berkaitan dengan penggunaan hidrogen ialah risiko letupan, kerana ia adalah gas mudah terbakar. apa yang membekalkan bateri untuk pengeluarannya secara besar-besaran memerlukan sumber tenaga lain, sama ada minyak, gas atau arang batu, atau tenaga nuklear, yang menjadikan keseimbangan alam sekitarnya lebih teruk daripada minyak tanah dan menjadikan timbunan, platinum, logam yang lebih jarang dan lebih mahal daripada emas.

Sel bahan api membekalkan tenaga dengan mengoksidakan bahan api di anod dan mengurangkan pengoksida di katod. Penemuan prinsip sel bahan api dan pelaksanaan pertama dalam makmal menggunakan asid sulfurik sebagai elektrolit dikreditkan kepada ahli kimia William Grove.

Ciri-ciri sistem bekalan kuasa tidak terganggu:

Sel bahan api ialah peranti elektrokimia yang serupa dengan sel galvanik, tetapi berbeza daripadanya kerana bahan untuk tindak balas elektrokimia dibekalkan kepadanya dari luar - berbeza dengan jumlah tenaga terhad yang disimpan dalam sel atau bateri galvanik.

Sesungguhnya, sel bahan api mempunyai beberapa kelebihan: mereka yang menggunakan dihidrogen dan dioksida hanya mengeluarkan wap air: oleh itu ia adalah teknologi yang bersih. Terdapat beberapa jenis sel bahan api, bergantung kepada sifat elektrolit, sifat bahan api, pengoksidaan langsung atau tidak langsung, dan suhu operasi.

Jadual berikut meringkaskan ciri utama pelbagai peranti ini. Beberapa program Eropah sedang melihat polimer lain, seperti derivatif polybenzimidazole, yang lebih stabil dan lebih murah. Kekompakan bateri juga merupakan cabaran berterusan dengan membran pada urutan 15-50 mikron, anod karbon berliang dan plat bipolar keluli tahan karat. Jangka hayat juga boleh dipertingkatkan kerana, dalam satu pihak, kesan karbon monoksida pada susunan beberapa ppm dalam hidrogen adalah racun sebenar untuk mangkin, dan sebaliknya, kawalan air dalam polimer adalah wajib.

nasi. 1. Beberapa sel bahan api

Sel bahan api menukarkan tenaga kimia bahan api kepada elektrik, memintas proses pembakaran yang tidak berkesan yang berlaku dengan kerugian yang besar. Mereka menukar hidrogen dan oksigen kepada elektrik melalui tindak balas kimia. Hasil daripada proses ini, air terbentuk dan sejumlah besar haba dibebaskan. Sel bahan api adalah seperti bateri yang boleh dicas dan kemudian menggunakan tenaga elektrik yang disimpan. Pencipta sel bahan api dianggap sebagai William R. Grove, yang menciptanya pada tahun 1839. Sel bahan api ini menggunakan larutan asid sulfurik sebagai elektrolit dan hidrogen sebagai bahan api, yang digabungkan dengan oksigen dalam agen pengoksidaan. Sehingga baru-baru ini, sel bahan api hanya digunakan di makmal dan kapal angkasa.

Tidak seperti penjana kuasa lain, seperti enjin pembakaran dalaman atau turbin yang dikuasakan oleh gas, arang batu, minyak bahan api, dll., sel bahan api tidak membakar bahan api. Ini bermakna tiada rotor tekanan tinggi yang bising, tiada bunyi ekzos yang kuat, tiada getaran. Sel bahan api menghasilkan elektrik melalui tindak balas elektrokimia senyap. Satu lagi ciri sel bahan api ialah ia menukarkan tenaga kimia bahan api terus kepada elektrik, haba dan air.

Sel bahan api sangat cekap dan tidak menghasilkan sejumlah besar gas rumah hijau seperti karbon dioksida, metana dan nitrus oksida. Satu-satunya pelepasan daripada sel bahan api ialah air dalam bentuk wap dan sejumlah kecil karbon dioksida, yang tidak dilepaskan sama sekali jika hidrogen tulen digunakan sebagai bahan api. Sel bahan api dipasang ke dalam pemasangan dan kemudian ke dalam modul berfungsi individu.

Sel bahan api tidak mempunyai bahagian yang bergerak (sekurang-kurangnya tidak dalam sel itu sendiri) dan oleh itu tidak mematuhi undang-undang Carnot. Iaitu, mereka akan mempunyai kecekapan lebih daripada 50% dan amat berkesan pada beban rendah. Oleh itu, kenderaan sel bahan api boleh menjadi (dan telah terbukti) lebih cekap bahan api daripada kenderaan konvensional dalam keadaan pemanduan dunia sebenar.

Sel bahan api menghasilkan arus elektrik voltan malar yang boleh digunakan untuk memacu motor elektrik, lampu dan sistem elektrik lain di dalam kenderaan.

Terdapat beberapa jenis sel bahan api, berbeza dalam proses kimia yang digunakan. Sel bahan api biasanya dikelaskan mengikut jenis elektrolit yang mereka gunakan.

Sesetengah jenis sel bahan api menjanjikan untuk digunakan dalam loji kuasa, manakala yang lain menjanjikan untuk peranti mudah alih atau untuk memandu kereta.

1. Sel bahan api alkali (ALFC)

Sel bahan api alkali- Ini adalah salah satu elemen pertama yang dibangunkan. Sel bahan api alkali (AFC) ialah salah satu teknologi yang paling banyak dikaji, digunakan sejak pertengahan 60-an abad ke-20 oleh NASA dalam program Apollo dan Space Shuttle. Di atas kapal angkasa ini, sel bahan api menghasilkan tenaga elektrik dan air yang boleh diminum.

Sel bahan api alkali adalah salah satu sel yang paling cekap digunakan untuk menjana elektrik, dengan kecekapan penjanaan kuasa mencapai sehingga 70%.

Sel bahan api alkali menggunakan elektrolit, larutan kalium hidroksida berair, yang terkandung dalam matriks berliang dan stabil. Kepekatan kalium hidroksida mungkin berbeza-beza bergantung pada suhu operasi sel bahan api, yang berjulat dari 65°C hingga 220°C. Pembawa cas dalam SHTE ialah ion hidroksil (OH-), bergerak dari katod ke anod, di mana ia bertindak balas dengan hidrogen, menghasilkan air dan elektron. Air yang dihasilkan di anod bergerak kembali ke katod, sekali lagi menghasilkan ion hidroksil di sana. Hasil daripada siri tindak balas yang berlaku dalam sel bahan api, elektrik dan, sebagai hasil sampingan, haba terhasil:

Tindak balas pada anod: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e

Tindak balas pada katod: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH

Tindak balas umum sistem: 2H2 + O2 => 2H2O

Kelebihan SHTE ialah sel bahan api ini adalah yang paling murah untuk dihasilkan, kerana pemangkin yang diperlukan pada elektrod boleh menjadi mana-mana bahan yang lebih murah daripada yang digunakan sebagai pemangkin untuk sel bahan api lain. Selain itu, SHTE beroperasi pada suhu yang agak rendah dan antara yang paling cekap.

Salah satu ciri ciri SHTE ialah kepekaannya yang tinggi kepada CO2, yang mungkin terkandung dalam bahan api atau udara. CO2 bertindak balas dengan elektrolit, cepat meracuninya, dan sangat mengurangkan kecekapan sel bahan api. Oleh itu, penggunaan SHTE adalah terhad kepada ruang tertutup, seperti ruang angkasa dan kenderaan bawah air; ia beroperasi pada hidrogen dan oksigen tulen.

2. Sel bahan api karbonat cair (MCFC)

Sel bahan api dengan elektrolit karbonat cair adalah sel bahan api suhu tinggi. Suhu operasi yang tinggi membolehkan penggunaan langsung gas asli tanpa pemproses bahan api dan gas bahan api nilai kalori rendah daripada proses perindustrian dan sumber lain. Proses ini dibangunkan pada pertengahan 60-an abad kedua puluh. Sejak itu, teknologi pengeluaran, prestasi dan kebolehpercayaan telah dipertingkatkan.

Operasi RCFC berbeza daripada sel bahan api lain. Sel-sel ini menggunakan elektrolit yang diperbuat daripada campuran garam karbonat cair. Pada masa ini, dua jenis campuran digunakan: litium karbonat dan kalium karbonat atau litium karbonat dan natrium karbonat. Untuk mencairkan garam karbonat dan mencapai tahap mobiliti ion yang tinggi dalam elektrolit, sel bahan api dengan elektrolit karbonat cair beroperasi pada suhu tinggi (650°C). Kecekapan berbeza antara 60-80%.

Apabila dipanaskan pada suhu 650°C, garam menjadi konduktor untuk ion karbonat (CO32-). Ion-ion ini berpindah dari katod ke anod, di mana ia bergabung dengan hidrogen untuk membentuk air, karbon dioksida dan elektron bebas. Elektron ini dihantar melalui litar elektrik luaran kembali ke katod, menghasilkan arus elektrik dan haba sebagai hasil sampingan.

Tindak balas pada anod: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e

Tindak balas pada katod: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-

Tindak balas am unsur: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(katod) => H2O(g) + CO2(anod)

Suhu operasi yang tinggi bagi sel bahan api elektrolit karbonat cair mempunyai kelebihan tertentu. Kelebihannya ialah keupayaan untuk menggunakan bahan standard (lembaran keluli tahan karat dan pemangkin nikel pada elektrod). Haba buangan boleh digunakan untuk menghasilkan wap tekanan tinggi. Suhu tindak balas yang tinggi dalam elektrolit juga mempunyai kelebihannya. Penggunaan suhu tinggi memerlukan masa yang lama untuk mencapai keadaan operasi yang optimum, dan sistem bertindak balas dengan lebih perlahan kepada perubahan dalam penggunaan tenaga. Ciri-ciri ini membenarkan penggunaan pemasangan sel bahan api dengan elektrolit karbonat cair di bawah keadaan kuasa yang berterusan. Suhu tinggi menghalang kerosakan pada sel bahan api oleh karbon monoksida, "keracunan," dsb.

Sel bahan api dengan elektrolit karbonat cair sesuai untuk digunakan dalam pemasangan pegun yang besar. Loji kuasa haba dengan kuasa keluaran elektrik 2.8 MW dihasilkan secara komersial. Pemasangan dengan kuasa keluaran sehingga 100 MW sedang dibangunkan.

3. Sel bahan api asid fosforik (PAFC)

Sel bahan api berasaskan asid fosforik (ortofosforik). menjadi sel bahan api pertama untuk kegunaan komersial. Proses ini dibangunkan pada pertengahan 60-an abad kedua puluh, ujian telah dijalankan sejak 70-an abad kedua puluh. Hasilnya ialah peningkatan kestabilan dan prestasi serta pengurangan kos.

Sel bahan api asid fosforik (ortofosforik) menggunakan elektrolit berasaskan asid ortofosforik (H3PO4) pada kepekatan sehingga 100%. Kekonduksian ionik asid fosforik adalah rendah pada suhu rendah, jadi sel bahan api ini digunakan pada suhu sehingga 150-220 °C.

Pembawa cas dalam sel bahan api jenis ini ialah hidrogen (H+, proton). Proses yang sama berlaku dalam sel bahan api membran pertukaran proton (PEMFCs), di mana hidrogen yang dibekalkan kepada anod dipecahkan kepada proton dan elektron. Proton bergerak melalui elektrolit dan bergabung dengan oksigen dari udara di katod untuk membentuk air. Elektron dihantar melalui litar elektrik luaran, dengan itu menghasilkan arus elektrik. Di bawah adalah tindak balas yang menghasilkan arus elektrik dan haba.

Tindak balas pada anod: 2H2 => 4H+ + 4e

Tindak balas pada katod: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O

Tindak balas am unsur: 2H2 + O2 => 2H2O

Kecekapan sel bahan api berdasarkan asid fosforik (ortofosforik) adalah lebih daripada 40% apabila menjana tenaga elektrik. Dengan gabungan pengeluaran haba dan elektrik, kecekapan keseluruhan adalah kira-kira 85%. Di samping itu, berdasarkan suhu operasi, haba buangan boleh digunakan untuk memanaskan air dan menjana wap tekanan atmosfera.

Prestasi tinggi loji kuasa haba menggunakan sel bahan api berasaskan asid fosforik (ortofosforik) dalam gabungan pengeluaran tenaga haba dan elektrik adalah salah satu kelebihan sel bahan api jenis ini. Unit menggunakan karbon monoksida dengan kepekatan kira-kira 1.5%, yang secara signifikan mengembangkan pilihan bahan api. Reka bentuk yang ringkas, tahap turun naik elektrolit yang rendah dan peningkatan kestabilan juga merupakan kelebihan sel bahan api tersebut.

Loji kuasa haba dengan kuasa keluaran elektrik sehingga 400 kW dihasilkan secara komersial. Pemasangan dengan kapasiti 11 MW telah lulus ujian yang sesuai. Pemasangan dengan kuasa keluaran sehingga 100 MW sedang dibangunkan.

4. Sel bahan api membran pertukaran proton (PEMFC)

Sel bahan api membran pertukaran proton dianggap sebagai jenis sel bahan api terbaik untuk menjana kuasa bagi kenderaan, yang boleh menggantikan enjin pembakaran dalaman petrol dan diesel. Sel bahan api ini mula-mula digunakan oleh NASA untuk program Gemini. Pemasangan berdasarkan MOPFC dengan kuasa dari 1 W hingga 2 kW telah dibangunkan dan ditunjukkan.

Elektrolit dalam sel bahan api ini adalah membran polimer pepejal (selapis nipis plastik). Apabila tepu dengan air, polimer ini membenarkan proton melaluinya tetapi tidak menghantar elektron.

Bahan api adalah hidrogen, dan pembawa cas adalah ion hidrogen (proton). Di anod, molekul hidrogen dipecah menjadi ion hidrogen (proton) dan elektron. Ion hidrogen melalui elektrolit ke katod, dan elektron bergerak mengelilingi bulatan luar dan menghasilkan tenaga elektrik. Oksigen, yang diambil dari udara, dibekalkan ke katod dan bergabung dengan elektron dan ion hidrogen untuk membentuk air. Tindak balas berikut berlaku pada elektrod: Tindak balas pada anod: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4eTindak balas pada katod: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH Tindak balas keseluruhan sel: 2H2 + O2 => 2H2O Berbanding dengan jenis lain sel bahan api, sel bahan api dengan membran pertukaran proton menghasilkan lebih banyak tenaga untuk isipadu atau berat sel bahan api tertentu. Ciri ini membolehkan mereka menjadi padat dan ringan. Di samping itu, suhu operasi kurang daripada 100°C, yang membolehkan anda memulakan operasi dengan cepat. Ciri-ciri ini, serta keupayaan untuk menukar keluaran tenaga dengan cepat, hanyalah beberapa yang menjadikan sel bahan api ini sebagai calon utama untuk digunakan dalam kenderaan.

Kelebihan lain ialah elektrolit adalah pepejal dan bukannya cecair. Lebih mudah untuk mengekalkan gas di katod dan anod menggunakan elektrolit pepejal, jadi sel bahan api tersebut lebih murah untuk dihasilkan. Dengan elektrolit pepejal, tiada masalah orientasi dan kurang masalah kakisan, meningkatkan jangka hayat sel dan komponennya.

5. Sel bahan api oksida pepejal (SOFC)

Sel bahan api oksida pepejal adalah sel bahan api suhu operasi tertinggi. Suhu operasi boleh berbeza dari 600°C hingga 1000°C, membenarkan penggunaan pelbagai jenis bahan api tanpa pra-rawatan khas. Untuk mengendalikan suhu yang begitu tinggi, elektrolit yang digunakan ialah oksida logam pepejal nipis pada asas seramik, selalunya aloi yttrium dan zirkonium, yang merupakan konduktor ion oksigen (O2-). Teknologi menggunakan sel bahan api oksida pepejal telah berkembang sejak akhir 50-an abad kedua puluh dan mempunyai dua konfigurasi: planar dan tubular.

Elektrolit pepejal menyediakan peralihan gas yang tertutup dari satu elektrod ke yang lain, manakala elektrolit cecair terletak dalam substrat berliang. Pembawa cas dalam sel bahan api jenis ini ialah ion oksigen (O2-). Di katod, molekul oksigen dari udara dipisahkan menjadi ion oksigen dan empat elektron. Ion oksigen melalui elektrolit dan bergabung dengan hidrogen, menghasilkan empat elektron bebas. Elektron dihantar melalui litar elektrik luaran, menghasilkan arus elektrik dan haba buangan.

Tindak balas pada anod: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e

Tindak balas pada katod: O2 + 4e- => 2O2-

Tindak balas am unsur: 2H2 + O2 => 2H2O

Kecekapan pengeluaran tenaga elektrik adalah yang tertinggi daripada semua sel bahan api - kira-kira 60%. Selain itu, suhu operasi yang tinggi membolehkan pengeluaran gabungan tenaga haba dan elektrik untuk menjana stim tekanan tinggi. Menggabungkan sel bahan api suhu tinggi dengan turbin memungkinkan untuk mencipta sel bahan api hibrid untuk meningkatkan kecekapan penjanaan tenaga elektrik sehingga 70%.

Sel bahan api oksida pepejal beroperasi pada suhu yang sangat tinggi (600°C-1000°C), menghasilkan masa yang ketara yang diperlukan untuk mencapai keadaan operasi yang optimum dan tindak balas sistem yang lebih perlahan terhadap perubahan dalam penggunaan tenaga. Pada suhu operasi yang begitu tinggi, tiada penukar diperlukan untuk memulihkan hidrogen daripada bahan api, membenarkan loji kuasa haba beroperasi dengan bahan api yang agak tidak tulen hasil daripada pengegasan arang batu atau gas buangan, dsb. Sel bahan api juga sangat baik untuk aplikasi kuasa tinggi, termasuk perindustrian dan loji kuasa pusat yang besar. Modul dengan kuasa keluaran elektrik 100 kW dihasilkan secara komersial.

6. Sel bahan api pengoksidaan metanol langsung (DOMFC)

Sel bahan api pengoksidaan metanol langsung Mereka berjaya digunakan dalam bidang kuasa telefon mudah alih, komputer riba, serta untuk mencipta sumber kuasa mudah alih, yang merupakan tujuan penggunaan elemen tersebut pada masa hadapan.

Reka bentuk sel bahan api dengan pengoksidaan langsung metanol adalah serupa dengan reka bentuk sel bahan api dengan membran pertukaran proton (MEPFC), i.e. Polimer digunakan sebagai elektrolit, dan ion hidrogen (proton) digunakan sebagai pembawa cas. Tetapi metanol cecair (CH3OH) teroksida dengan kehadiran air di anod, membebaskan CO2, ion hidrogen dan elektron, yang dihantar melalui litar elektrik luaran, dengan itu menghasilkan arus elektrik. Ion hidrogen melalui elektrolit dan bertindak balas dengan oksigen dari udara dan elektron dari litar luar untuk membentuk air di anod.

Tindak balas pada anod: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6eTindak balas pada katod: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O Tindak balas am unsur: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O Perkembangan sedemikian sel bahan api telah dijalankan sejak awal 90-an abad kedua puluh dan kuasa dan kecekapan khusus mereka telah meningkat kepada 40%.

Unsur-unsur ini telah diuji dalam julat suhu 50-120°C. Oleh kerana suhu operasinya yang rendah dan ketiadaan keperluan untuk penukar, sel bahan api tersebut adalah calon utama untuk digunakan dalam telefon bimbit dan produk pengguna lain, serta dalam enjin kereta. Kelebihan mereka juga adalah saiznya yang kecil.

7. Sel bahan api elektrolit polimer (PEFC)

Dalam kes sel bahan api elektrolit polimer, membran polimer terdiri daripada gentian polimer dengan kawasan air di mana ion air konduksi H2O+ (proton, merah) melekat pada molekul air. Molekul air menimbulkan masalah kerana pertukaran ion yang perlahan. Oleh itu, kepekatan air yang tinggi diperlukan dalam kedua-dua bahan api dan pada elektrod alir keluar, yang mengehadkan suhu operasi kepada 100°C.

8. Sel bahan api asid pepejal (SFC)

Dalam sel bahan api asid pepejal, elektrolit (CsHSO4) tidak mengandungi air. Oleh itu, suhu operasi ialah 100-300°C. Putaran oksianion SO42 membolehkan proton (merah) bergerak seperti yang ditunjukkan dalam rajah. Biasanya, sel bahan api asid pepejal ialah sandwic di mana lapisan sebatian asid pepejal yang sangat nipis diapit di antara dua elektrod yang ditekan rapat untuk memastikan sentuhan yang baik. Apabila dipanaskan, komponen organik tersejat, keluar melalui liang-liang dalam elektrod, mengekalkan keupayaan berbilang sentuhan antara bahan api (atau oksigen di hujung elemen yang lain), elektrolit dan elektrod.

9. Perbandingan ciri-ciri terpenting sel bahan api

Ciri-ciri sel bahan api

Jenis sel bahan api	Suhu operasi	Kecekapan penjanaan kuasa	Jenis bahan api	Skop permohonan
				Pemasangan sederhana dan besar
			Hidrogen tulen	pemasangan
			Hidrogen tulen	Pemasangan kecil
			Kebanyakan bahan api hidrokarbon	Pemasangan kecil, sederhana dan besar
				Mudah alih pemasangan
			Hidrogen tulen	Angkasa diteliti
			Hidrogen tulen	Pemasangan kecil

10. Penggunaan sel bahan api dalam kereta

Memandangkan peristiwa baru-baru ini yang berkaitan dengan terlalu panas, kebakaran dan juga letupan komputer riba akibat kerosakan bateri ion litium, seseorang tidak boleh tidak mengingati teknologi alternatif baharu, yang, menurut kebanyakan pakar, pada masa hadapan akan dapat menambah atau menggantikan bateri boleh dicas semula tradisional masa kini. Kita bercakap tentang sumber kuasa baharu – sel bahan api.

Menurut undang-undang empirikal yang dirumuskan 40 tahun lalu oleh salah seorang pengasas Intel, Gordon Moore, prestasi pemproses meningkat dua kali ganda setiap 18 bulan. Bateri tidak dapat bersaing dengan cip. Kapasiti mereka, menurut pakar, hanya meningkat sebanyak 10% setahun.

Sel bahan api beroperasi berdasarkan membran selular (berliang) yang memisahkan ruang anod dan katod sel bahan api. Membran ini disalut pada kedua-dua belah dengan mangkin yang sesuai. Bahan api dibekalkan ke anod; dalam kes ini, larutan metanol (metil alkohol) digunakan. Hasil daripada tindak balas kimia penguraian bahan api, cas percuma terbentuk yang menembusi melalui membran ke katod. Oleh itu, litar elektrik ditutup, dan arus elektrik dicipta di dalamnya untuk menggerakkan peranti. Sel bahan api jenis ini dipanggil Direct Methanol Fuel Cell (DMFC). Pembangunan sel bahan api bermula lama dahulu, tetapi hasil pertama, yang menimbulkan perbincangan tentang persaingan sebenar dengan bateri litium-ion, diperoleh hanya dalam dua tahun yang lalu.

Pada tahun 2004, terdapat kira-kira 35 pengeluar di pasaran untuk peranti sedemikian, tetapi hanya beberapa syarikat yang dapat mengisytiharkan kejayaan yang ketara dalam bidang ini. Pada bulan Januari, Fujitsu membentangkan perkembangannya - bateri mempunyai ketebalan 15 mm dan mengandungi 300 mg larutan metanol 30 peratus. Kuasa 15 W membolehkannya menghidupkan komputer riba selama 8 jam. Sebulan kemudian, sebuah syarikat kecil, PolyFuel, adalah yang pertama mengumumkan pelancaran pengeluaran komersial membran yang sepatutnya dilengkapi dengan bekalan kuasa bahan api. Dan sudah pada bulan Mac, Toshiba menunjukkan prototaip PC mudah alih yang menggunakan bahan api. Pengilang menyatakan bahawa komputer riba seperti itu boleh bertahan lima kali lebih lama daripada komputer riba yang menggunakan bateri tradisional.

Pada tahun 2005, LG Chem mengumumkan penciptaan sel bahan apinya sendiri. Kira-kira 5 tahun dan 5 bilion dolar telah dibelanjakan untuk pembangunannya. Akibatnya, adalah mungkin untuk mencipta peranti dengan kuasa 25 W dan berat 1 kg, disambungkan ke komputer riba melalui antara muka USB dan memastikan operasinya selama 10 jam. Tahun ini, 2006, turut diwarnai dengan beberapa perkembangan menarik. Khususnya, pemaju Amerika dari syarikat Ultracell menunjukkan sel bahan api yang menyediakan kuasa 25 W dan dilengkapi dengan tiga kartrij boleh diganti dengan 67 peratus metanol. Ia mampu menghidupkan komputer riba selama 24 jam. Berat bateri adalah kira-kira satu kilogram, setiap kartrij mempunyai berat kira-kira 260 gram.

Di samping dapat memberikan kapasiti yang lebih besar daripada bateri ion litium, bateri metanol tidak boleh meletup. Kelemahannya termasuk kosnya yang agak tinggi dan keperluan untuk menukar kartrij metanol secara berkala.

Walaupun bateri bahan api tidak menggantikan yang tradisional, ia kemungkinan besar akan digunakan bersama-sama dengannya. Menurut pakar, pasaran sel bahan api pada tahun 2006 akan menjadi kira-kira $600 juta, yang merupakan angka yang agak sederhana. Walau bagaimanapun, menjelang 2010, pakar meramalkan peningkatan tiga kali ganda - sehingga 1.9 bilion dolar.

Perbincangan artikel "Bateri alkohol menggantikan yang litium"

zemoneng

Astaga, saya menemui maklumat tentang peranti ini dalam majalah wanita.
Nah, saya akan mengatakan beberapa perkataan tentang ini:
1: kesulitan ialah selepas 6-10 jam beroperasi, anda perlu mencari kartrij baru, yang mahal. Mengapa saya perlu membelanjakan wang untuk perkara karut ini?
2: setakat yang saya faham, selepas menerima tenaga daripada metil alkohol, air harus dilepaskan. Komputer riba dan air adalah perkara yang tidak serasi.
3: mengapa anda menulis dalam majalah wanita? Berdasarkan komen "Saya tidak tahu apa-apa." dan "Apakah ini?", artikel ini tidak berada pada tahap tapak yang didedikasikan untuk KECANTIKAN.

Penerangan:

Artikel ini mengkaji dengan lebih terperinci reka bentuk, klasifikasi, kelebihan dan kekurangan, skop aplikasi, keberkesanan, sejarah penciptaan dan prospek moden untuk digunakan.

Menggunakan sel bahan api untuk menjana kuasa bangunan

Bahagian 1

Artikel ini mengkaji dengan lebih terperinci prinsip operasi sel bahan api, reka bentuk, klasifikasi, kelebihan dan kekurangannya, skop aplikasi, kecekapan, sejarah penciptaan dan prospek moden untuk digunakan. Dalam bahagian kedua artikel, yang akan diterbitkan dalam majalah ABOK keluaran seterusnya, menyediakan contoh kemudahan di mana pelbagai jenis sel bahan api digunakan sebagai sumber haba dan bekalan kuasa (atau hanya bekalan kuasa).

Air boleh disimpan walaupun dalam kedua-dua arah dalam kedua-dua bentuk mampat dan cecair, tetapi ini juga lumpur, kedua-duanya disebabkan oleh masalah teknikal yang ketara. Ini disebabkan oleh tekanan tinggi dan suhu yang sangat rendah akibat pencairan. Atas sebab ini, sebagai contoh, dirian dispenser bahan api air mesti direka bentuk berbeza daripada yang biasa kita gunakan; Menyambung dan mengisi agak berbahaya, dan oleh itu adalah lebih baik jika ia berlaku tanpa kehadiran manusia.

pengenalan

Sel bahan api adalah cara yang sangat cekap, boleh dipercayai, tahan lama dan mesra alam untuk menjana tenaga.

Pada mulanya hanya digunakan dalam industri angkasa, sel bahan api kini semakin digunakan dalam pelbagai bidang - sebagai loji kuasa pegun, bekalan haba dan kuasa untuk bangunan, enjin kenderaan, bekalan kuasa untuk komputer riba dan telefon bimbit. Sesetengah peranti ini adalah prototaip makmal, ada yang sedang menjalani ujian pra-pengeluaran atau digunakan untuk tujuan demonstrasi, tetapi banyak model yang dihasilkan secara besar-besaran dan digunakan dalam projek komersial.

Peranti sedemikian sedang dalam ujian dijalankan di lapangan terbang di Munich, cuba memandu di sini dengan kereta dan bas individu. Satu kilo perbatuan yang tinggi adalah hebat, tetapi dalam praktiknya ia sama pentingnya dengan berapa kilo kosnya dan berapa banyak ruang yang akan diambil oleh tangki bahan api yang kuat dan berpenebat di dalam kereta. Beberapa masalah lain dengan air: - buat mandian udara yang kompleks - masalah dengan garaj, kedai pembaikan kereta, dsb. - terima kasih kepada molekul kecil yang menembusi setiap kesesakan, skru dan injap - mampatan dan pencairan memerlukan perbelanjaan tenaga yang ketara.

Sel bahan api (penjana elektrokimia) ialah peranti yang menukarkan tenaga kimia bahan api (hidrogen) kepada tenaga elektrik secara terus melalui tindak balas elektrokimia, berbeza dengan teknologi tradisional yang menggunakan pembakaran bahan api pepejal, cecair dan gas. Penukaran bahan api secara elektrokimia secara langsung adalah sangat berkesan dan menarik dari sudut persekitaran, kerana proses operasi menghasilkan jumlah pencemar yang minimum dan tiada bunyi atau getaran yang kuat.

Tekanan khas, mampatan dan set langkah keselamatan yang diperlukan mempunyai nilai yang sangat baik dalam penilaian di hujung air, berbanding bahan api hidrokarbon cecair, yang dihasilkan menggunakan bekas ringan tanpa tekanan. Oleh itu, mungkin keadaan yang sangat mendesak boleh menyumbang kepada keseronokannya yang benar-benar menyanjung.

Dalam masa terdekat, pengeluar kereta masih mencari bahan api cecair yang lebih murah dan agak kurang berbahaya. Cairan panas mungkin metanol, yang boleh diekstrak dengan mudah. Masalah utama dan satu-satunya ialah ketoksikan; sebaliknya, seperti air, metana boleh digunakan dalam enjin pembakaran dalaman dan dalam rantaian bahan api tertentu. Ia juga mempunyai beberapa kelebihan dalam enjin pembakaran dalaman, termasuk dari segi pelepasan.

Dari sudut praktikal, sel bahan api menyerupai bateri voltan konvensional. Perbezaannya ialah bateri pada mulanya dicas, iaitu, diisi dengan "bahan api". Semasa operasi, "bahan api" digunakan dan bateri dinyahcas.

Dalam hal ini, air boleh meningkat kepada persaingan yang agak tidak dijangka dan mampu. Sel bahan api adalah sumber arus yang dihasilkan oleh tindak balas elektrokimia. Tidak seperti semua bateri kami yang diketahui, ia menerima reagen dan membuang sisa secara berterusan, jadi tidak seperti bateri, ia hampir tidak habis-habis. Walaupun terdapat pelbagai jenis, rajah sel bahan api hidrogen berikut membantu kita memahami cara ia berfungsi.

Bahan api dibekalkan kepada elektrod positif, di mana ia teroksida. O2 oksigen memasuki elektrod negatif dan boleh dikurangkan.

Malah mungkin untuk membangunkan sel bahan api yang membakar arang batu secara langsung. Oleh kerana kerja saintis dari Makmal Lawrence Livermore, yang dapat menguji sel bahan api yang secara langsung menukar arang batu kepada elektrik, boleh menjadi peristiwa penting dalam pembangunan tenaga, kami akan berhenti sebentar. Tanah arang batu bersaiz sehingga 1 mikron dicampur pada 750-850 ° C dengan litium cair, natrium atau kalium karbonat.

Untuk menghasilkan tenaga elektrik, bukan sahaja hidrogen tulen boleh digunakan, tetapi juga bahan mentah yang mengandungi hidrogen lain, contohnya, gas asli, ammonia, metanol atau petrol. Udara biasa digunakan sebagai sumber oksigen, juga diperlukan untuk tindak balas.

Apabila menggunakan hidrogen tulen sebagai bahan api, hasil tindak balas, sebagai tambahan kepada tenaga elektrik, adalah haba dan air (atau wap air), iaitu, gas yang menyebabkan pencemaran udara atau menyebabkan kesan rumah hijau tidak dipancarkan ke atmosfera. Jika bahan mentah yang mengandungi hidrogen, seperti gas asli, digunakan sebagai bahan api, gas lain seperti karbon dan nitrogen oksida akan menjadi hasil sampingan tindak balas, tetapi jumlahnya jauh lebih rendah daripada apabila membakar jumlah bahan semula jadi yang sama. gas.

Kemudian semuanya dilakukan dengan cara standard mengikut rajah di atas: oksigen di udara bertindak balas dengan karbon kepada karbon dioksida, dan tenaga dilepaskan dalam bentuk elektrik. Walaupun kita mengetahui beberapa jenis sel bahan api yang berbeza, semuanya berfungsi mengikut prinsip yang diterangkan. Ini adalah sejenis pembakaran terkawal. Apabila kita mencampurkan hidrogen dengan oksigen, kita mendapat campuran pembelahan yang meletup untuk membentuk air. Tenaga dibebaskan dalam bentuk haba. Sel bahan api hidrogen mempunyai tindak balas yang sama, produknya juga air, tetapi tenaga dilepaskan sebagai elektrik.

Proses menukar bahan api secara kimia untuk menghasilkan hidrogen dipanggil reforming, dan peranti yang sepadan dipanggil reformer.

Kebaikan dan keburukan sel bahan api

Sel bahan api adalah lebih cekap tenaga daripada enjin pembakaran dalaman kerana tiada had kecekapan tenaga termodinamik untuk sel bahan api. Kecekapan sel bahan api ialah 50%, manakala kecekapan enjin pembakaran dalaman ialah 12-15%, dan kecekapan loji kuasa turbin stim tidak melebihi 40%. Dengan menggunakan haba dan air, kecekapan sel bahan api ditingkatkan lagi.

Kelebihan besar sel bahan api ialah ia menghasilkan elektrik daripada bahan api satu cara atau yang lain secara langsung, tanpa loji haba perantaraan, jadi pelepasan lebih rendah dan kecekapan lebih tinggi. Ia mencapai 70%, manakala sebagai piawaian kami mencapai 40% penukaran arang batu kepada elektrik. Mengapa kita tidak membina sel bahan api gergasi dan bukannya loji kuasa? Sel bahan api adalah peranti yang agak kompleks yang beroperasi pada suhu tinggi, jadi keperluan untuk bahan elektrod dan elektrolit itu sendiri adalah tinggi.

Tidak seperti, sebagai contoh, enjin pembakaran dalaman, kecekapan sel bahan api kekal sangat tinggi walaupun ia tidak beroperasi pada kuasa penuh.

Di samping itu, kuasa sel bahan api boleh ditingkatkan dengan hanya menambah unit individu, manakala kecekapan tidak berubah, iaitu pemasangan besar sama cekap dengan yang kecil. Keadaan ini memungkinkan untuk memilih komposisi peralatan dengan sangat fleksibel mengikut kehendak pelanggan dan akhirnya membawa kepada pengurangan kos peralatan.

Minat kemudiannya berkurangan semula apabila menjadi jelas bahawa penggunaan yang lebih luas adalah di luar kemampuan teknologi pada masa itu. Walau bagaimanapun, dalam tempoh tiga puluh tahun yang lalu, pembangunan tidak berhenti, bahan dan konsep baharu telah muncul, dan keutamaan kami telah berubah - kini kami memberi lebih perhatian untuk melindungi alam sekitar daripada dahulu. Oleh itu, kami sedang mengalami sesuatu kebangkitan dalam sel bahan api, yang semakin digunakan di banyak kawasan. Terdapat 200 peranti sedemikian di seluruh dunia. Contohnya, ia berfungsi sebagai peranti sandaran di mana kegagalan rangkaian boleh menyebabkan masalah serius - contohnya, di hospital atau pertubuhan tentera.

Kelebihan penting sel bahan api ialah kemesraan alam sekitar mereka. Pelepasan sel bahan api adalah sangat rendah sehingga di beberapa kawasan di Amerika Syarikat, operasinya tidak memerlukan kelulusan khas daripada pengawal selia kualiti udara kerajaan.

Sel bahan api boleh diletakkan terus di dalam bangunan, mengurangkan kerugian semasa pengangkutan tenaga, dan haba yang dihasilkan akibat tindak balas boleh digunakan untuk membekalkan haba atau air panas ke bangunan. Sumber autonomi haba dan elektrik boleh menjadi sangat bermanfaat di kawasan terpencil dan di kawasan yang dicirikan oleh kekurangan tenaga elektrik dan kosnya yang tinggi, tetapi pada masa yang sama terdapat rizab bahan mentah yang mengandungi hidrogen (minyak, gas asli).

Ia digunakan di lokasi yang sangat terpencil di mana ia lebih mudah untuk mengangkut bahan api daripada meregangkan kabel. Mereka juga mungkin mula bersaing dengan loji kuasa. Ini adalah modul paling berkuasa yang dipasang di dunia.

Hampir setiap pembuat kereta utama sedang mengusahakan projek kenderaan elektrik sel bahan api. Ini nampaknya merupakan konsep yang lebih menjanjikan daripada kereta elektrik bateri konvensional kerana ia tidak memerlukan masa pengecasan yang lama dan perubahan infrastruktur yang diperlukan tidak begitu meluas.

Kelebihan sel bahan api juga ialah ketersediaan bahan api, kebolehpercayaan (tiada bahagian bergerak dalam sel bahan api), ketahanan dan kemudahan operasi.

Salah satu kelemahan utama sel bahan api hari ini ialah kosnya yang agak tinggi, tetapi kelemahan ini tidak lama lagi boleh diatasi - semakin banyak syarikat menghasilkan sampel komersial sel bahan api, mereka sentiasa diperbaiki, dan kosnya semakin berkurangan.

Kepentingan sel bahan api yang semakin meningkat juga digambarkan oleh fakta bahawa pentadbiran Bush baru-baru ini telah memikirkan semula pendekatannya terhadap pembangunan automobil, dan dana yang dibelanjakan untuk membangunkan kereta dengan perbatuan terbaik mungkin kini dipindahkan ke projek sel bahan api. Pembiayaan pembangunan tidak hanya kekal di tangan negara.

Sudah tentu, konsep pemanduan baharu tidak terhad kepada kereta penumpang, tetapi kami juga boleh menemuinya dalam transit massa. Bas sel bahan api membawa penumpang di jalan-jalan di beberapa bandar. Bersama-sama dengan pemacu kereta, terdapat beberapa yang lebih kecil di pasaran, seperti komputer berkuasa, kamera video dan telefon mudah alih. Dalam gambar kita melihat sel bahan api untuk menghidupkan penggera lalu lintas.

Cara paling berkesan ialah menggunakan hidrogen tulen sebagai bahan api, tetapi ini memerlukan penciptaan infrastruktur khas untuk pengeluaran dan pengangkutannya.

Pada masa ini, semua model komersial menggunakan gas asli dan bahan api yang serupa. Kenderaan bermotor boleh menggunakan petrol biasa, yang akan membolehkan mengekalkan rangkaian stesen minyak yang dibangunkan sedia ada.

Ahli kimia telah membangunkan pemangkin yang boleh menggantikan platinum mahal dalam sel bahan api. Sebaliknya, dia menggunakan kira-kira dua ratus ribu besi murah. Sel bahan api menukarkan tenaga kimia kepada tenaga elektrik. Elektron dalam molekul yang berbeza mempunyai tenaga yang berbeza. Perbezaan tenaga antara satu molekul dengan molekul yang lain boleh digunakan sebagai sumber tenaga. Cari sahaja tindak balas di mana elektron bergerak dari lebih tinggi ke lebih rendah. Tindak balas sedemikian adalah sumber tenaga utama untuk organisma hidup.

Satu lagi ciri sel bahan api ialah ia paling cekap apabila menggunakan kedua-dua tenaga elektrik dan haba secara serentak. Walau bagaimanapun, tidak setiap kemudahan mempunyai peluang untuk menggunakan tenaga haba. Jika sel bahan api digunakan hanya untuk menjana tenaga elektrik, kecekapannya berkurangan, walaupun ia melebihi kecekapan pemasangan "tradisional".

Yang paling terkenal ialah pernafasan, yang menukarkan gula kepada karbon dioksida dan air. Dalam sel bahan api hidrogen, molekul hidrogen dua atom bergabung dengan oksigen untuk membentuk air. Perbezaan tenaga antara elektron dalam hidrogen dan air digunakan untuk menjana elektrik. Sel hidrogen mungkin yang paling biasa digunakan untuk memandu kereta hari ini. Pengembangan besar-besaran mereka juga menghalang pengait kecil.

Agar tindak balas yang kaya dengan tenaga berlaku, pemangkin diperlukan. Pemangkin ialah molekul yang meningkatkan kemungkinan tindak balas berlaku. Tanpa pemangkin, ia juga boleh berfungsi, tetapi kurang kerap atau lebih perlahan. Sel hidrogen menggunakan platinum berharga sebagai pemangkin.

Sejarah dan penggunaan moden sel bahan api

Prinsip operasi sel bahan api ditemui pada tahun 1839. Saintis Inggeris William Robert Grove (1811-1896) mendapati bahawa proses elektrolisis - penguraian air menjadi hidrogen dan oksigen melalui arus elektrik - boleh diterbalikkan, iaitu hidrogen dan oksigen boleh digabungkan menjadi molekul air tanpa pembakaran, tetapi dengan pelepasan haba dan arus elektrik. Grove memanggil peranti di mana tindak balas sedemikian mungkin sebagai "bateri gas," yang merupakan sel bahan api pertama.

Tindak balas yang sama yang berlaku dalam sel hidrogen juga berlaku dalam sel hidup. Enzim adalah molekul yang agak besar yang diperbuat daripada asid amino yang boleh digabungkan seperti batu bata Lego. Setiap enzim mempunyai tapak aktif yang dipanggil, di mana tindak balas dipercepatkan. Molekul selain asid amino juga sering terdapat di tapak aktif.

Dalam kes asid hidrogen, ini adalah besi. Satu pasukan ahli kimia, diketuai oleh Morris Bullock dari Makmal Pasifik Jabatan Tenaga AS, dapat meniru tindak balas di tapak aktif penghidrogenan. Seperti enzim, penghidrogenan mencukupi untuk platinum dengan besi. Ia boleh membelah 0.66 hingga 2 molekul hidrogen sesaat. Perbezaan voltan berkisar antara 160 hingga 220 ribu volt. Kedua-duanya adalah setanding dengan pemangkin platinum semasa yang digunakan dalam sel hidrogen. Tindak balas dijalankan pada suhu bilik.

Perkembangan aktif teknologi untuk penggunaan sel bahan api bermula selepas Perang Dunia Kedua, dan ia dikaitkan dengan industri aeroangkasa. Pada masa ini, pencarian sedang dijalankan untuk sumber tenaga yang berkesan dan boleh dipercayai, tetapi pada masa yang sama agak padat. Pada 1960-an, pakar NASA (National Aeronautics and Space Administration, NASA) memilih sel bahan api sebagai sumber kuasa untuk kapal angkasa Apollo (penerbangan berawak ke Bulan), Apollo-Soyuz, Gemini dan program Skylab. Kapal angkasa Apollo menggunakan tiga loji 1.5 kW (2.2 kW puncak) menggunakan hidrogen kriogenik dan oksigen untuk menghasilkan elektrik, haba dan air. Jisim setiap pemasangan ialah 113 kg. Ketiga-tiga sel ini beroperasi secara selari, tetapi tenaga yang dihasilkan oleh satu unit adalah mencukupi untuk pulangan yang selamat.

Satu kilogram besi berharga 0.5 CZK. Oleh itu, besi adalah 200 ribu kali lebih murah daripada platinum. Pada masa hadapan, sel bahan api mungkin lebih murah. Platinum yang mahal bukanlah satu-satunya sebab mengapa ia tidak boleh digunakan, sekurang-kurangnya tidak secara besar-besaran. Mengendalikannya adalah sukar dan berbahaya.

Jika ruang hidrogen digunakan secara pukal untuk memandu kereta, mereka perlu membina infrastruktur yang sama seperti petrol dan diesel. Di samping itu, tembaga diperlukan untuk menghasilkan motor elektrik yang menggerakkan kereta berkuasa hidrogen. Walau bagaimanapun, ini tidak bermakna sel bahan api tidak berguna. Apabila ada minyak, mungkin kita tiada pilihan selain memandu menggunakan hidrogen.

Di negara kita, kerja juga dijalankan pada penciptaan sel bahan api untuk digunakan dalam angkasawan. Sebagai contoh, sel bahan api digunakan untuk menggerakkan kapal angkasa Soviet Buran yang boleh diguna semula.

Pembangunan kaedah untuk penggunaan komersial sel bahan api bermula pada pertengahan 1960-an. Pembangunan ini sebahagiannya dibiayai oleh organisasi kerajaan.

Pada masa ini, pembangunan teknologi untuk penggunaan sel bahan api sedang berjalan dalam beberapa arah. Ini ialah penciptaan loji kuasa pegun pada sel bahan api (kedua-duanya untuk bekalan tenaga terpusat dan terdesentralisasi), loji kuasa untuk kenderaan (sampel kereta dan bas pada sel bahan api telah dicipta, termasuk di negara kita) (Rajah 3), dan juga bekalan kuasa untuk pelbagai peranti mudah alih (komputer riba, telefon bimbit, dsb.) (Gamb. 4).

Contoh penggunaan sel bahan api dalam pelbagai bidang diberikan dalam Jadual. 1.

Salah satu model sel bahan api komersial pertama yang direka untuk bekalan haba dan kuasa autonomi kepada bangunan ialah PC25 Model A, yang dikeluarkan oleh ONSI Corporation (kini United Technologies, Inc.).

Sel bahan api dengan kuasa nominal 200 kW ini adalah sejenis sel dengan elektrolit berasaskan asid fosforik (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC). Nombor "25" dalam nama model bermaksud nombor siri reka bentuk. Kebanyakan model terdahulu adalah unit eksperimen atau ujian, seperti model "PC11" 12.5 kW yang diperkenalkan pada tahun 1970-an. Model baharu ini meningkatkan kuasa yang diekstrak daripada sel bahan api individu, dan juga mengurangkan kos per kilowatt tenaga yang dihasilkan. Pada masa ini, salah satu model komersial yang paling cekap ialah sel bahan api PC25 Model C. Seperti Model A, ini ialah sel bahan api PAFC 200 kW automatik sepenuhnya yang direka untuk pemasangan di tapak sebagai sumber haba dan kuasa yang serba lengkap.

Sel bahan api sedemikian boleh dipasang di luar bangunan. Secara luaran, ia adalah selari 5.5 m panjang, 3 m lebar dan tinggi, seberat 18,140 kg. Perbezaan dari model sebelumnya adalah pembaharu yang lebih baik dan ketumpatan arus yang lebih tinggi. Jadual 1 Bidang penggunaan sel bahan api Wilayah aplikasi Nominal kuasa Contoh penggunaan Pegun pemasangan Nominal 5–250 kW dan lebih tinggi Sumber autonomi haba dan bekalan kuasa untuk bangunan kediaman, awam dan perindustrian, bekalan kuasa tidak terganggu, sumber bekalan kuasa sandaran dan kecemasan Nominal Mudah alih 1–50 kW Papan tanda jalan, pengangkutan dan trak kereta api yang disejukkan, kerusi roda, kereta golf, kapal angkasa dan satelit Mudah alih 25–150 kW

Dalam sesetengah jenis sel bahan api, proses kimia boleh diterbalikkan: dengan menggunakan perbezaan potensi pada elektrod, air boleh dipecahkan kepada hidrogen dan oksigen, yang terkumpul pada elektrod berliang. Apabila beban disambungkan, sel bahan api regeneratif tersebut akan mula menjana tenaga elektrik.

Arah yang menjanjikan untuk penggunaan sel bahan api ialah penggunaannya bersama-sama dengan sumber tenaga boleh diperbaharui, contohnya, panel fotovoltaik atau loji kuasa angin. Teknologi ini membolehkan kita mengelakkan sepenuhnya pencemaran udara. Sistem yang serupa dirancang untuk diwujudkan, sebagai contoh, di Pusat Latihan Adam Joseph Lewis di Oberlin (lihat ABOK, 2002, No. 5, hlm. 10). Pada masa ini, panel solar digunakan sebagai salah satu sumber tenaga di bangunan ini. Bersama pakar NASA, satu projek telah dibangunkan untuk menggunakan panel fotovoltaik untuk menghasilkan hidrogen dan oksigen daripada air melalui elektrolisis. Hidrogen kemudiannya digunakan dalam sel bahan api untuk menghasilkan tenaga elektrik dan. Ini akan membolehkan bangunan mengekalkan kefungsian semua sistem semasa hari mendung dan pada waktu malam.

Prinsip operasi sel bahan api

Mari kita pertimbangkan prinsip operasi sel bahan api menggunakan contoh unsur mudah dengan membran pertukaran proton (Proton Exchange Membrane, PEM). Sel sedemikian terdiri daripada membran polimer yang diletakkan di antara anod (elektrod positif) dan katod (elektrod negatif) bersama-sama dengan pemangkin anod dan katod.

Membran polimer digunakan sebagai elektrolit. Rajah bagi elemen PEM ditunjukkan dalam Rajah. 5.

Membran pertukaran proton (PEM) ialah sebatian organik pepejal nipis (kira-kira 2-7 helai kertas tebal). Membran ini berfungsi sebagai elektrolit: ia memisahkan bahan kepada ion bercas positif dan negatif dengan kehadiran air.

Proses pengoksidaan berlaku di anod, dan proses pengurangan berlaku di katod.

Molekul hidrogen melalui saluran dalam plat ke anod, di mana molekul diuraikan menjadi atom individu (Rajah 6).

	Rajah 5. () Skema sel bahan api dengan membran pertukaran proton (sel PEM)
	Rajah 6. () Molekul hidrogen melalui saluran dalam plat ke anod, di mana molekul terurai menjadi atom individu
	Rajah 7. () Hasil daripada chemisorption dengan kehadiran mangkin, atom hidrogen ditukar menjadi proton.
	Rajah 8. () Ion hidrogen bercas positif meresap melalui membran ke katod, dan aliran elektron diarahkan ke katod melalui litar elektrik luaran yang bebannya disambungkan.
	Rajah 9. () Oksigen yang dibekalkan kepada katod, dengan kehadiran pemangkin, memasuki tindak balas kimia dengan ion hidrogen daripada membran pertukaran proton dan elektron daripada litar elektrik luaran. Hasil daripada tindak balas kimia, air terbentuk

Kemudian, hasil daripada chemisorption dengan kehadiran mangkin, atom hidrogen, setiap satu melepaskan satu elektron e –, ditukarkan kepada ion hidrogen H + bercas positif, iaitu proton (Rajah 7).

Ion hidrogen (proton) bercas positif meresap melalui membran ke katod, dan aliran elektron diarahkan ke katod melalui litar elektrik luaran yang mana beban (pengguna tenaga elektrik) disambungkan (Rajah 8).

Oksigen yang dibekalkan kepada katod, dengan kehadiran pemangkin, memasuki tindak balas kimia dengan ion hidrogen (proton) daripada membran pertukaran proton dan elektron daripada litar elektrik luaran (Rajah 9). Hasil daripada tindak balas kimia, air terbentuk.

Tindak balas kimia dalam jenis sel bahan api lain (contohnya, dengan elektrolit asid, yang menggunakan larutan asid ortofosforik H 3 PO 4) adalah sama sekali dengan tindak balas kimia dalam sel bahan api dengan membran pertukaran proton.

Dalam mana-mana sel bahan api, sebahagian daripada tenaga daripada tindak balas kimia dibebaskan sebagai haba.

Aliran elektron dalam litar luar ialah arus terus yang digunakan untuk melakukan kerja. Membuka litar luar atau menghentikan pergerakan ion hidrogen menghentikan tindak balas kimia.

Jumlah tenaga elektrik yang dihasilkan oleh sel bahan api bergantung kepada jenis sel bahan api, dimensi geometri, suhu, tekanan gas. Sel bahan api yang berasingan menyediakan EMF kurang daripada 1.16 V. Saiz sel bahan api boleh ditingkatkan, tetapi dalam praktiknya beberapa elemen yang disambungkan ke dalam bateri digunakan (Rajah 10).

Reka bentuk sel bahan api

Mari kita lihat reka bentuk sel bahan api menggunakan PC25 Model C sebagai contoh.

Gambar rajah sel bahan api ditunjukkan dalam Rajah. 11.

Sel bahan api Model C PC25 terdiri daripada tiga bahagian utama: pemproses bahan api, bahagian penjanaan kuasa sebenar dan penukar voltan.

Bahagian utama sel bahan api, bahagian penjanaan kuasa, ialah bateri yang terdiri daripada 256 sel bahan api individu. Elektrod sel bahan api mengandungi mangkin platinum. Sel-sel ini menghasilkan arus elektrik yang berterusan sebanyak 1,400 ampere pada 155 volt. Dimensi bateri adalah kira-kira 2.9 m panjang dan 0.9 m lebar dan tinggi.

Memandangkan proses elektrokimia berlaku pada suhu 177 °C, adalah perlu untuk memanaskan bateri pada masa permulaan dan mengeluarkan haba daripadanya semasa operasi.

Untuk mencapai ini, sel bahan api termasuk litar air yang berasingan, dan bateri dilengkapi dengan plat penyejuk khas.

Pemproses bahan api menukarkan gas asli kepada hidrogen yang diperlukan untuk tindak balas elektrokimia. Proses ini dipanggil pembaharuan. Elemen utama pemproses bahan api ialah pembaharu. Dalam reformer, gas asli (atau bahan api yang mengandungi hidrogen lain) bertindak balas dengan wap air pada suhu tinggi (900 °C) dan tekanan tinggi dengan kehadiran pemangkin nikel. Dalam kes ini, tindak balas kimia berikut berlaku:

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

(tindak balas adalah endotermik, dengan penyerapan haba);

CO + H 2 O H 2 + CO 2

(tindak balas adalah eksotermik, membebaskan haba).

Tindak balas keseluruhan dinyatakan dengan persamaan:

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

(tindak balas adalah endotermik, dengan penyerapan haba).

Timbunan sel bahan api menghasilkan arus terus terputus-putus iaitu voltan rendah dan arus tinggi. Penukar voltan digunakan untuk menukarnya kepada arus AC standard industri. Di samping itu, unit penukar voltan termasuk pelbagai peranti kawalan dan litar interlock keselamatan yang membolehkan sel bahan api dimatikan sekiranya berlaku pelbagai kegagalan.

Dalam sel bahan api sedemikian, kira-kira 40% daripada tenaga bahan api boleh ditukar kepada tenaga elektrik. Kira-kira jumlah yang sama, kira-kira 40% daripada tenaga bahan api, boleh ditukar kepada tenaga haba, yang kemudiannya digunakan sebagai sumber haba untuk pemanasan, bekalan air panas dan tujuan yang serupa. Oleh itu, jumlah kecekapan pemasangan sedemikian boleh mencapai 80%.

Kelebihan penting sumber haba dan elektrik sedemikian ialah kemungkinan operasi automatiknya. Untuk penyelenggaraan, pemilik kemudahan di mana sel bahan api dipasang tidak perlu menyelenggara kakitangan terlatih khas - penyelenggaraan berkala boleh dilakukan oleh pekerja organisasi operasi.

Jenis sel bahan api

Pada masa ini, beberapa jenis sel bahan api diketahui, berbeza dalam komposisi elektrolit yang digunakan. Empat jenis berikut adalah yang paling meluas (Jadual 2):

1. Sel bahan api dengan membran pertukaran proton (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC).

2. Sel bahan api berasaskan asid ortofosforik (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC).

3. Sel bahan api berasaskan karbonat cair (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).

4. Sel Bahan Api Oksida Pepejal (SOFC).

Pada masa ini, kumpulan terbesar sel bahan api adalah berdasarkan teknologi PAFC.

Salah satu ciri utama pelbagai jenis sel bahan api ialah suhu operasi. Dalam banyak cara, ia adalah suhu yang menentukan kawasan penggunaan sel bahan api. Sebagai contoh, suhu tinggi adalah kritikal untuk komputer riba, jadi sel bahan api membran pertukaran proton dengan suhu operasi rendah sedang dibangunkan untuk segmen pasaran ini.

Sel bahan api membran pertukaran proton (PEMFC)

Sel bahan api ini beroperasi pada suhu operasi yang agak rendah (60-160 °C). Mereka mempunyai ketumpatan kuasa yang tinggi, membolehkan anda melaraskan kuasa output dengan cepat, dan boleh dihidupkan dengan cepat. Kelemahan elemen jenis ini ialah keperluan yang tinggi untuk kualiti bahan api, kerana bahan api yang tercemar boleh merosakkan membran. Kuasa undian jenis sel bahan api ini ialah 1-100 kW.

Sel bahan api membran pertukaran Proton pada asalnya dibangunkan oleh General Electric pada tahun 1960-an untuk NASA. Sel bahan api jenis ini menggunakan elektrolit polimer keadaan pepejal yang dipanggil Proton Exchange Membrane (PEM). Proton boleh bergerak melalui membran pertukaran proton, tetapi elektron tidak boleh melaluinya, mengakibatkan perbezaan potensi antara katod dan anod. Kerana kesederhanaan dan kebolehpercayaan mereka, sel bahan api tersebut digunakan sebagai sumber kuasa pada kapal angkasa Gemini yang dikendalikan.

Sel bahan api jenis ini digunakan sebagai sumber kuasa untuk pelbagai jenis peranti yang berbeza, termasuk prototaip dan prototaip, daripada telefon mudah alih kepada bas dan sistem kuasa pegun. Suhu operasi yang rendah membolehkan sel tersebut digunakan untuk menggerakkan pelbagai jenis peranti elektronik yang kompleks. Penggunaannya kurang berkesan sebagai sumber haba dan bekalan elektrik kepada bangunan awam dan perindustrian, di mana jumlah tenaga haba yang besar diperlukan. Pada masa yang sama, elemen sedemikian menjanjikan sebagai sumber bekalan kuasa autonomi untuk bangunan kediaman kecil seperti kotej yang dibina di kawasan dengan iklim panas.

Jadual 2 Jenis sel bahan api

Jenis item Pekerja suhu, °C Keluaran kecekapan elektrik tenaga),% Jumlah Kecekapan, % Sel bahan api dengan membran pertukaran proton (PEMFC) 60–160 30–35 50–70 Sel bahan api berasaskan fosforus asid (fosforik) (PAFC) 150–200 35 70–80 Berasaskan sel bahan api karbonat cair (MCFC) 600–700 45–50 70–80 Oksida pepejal sel bahan api (SOFC) 700–1 000 50–60 70–80

Sel Bahan Api Asid Fosforik (PAFC)

Ujian sel bahan api jenis ini telah dijalankan pada awal 1970-an. Julat suhu operasi - 150-200 °C. Bidang utama permohonan adalah sumber autonomi haba dan bekalan elektrik kuasa sederhana (kira-kira 200 kW).

Sel bahan api ini menggunakan larutan asid fosforik sebagai elektrolit. Elektrod diperbuat daripada kertas yang disalut dengan karbon di mana pemangkin platinum tersebar.

Kecekapan elektrik sel bahan api PAFC ialah 37-42%. Walau bagaimanapun, oleh kerana sel bahan api ini beroperasi pada suhu yang agak tinggi, adalah mungkin untuk menggunakan stim yang dihasilkan hasil daripada operasi. Dalam kes ini, kecekapan keseluruhan boleh mencapai 80%.

Untuk menghasilkan tenaga, bahan mentah yang mengandungi hidrogen mesti ditukar kepada hidrogen tulen melalui proses pembaharuan. Sebagai contoh, jika petrol digunakan sebagai bahan api, adalah perlu untuk mengeluarkan sebatian yang mengandungi sulfur, kerana sulfur boleh merosakkan mangkin platinum.

Sel bahan api PAFC ialah sel bahan api komersial pertama yang digunakan secara ekonomi. Model yang paling biasa ialah sel bahan api PC25 200 kW yang dikeluarkan oleh ONSI Corporation (kini United Technologies, Inc.) (Rajah 13). Sebagai contoh, elemen ini digunakan sebagai sumber tenaga haba dan elektrik di balai polis di Central Park di New York atau sebagai sumber tenaga tambahan di Bangunan Conde Nast & Four Times Square.

Pemasangan terbesar jenis ini sedang diuji sebagai loji kuasa 11 MW yang terletak di Jepun.

Sel bahan api asid fosforik juga digunakan sebagai sumber tenaga dalam kenderaan. Sebagai contoh, pada tahun 1994, H-Power Corp., Universiti Georgetown dan Jabatan Tenaga AS dilengkapi bas dengan loji kuasa 50 kW.

Sel Bahan Api Karbonat Lebur (MCFC)

Sel bahan api berasaskan karbonat cair memerlukan masa permulaan yang ketara dan tidak membenarkan pelarasan segera kuasa keluaran, jadi kawasan utama penggunaannya ialah sumber pegun tenaga haba dan elektrik yang besar. Walau bagaimanapun, ia dicirikan oleh kecekapan penukaran bahan api yang tinggi - kecekapan elektrik 60% dan kecekapan keseluruhan sehingga 85%.

Dalam sel bahan api jenis ini, elektrolit terdiri daripada garam kalium karbonat dan litium karbonat yang dipanaskan hingga kira-kira 650 °C. Di bawah keadaan ini, garam berada dalam keadaan cair, membentuk elektrolit. Di anod, hidrogen bertindak balas dengan ion CO 3, membentuk air, karbon dioksida dan melepaskan elektron, yang dihantar ke litar luar, dan di katod, oksigen berinteraksi dengan karbon dioksida dan elektron dari litar luar, sekali lagi membentuk ion CO 3. .

Sampel makmal sel bahan api jenis ini dicipta pada akhir 1950-an oleh saintis Belanda G. H. J. Broers dan J. A. A. Ketelaar. Pada tahun 1960-an, jurutera Francis T. Bacon, keturunan penulis dan saintis Inggeris terkenal abad ke-17, bekerja dengan sel-sel ini, itulah sebabnya sel bahan api MCFC kadang-kadang dipanggil sel Bacon. Dalam program NASA Apollo, Apollo-Soyuz dan Scylab, sel bahan api ini digunakan sebagai sumber bekalan tenaga (Rajah 14). Pada tahun-tahun yang sama ini, jabatan tentera AS menguji beberapa sampel sel bahan api MCFC yang dihasilkan oleh Texas Instruments, yang menggunakan petrol gred tentera sebagai bahan api. Pada pertengahan 1970-an, Jabatan Tenaga AS memulakan penyelidikan untuk mencipta sel bahan api karbonat cair pegun yang sesuai untuk aplikasi praktikal. Pada tahun 1990-an, beberapa pemasangan komersial dengan kuasa undian sehingga 250 kW telah diperkenalkan, contohnya di Stesen Udara Tentera Laut AS Miramar di California. Pada tahun 1996, FuelCell Energy, Inc.

melancarkan loji pra-pengeluaran 2 MW di Santa Clara, California.

Sel bahan api oksida keadaan pepejal reka bentuk ringkas dan beroperasi pada suhu yang sangat tinggi - 700-1,000 °C. Suhu tinggi sedemikian membolehkan penggunaan bahan api yang agak "kotor", tidak ditapis.

Ciri-ciri yang sama seperti sel bahan api berasaskan karbonat cair menentukan bidang aplikasi yang serupa - sumber pegun tenaga haba dan elektrik yang besar.

Sel bahan api oksida pepejal secara struktur berbeza daripada sel bahan api berdasarkan teknologi PAFC dan MCFC. Anod, katod dan elektrolit diperbuat daripada gred khas seramik. Elektrolit yang paling biasa digunakan ialah campuran zirkonium oksida dan kalsium oksida, tetapi oksida lain boleh digunakan.

Elektrolit membentuk kekisi kristal yang disalut pada kedua-dua belah dengan bahan elektrod berliang. Secara struktur, unsur-unsur tersebut dibuat dalam bentuk tiub atau papan rata, yang memungkinkan untuk menggunakan teknologi yang digunakan secara meluas dalam industri elektronik dalam pengeluaran mereka. Akibatnya, sel bahan api oksida keadaan pepejal boleh beroperasi pada suhu yang sangat tinggi, menjadikannya berfaedah untuk menghasilkan tenaga elektrik dan haba.

Prototaip pertama sel bahan api sedemikian telah dicipta pada akhir 1950-an oleh beberapa syarikat Amerika dan Belanda. Kebanyakan syarikat ini tidak lama lagi meninggalkan penyelidikan lanjut kerana kesukaran teknologi, tetapi salah satunya, Westinghouse Electric Corp. (kini Siemens Westinghouse Power Corporation), meneruskan kerja. Syarikat itu kini menerima pra-pesanan untuk model komersial sel bahan api oksida keadaan pepejal tiub, yang dijangka tersedia tahun ini (Rajah 15). Segmen pasaran elemen tersebut adalah pemasangan pegun untuk pengeluaran tenaga haba dan elektrik dengan kapasiti 250 kW hingga 5 MW.

Sel bahan api SOFC telah menunjukkan kebolehpercayaan yang sangat tinggi.

Sebagai contoh, prototaip sel bahan api yang dikeluarkan oleh Siemens Westinghouse telah mencapai 16,600 jam operasi dan terus beroperasi, menjadikannya hayat sel bahan api berterusan terpanjang di dunia.

Sel bahan api ialah peranti elektrokimia yang serupa dengan sel galvanik, tetapi berbeza daripadanya kerana bahan untuk tindak balas elektrokimia dibekalkan kepadanya dari luar - berbeza dengan jumlah tenaga terhad yang disimpan dalam sel atau bateri galvanik.

nasi. 1. Beberapa sel bahan api

Sel bahan api menukarkan tenaga kimia bahan api kepada elektrik, memintas proses pembakaran yang tidak berkesan yang berlaku dengan kerugian yang besar. Mereka menukar hidrogen dan oksigen kepada elektrik melalui tindak balas kimia. Hasil daripada proses ini, air terbentuk dan sejumlah besar haba dibebaskan. Sel bahan api adalah seperti bateri yang boleh dicas dan kemudian menggunakan tenaga elektrik yang disimpan. Pencipta sel bahan api dianggap sebagai William R. Grove, yang menciptanya pada tahun 1839. Sel bahan api ini menggunakan larutan asid sulfurik sebagai elektrolit dan hidrogen sebagai bahan api, yang digabungkan dengan oksigen dalam agen pengoksidaan. Sehingga baru-baru ini, sel bahan api hanya digunakan di makmal dan kapal angkasa.

Tidak seperti penjana kuasa lain, seperti enjin pembakaran dalaman atau turbin yang dikuasakan oleh gas, arang batu, minyak bahan api, dll., sel bahan api tidak membakar bahan api. Ini bermakna tiada rotor tekanan tinggi yang bising, tiada bunyi ekzos yang kuat, tiada getaran. Sel bahan api menghasilkan elektrik melalui tindak balas elektrokimia senyap. Satu lagi ciri sel bahan api ialah ia menukarkan tenaga kimia bahan api terus kepada elektrik, haba dan air.

Sel bahan api sangat cekap dan tidak menghasilkan sejumlah besar gas rumah hijau seperti karbon dioksida, metana dan nitrus oksida. Satu-satunya pelepasan daripada sel bahan api ialah air dalam bentuk wap dan sejumlah kecil karbon dioksida, yang tidak dilepaskan sama sekali jika hidrogen tulen digunakan sebagai bahan api. Sel bahan api dipasang ke dalam pemasangan dan kemudian ke dalam modul berfungsi individu.

Sel bahan api tidak mempunyai bahagian yang bergerak (sekurang-kurangnya tidak dalam sel itu sendiri) dan oleh itu tidak mematuhi undang-undang Carnot. Iaitu, mereka akan mempunyai kecekapan lebih daripada 50% dan amat berkesan pada beban rendah. Oleh itu, kenderaan sel bahan api boleh menjadi (dan telah terbukti) lebih cekap bahan api daripada kenderaan konvensional dalam keadaan pemanduan dunia sebenar.

Mod operasi suhu tinggi, tekanan tinggi sel bahan api SOFC membolehkan penciptaan loji hibrid di mana pelepasan sel bahan api memacu turbin gas yang digunakan untuk menjana tenaga elektrik. Pemasangan hibrid yang pertama beroperasi di Irvine, California. Kuasa undian pemasangan ini ialah 220 kW, di mana 200 kW daripada sel bahan api dan 20 kW daripada penjana mikroturbin.

Terdapat beberapa jenis sel bahan api, berbeza dalam proses kimia yang digunakan. Sel bahan api biasanya dikelaskan mengikut jenis elektrolit yang mereka gunakan.

Sesetengah jenis sel bahan api menjanjikan untuk digunakan dalam loji kuasa, manakala yang lain menjanjikan untuk peranti mudah alih atau untuk memandu kereta.

1. Sel bahan api alkali (ALFC)

Sel bahan api alkali- Ini adalah salah satu elemen pertama yang dibangunkan. Sel bahan api alkali (AFC) ialah salah satu teknologi yang paling banyak dikaji, digunakan sejak pertengahan 60-an abad ke-20 oleh NASA dalam program Apollo dan Space Shuttle. Di atas kapal angkasa ini, sel bahan api menghasilkan tenaga elektrik dan air yang boleh diminum.

Sel bahan api menghasilkan arus elektrik voltan malar yang boleh digunakan untuk memacu motor elektrik, lampu dan sistem elektrik lain di dalam kenderaan.

Sel bahan api alkali menggunakan elektrolit, larutan kalium hidroksida berair, yang terkandung dalam matriks berliang dan stabil. Kepekatan kalium hidroksida mungkin berbeza-beza bergantung pada suhu operasi sel bahan api, yang berjulat dari 65°C hingga 220°C. Pembawa cas dalam SHTE ialah ion hidroksil (OH-), bergerak dari katod ke anod, di mana ia bertindak balas dengan hidrogen, menghasilkan air dan elektron. Air yang dihasilkan di anod bergerak kembali ke katod, sekali lagi menghasilkan ion hidroksil di sana. Hasil daripada siri tindak balas yang berlaku dalam sel bahan api, elektrik dan, sebagai hasil sampingan, haba terhasil:

Tindak balas pada anod: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e

Tindak balas pada katod: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH

Tindak balas umum sistem: 2H2 + O2 => 2H2O

Kelebihan SHTE ialah sel bahan api ini adalah yang paling murah untuk dihasilkan, kerana pemangkin yang diperlukan pada elektrod boleh menjadi mana-mana bahan yang lebih murah daripada yang digunakan sebagai pemangkin untuk sel bahan api lain. Selain itu, SHTE beroperasi pada suhu yang agak rendah dan antara yang paling cekap.

Salah satu ciri ciri SHTE ialah kepekaannya yang tinggi kepada CO2, yang mungkin terkandung dalam bahan api atau udara. CO2 bertindak balas dengan elektrolit, cepat meracuninya, dan sangat mengurangkan kecekapan sel bahan api. Oleh itu, penggunaan SHTE adalah terhad kepada ruang tertutup, seperti ruang angkasa dan kenderaan bawah air; ia beroperasi pada hidrogen dan oksigen tulen.

2. Sel bahan api karbonat cair (MCFC)

Sel bahan api dengan elektrolit karbonat cair adalah sel bahan api suhu tinggi. Suhu operasi yang tinggi membolehkan penggunaan langsung gas asli tanpa pemproses bahan api dan gas bahan api nilai kalori rendah daripada proses perindustrian dan sumber lain. Proses ini dibangunkan pada pertengahan 60-an abad kedua puluh. Sejak itu, teknologi pengeluaran, prestasi dan kebolehpercayaan telah dipertingkatkan.

Operasi RCFC berbeza daripada sel bahan api lain. Sel-sel ini menggunakan elektrolit yang diperbuat daripada campuran garam karbonat cair. Pada masa ini, dua jenis campuran digunakan: litium karbonat dan kalium karbonat atau litium karbonat dan natrium karbonat. Untuk mencairkan garam karbonat dan mencapai tahap mobiliti ion yang tinggi dalam elektrolit, sel bahan api dengan elektrolit karbonat cair beroperasi pada suhu tinggi (650°C). Kecekapan berbeza antara 60-80%.

Apabila dipanaskan pada suhu 650°C, garam menjadi konduktor untuk ion karbonat (CO32-). Ion-ion ini berpindah dari katod ke anod, di mana ia bergabung dengan hidrogen untuk membentuk air, karbon dioksida dan elektron bebas. Elektron ini dihantar melalui litar elektrik luaran kembali ke katod, menghasilkan arus elektrik dan haba sebagai hasil sampingan.

Tindak balas pada anod: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e

Tindak balas pada katod: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-

Tindak balas am unsur: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(katod) => H2O(g) + CO2(anod)

Suhu operasi yang tinggi bagi sel bahan api elektrolit karbonat cair mempunyai kelebihan tertentu. Kelebihannya ialah keupayaan untuk menggunakan bahan standard (lembaran keluli tahan karat dan pemangkin nikel pada elektrod). Haba buangan boleh digunakan untuk menghasilkan wap tekanan tinggi. Suhu tindak balas yang tinggi dalam elektrolit juga mempunyai kelebihannya. Penggunaan suhu tinggi memerlukan masa yang lama untuk mencapai keadaan operasi yang optimum, dan sistem bertindak balas dengan lebih perlahan kepada perubahan dalam penggunaan tenaga. Ciri-ciri ini membenarkan penggunaan pemasangan sel bahan api dengan elektrolit karbonat cair di bawah keadaan kuasa yang berterusan. Suhu tinggi menghalang kerosakan pada sel bahan api oleh karbon monoksida, "keracunan," dsb.

Sel bahan api dengan elektrolit karbonat cair sesuai untuk digunakan dalam pemasangan pegun yang besar. Loji kuasa haba dengan kuasa keluaran elektrik 2.8 MW dihasilkan secara komersial. Pemasangan dengan kuasa keluaran sehingga 100 MW sedang dibangunkan.

3. Sel bahan api asid fosforik (PAFC)

Sel bahan api berasaskan asid fosforik (ortofosforik). menjadi sel bahan api pertama untuk kegunaan komersial. Proses ini dibangunkan pada pertengahan 60-an abad kedua puluh, ujian telah dijalankan sejak 70-an abad kedua puluh. Hasilnya ialah peningkatan kestabilan dan prestasi serta pengurangan kos.

Sel bahan api alkali adalah salah satu elemen paling cekap digunakan untuk menjana elektrik, dengan kecekapan penjanaan kuasa mencapai sehingga 70%.

Pembawa cas dalam sel bahan api jenis ini ialah hidrogen (H+, proton). Proses yang sama berlaku dalam sel bahan api membran pertukaran proton (PEMFCs), di mana hidrogen yang dibekalkan kepada anod dipecahkan kepada proton dan elektron. Proton bergerak melalui elektrolit dan bergabung dengan oksigen dari udara di katod untuk membentuk air. Elektron dihantar melalui litar elektrik luaran, dengan itu menghasilkan arus elektrik. Di bawah adalah tindak balas yang menghasilkan arus elektrik dan haba.

Tindak balas pada anod: 2H2 => 4H+ + 4e

Tindak balas pada katod: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O

Tindak balas am unsur: 2H2 + O2 => 2H2O

Kecekapan sel bahan api berdasarkan asid fosforik (ortofosforik) adalah lebih daripada 40% apabila menjana tenaga elektrik. Dengan gabungan pengeluaran haba dan elektrik, kecekapan keseluruhan adalah kira-kira 85%. Di samping itu, berdasarkan suhu operasi, haba buangan boleh digunakan untuk memanaskan air dan menjana wap tekanan atmosfera.

Prestasi tinggi loji kuasa haba menggunakan sel bahan api berasaskan asid fosforik (ortofosforik) dalam gabungan pengeluaran tenaga haba dan elektrik adalah salah satu kelebihan sel bahan api jenis ini. Unit menggunakan karbon monoksida dengan kepekatan kira-kira 1.5%, yang secara signifikan mengembangkan pilihan bahan api. Reka bentuk yang ringkas, tahap turun naik elektrolit yang rendah dan peningkatan kestabilan juga merupakan kelebihan sel bahan api tersebut.

Loji kuasa haba dengan kuasa keluaran elektrik sehingga 400 kW dihasilkan secara komersial. Pemasangan dengan kapasiti 11 MW telah lulus ujian yang sesuai. Pemasangan dengan kuasa keluaran sehingga 100 MW sedang dibangunkan.

4. Sel bahan api membran pertukaran proton (PEMFC)

Sel bahan api membran pertukaran proton dianggap sebagai jenis sel bahan api terbaik untuk menjana kuasa bagi kenderaan, yang boleh menggantikan enjin pembakaran dalaman petrol dan diesel. Sel bahan api ini mula-mula digunakan oleh NASA untuk program Gemini. Pemasangan berdasarkan MOPFC dengan kuasa dari 1 W hingga 2 kW telah dibangunkan dan ditunjukkan.

Elektrolit dalam sel bahan api ini adalah membran polimer pepejal (selapis nipis plastik). Apabila tepu dengan air, polimer ini membenarkan proton melaluinya tetapi tidak menghantar elektron.

Bahan api adalah hidrogen, dan pembawa cas adalah ion hidrogen (proton). Di anod, molekul hidrogen dipecah menjadi ion hidrogen (proton) dan elektron. Ion hidrogen melalui elektrolit ke katod, dan elektron bergerak mengelilingi bulatan luar dan menghasilkan tenaga elektrik. Oksigen, yang diambil dari udara, dibekalkan ke katod dan bergabung dengan elektron dan ion hidrogen untuk membentuk air. Tindak balas berikut berlaku pada elektrod: Tindak balas pada anod: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4eTindak balas pada katod: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH Tindak balas keseluruhan sel: 2H2 + O2 => 2H2O Berbanding dengan jenis lain sel bahan api, sel bahan api dengan membran pertukaran proton menghasilkan lebih banyak tenaga untuk isipadu atau berat sel bahan api tertentu. Ciri ini membolehkan mereka menjadi padat dan ringan. Di samping itu, suhu operasi kurang daripada 100°C, yang membolehkan anda memulakan operasi dengan cepat. Ciri-ciri ini, serta keupayaan untuk menukar keluaran tenaga dengan cepat, hanyalah beberapa yang menjadikan sel bahan api ini sebagai calon utama untuk digunakan dalam kenderaan.

Kelebihan lain ialah elektrolit adalah pepejal dan bukannya cecair. Lebih mudah untuk mengekalkan gas di katod dan anod menggunakan elektrolit pepejal, jadi sel bahan api tersebut lebih murah untuk dihasilkan. Dengan elektrolit pepejal, tiada masalah orientasi dan kurang masalah kakisan, meningkatkan jangka hayat sel dan komponennya.

5. Sel bahan api oksida pepejal (SOFC)

Sel bahan api oksida pepejal adalah sel bahan api suhu operasi tertinggi. Suhu operasi boleh berbeza dari 600°C hingga 1000°C, membenarkan penggunaan pelbagai jenis bahan api tanpa pra-rawatan khas. Untuk mengendalikan suhu yang begitu tinggi, elektrolit yang digunakan ialah oksida logam pepejal nipis pada asas seramik, selalunya aloi yttrium dan zirkonium, yang merupakan konduktor ion oksigen (O2-). Teknologi menggunakan sel bahan api oksida pepejal telah berkembang sejak akhir 50-an abad kedua puluh dan mempunyai dua konfigurasi: planar dan tubular.

Elektrolit pepejal menyediakan peralihan gas yang tertutup dari satu elektrod ke yang lain, manakala elektrolit cecair terletak dalam substrat berliang. Pembawa cas dalam sel bahan api jenis ini ialah ion oksigen (O2-). Di katod, molekul oksigen dari udara dipisahkan menjadi ion oksigen dan empat elektron. Ion oksigen melalui elektrolit dan bergabung dengan hidrogen, menghasilkan empat elektron bebas. Elektron dihantar melalui litar elektrik luaran, menghasilkan arus elektrik dan haba buangan.

Tindak balas pada anod: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e

Tindak balas pada katod: O2 + 4e- => 2O2-

Tindak balas am unsur: 2H2 + O2 => 2H2O

Kecekapan pengeluaran tenaga elektrik adalah yang tertinggi daripada semua sel bahan api - kira-kira 60%. Selain itu, suhu operasi yang tinggi membolehkan pengeluaran gabungan tenaga haba dan elektrik untuk menjana stim tekanan tinggi. Menggabungkan sel bahan api suhu tinggi dengan turbin memungkinkan untuk mencipta sel bahan api hibrid untuk meningkatkan kecekapan penjanaan tenaga elektrik sehingga 70%.

Sel bahan api oksida pepejal beroperasi pada suhu yang sangat tinggi (600°C-1000°C), menghasilkan masa yang ketara yang diperlukan untuk mencapai keadaan operasi yang optimum dan tindak balas sistem yang lebih perlahan terhadap perubahan dalam penggunaan tenaga. Pada suhu operasi yang begitu tinggi, tiada penukar diperlukan untuk memulihkan hidrogen daripada bahan api, membenarkan loji kuasa haba beroperasi dengan bahan api yang agak tidak tulen hasil daripada pengegasan arang batu atau gas buangan, dsb. Sel bahan api juga sangat baik untuk aplikasi kuasa tinggi, termasuk perindustrian dan loji kuasa pusat yang besar. Modul dengan kuasa keluaran elektrik 100 kW dihasilkan secara komersial.

6. Sel bahan api pengoksidaan metanol langsung (DOMFC)

Sel bahan api pengoksidaan metanol langsung Mereka berjaya digunakan dalam bidang kuasa telefon mudah alih, komputer riba, serta untuk mencipta sumber kuasa mudah alih, yang merupakan tujuan penggunaan elemen tersebut pada masa hadapan.

Reka bentuk sel bahan api dengan pengoksidaan langsung metanol adalah serupa dengan reka bentuk sel bahan api dengan membran pertukaran proton (MEPFC), i.e. Polimer digunakan sebagai elektrolit, dan ion hidrogen (proton) digunakan sebagai pembawa cas. Tetapi metanol cecair (CH3OH) teroksida dengan kehadiran air di anod, membebaskan CO2, ion hidrogen dan elektron, yang dihantar melalui litar elektrik luaran, dengan itu menghasilkan arus elektrik. Ion hidrogen melalui elektrolit dan bertindak balas dengan oksigen dari udara dan elektron dari litar luar untuk membentuk air di anod.

Tindak balas pada anod: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6eTindak balas pada katod: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O Tindak balas am unsur: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O Perkembangan sedemikian sel bahan api telah dijalankan sejak awal 90-an abad kedua puluh dan kuasa dan kecekapan khusus mereka telah meningkat kepada 40%.

Unsur-unsur ini telah diuji dalam julat suhu 50-120°C. Oleh kerana suhu operasinya yang rendah dan ketiadaan keperluan untuk penukar, sel bahan api tersebut adalah calon utama untuk digunakan dalam telefon bimbit dan produk pengguna lain, serta dalam enjin kereta. Kelebihan mereka juga adalah saiznya yang kecil.

7. Sel bahan api elektrolit polimer (PEFC)

Dalam kes sel bahan api elektrolit polimer, membran polimer terdiri daripada gentian polimer dengan kawasan air di mana ion air konduksi H2O+ (proton, merah) melekat pada molekul air. Molekul air menimbulkan masalah kerana pertukaran ion yang perlahan. Oleh itu, kepekatan air yang tinggi diperlukan dalam kedua-dua bahan api dan pada elektrod alir keluar, yang mengehadkan suhu operasi kepada 100°C.

8. Sel bahan api asid pepejal (SFC)

Dalam sel bahan api asid pepejal, elektrolit (CsHSO4) tidak mengandungi air. Oleh itu, suhu operasi ialah 100-300°C. Putaran oksianion SO42 membolehkan proton (merah) bergerak seperti yang ditunjukkan dalam rajah. Biasanya, sel bahan api asid pepejal ialah sandwic di mana lapisan sebatian asid pepejal yang sangat nipis diapit di antara dua elektrod yang ditekan rapat untuk memastikan sentuhan yang baik. Apabila dipanaskan, komponen organik tersejat, keluar melalui liang-liang dalam elektrod, mengekalkan keupayaan berbilang sentuhan antara bahan api (atau oksigen di hujung elemen yang lain), elektrolit dan elektrod.

9. Perbandingan ciri-ciri terpenting sel bahan api

Ciri-ciri sel bahan api

Jenis sel bahan api	Suhu operasi	Kecekapan penjanaan kuasa	Jenis bahan api	Skop permohonan
				Pemasangan sederhana dan besar
			Hidrogen tulen	pemasangan
			Hidrogen tulen	Pemasangan kecil
			Kebanyakan bahan api hidrokarbon	Pemasangan kecil, sederhana dan besar
				Mudah alih pemasangan
			Hidrogen tulen	Angkasa diteliti
			Hidrogen tulen	Pemasangan kecil

10. Penggunaan sel bahan api dalam kereta