Mobilná elektronika sa každý rok, ak nie mesiac, stáva prístupnejšou a rozšírenejšou. Tu nájdete prenosné počítače, PDA, digitálne fotoaparáty, mobilné telefóny a mnoho ďalších užitočných a nie veľmi užitočných zariadení. A všetky tieto zariadenia neustále získavajú nové funkcie, výkonnejšie procesory, väčšie farebné obrazovky, bezdrôtové pripojenie a zároveň sa zmenšujú. Ale na rozdiel od polovodičových technológií nie sú energetické technológie celého tohto mobilného zverinca nijako skokové.

Konvenčné nabíjateľné batérie a batérie zjavne nestačia na to, aby poháňali najnovšie pokroky v elektronickom priemysle na nejaký významný čas. A bez spoľahlivých, vysokokapacitných batérií sa stratí celý zmysel pre mobilitu a bezdrôtovosť. Počítačový priemysel teda na tomto probléme stále aktívnejšie pracuje alternatívne napájacie zdroje... A najsľubnejší smer tu dnes je palivové články.

Základný princíp palivových článkov objavil britský vedec Sir William Grove v roku 1839. Je známy ako otec „palivového článku“. William Grove vyrobil elektrinu zmenou na extrakciu vodíka a kyslíka. Po odpojení batérie od elektrolytického článku Grove prekvapilo, že elektródy začali absorbovať vyvíjaný plyn a vytvárať prúd. Otvorenie procesu elektrochemické „studené“ spaľovanie vodíka sa stala významnou udalosťou v energetickom sektore a neskôr vo vývoji zohrali dôležitú úlohu takí známi elektrochemici ako Ostwald a Nernst teoretické základy a praktickú implementáciu palivových článkov a predpovedal im veľkú budúcnosť.

Ja sám termín „palivový článok“ sa objavili neskôr - v roku 1889 to navrhli Ludwig Mond a Charles Langer, ktorí sa pokúšali vytvoriť zariadenie na výrobu elektriny zo vzduchu a uhlia.

Pri normálnom spaľovaní v kyslíku sa organické palivo oxiduje a chemická energia paliva sa neefektívne premieňa na tepelnú energiu. Ukázalo sa však, že je možné, aby oxidačná reakcia, napríklad vodíka s kyslíkom, prebiehala v prostredí elektrolytu a v prítomnosti elektród sa získal elektrický prúd. Napríklad dodaním vodíka k elektróde v alkalickom prostredí získame elektróny:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

ktoré prechádzajú vonkajším obvodom a vstupujú do opačnej elektródy, do ktorej vstupuje kyslík a kde prebieha reakcia: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

Je vidieť, že výsledná reakcia 2H2 + O2 → H2O je rovnaká ako pri konvenčnom spaľovaní, ale v palivovom článku alebo inak - v elektrochemický generátor, elektrický prúd sa získava s vysokou účinnosťou a čiastočne teplom. Všimnite si toho, že uhlie, oxid uhoľnatý, alkoholy, hydrazín a ďalšie organické látky môžu byť tiež použité ako palivo v palivových článkoch a ako oxidačné činidlá môžu byť použité vzduch, peroxid vodíka, chlór, bróm, kyselina dusičná atď.

Vývoj palivových článkov energicky pokračoval v zahraničí aj v Rusku a potom v ZSSR. Medzi vedcami, ktorí významne prispeli k štúdiu palivových článkov, zaznamenávame V. Jaco, P. Yablochkov, F. Bacon, E. Bauer, E. Yusti, K. Kordesh. V polovici minulého storočia začala nová búrka problémov s palivovými článkami. Je to čiastočne spôsobené vznikom nových myšlienok, materiálov a technológií v dôsledku obranného výskumu.

Jeden z vedcov, ktorí urobili veľký krok vo vývoji palivových článkov, bol P. M. Spiridonov. Spiridonovove vodíkovo-kyslíkové prvky poskytla prúdovú hustotu 30 mA / cm2, čo bolo v tom čase považované za veľký úspech. V štyridsiatych rokoch O. Davtyan vytvoril zariadenie na elektrochemické spaľovanie generátorového plynu získavaného splyňovaním uhlia. Na každý kubický meter objemu prvku dostal Davtyan 5 kW výkonu.

To bolo prvý palivový článok na tuhý elektrolyt... Mala vysokú účinnosť, ale postupom času sa elektrolyt zhoršoval a bolo potrebné ho zmeniť. Následne Davtyan na konci päťdesiatych rokov vytvoril výkonnú inštaláciu, ktorá uvádza traktor do pohybu. V tých istých rokoch anglický inžinier T. Bacon navrhol a zostrojil batériu palivových článkov s celkovým výkonom 6 kW a účinnosťou 80%, pracujúcu na čistý vodík a kyslík, ale pomer výkonu a hmotnosti batéria sa ukázala byť príliš malá - také články neboli vhodné na praktické použitie a boli príliš drahé.

V nasledujúcich rokoch čas samotárov plynul. Tvorcov zaujímajú palivové články kozmická loď... Od polovice 60. rokov sa do výskumu palivových článkov investovali milióny dolárov. Práca tisícov vedcov a inžinierov umožnila dosiahnuť novú úroveň a v roku 1965. Palivové články boli testované v USA na kozmickej lodi Gemini-5, neskôr na vesmírnej lodi Apollo na lety na Mesiac a v rámci programu Shuttle.

V ZSSR boli palivové články vyvinuté v NPO Kvant, tiež na použitie vo vesmíre. V tých rokoch sa už objavili nové materiály - tuhé polymérne elektrolyty na báze iónomeničových membrán, nové typy katalyzátorov, elektródy. Napriek tomu bola hustota pracovného prúdu malá - v rozmedzí 100-200 mA / cm2 a obsah platiny na elektródach bol niekoľko g / cm2. Problémy s trvanlivosťou, stabilitou a bezpečnosťou boli mnohé.

Ďalšia etapa rýchleho vývoja palivových článkov sa začala v 90. rokoch. minulého storočia a pokračuje aj teraz. Je to spôsobené potrebou nových efektívnych zdrojov energie v spojení na jednej strane s globálnym problém životného prostredia zvyšujúce sa emisie skleníkových plynov zo spaľovania fosílnych palív a na druhej strane s vyčerpaním takýchto zásob paliva. Pretože konečným produktom spaľovania vodíka v palivovom článku je voda, sú z hľadiska vplyvu na životné prostredie považované za najčistejšie. Hlavný problém spočíva iba v nájdení efektívnej a lacnej metódy výroby vodíka.

Miliardové finančné investície do vývoja palivových článkov a vodíkových generátorov by mali viesť k technologickému prelomu a stať sa realitou v každodennom živote: v bunkách pre mobilné telefóny, v automobiloch, v elektrárňach. Už teraz takí automobiloví giganti ako Ballard, Honda, Daimler Chrysler, General Motors predvádzajú autá a autobusy poháňané palivovými článkami s výkonom 50 kW. Rozvinulo sa niekoľko spoločností ukážkové elektrárne na palivové články s tuhým oxidovým elektrolytom s výkonom až 500 kW... Napriek významnému prelomu v zlepšovaní vlastností palivových článkov je stále potrebné vyriešiť mnoho problémov spojených s ich nákladmi, spoľahlivosťou a bezpečnosťou.

V palivovom článku je na rozdiel od batérií a akumulátorov palivo a oxidačné činidlo dodávané zvonku. Palivový článok je iba sprostredkovateľom reakcie a za ideálnych podmienok by mohol fungovať takmer navždy. Krása tejto technológie spočíva v tom, že prvok v skutočnosti spaľuje palivo a priamo premieňa uvoľnenú energiu na elektrickú energiu. Pri priamom spaľovaní paliva sa oxiduje kyslíkom a teplo uvoľnené počas tohto procesu sa používa na vykonávanie užitočných prác.

V palivovom článku, podobne ako v batériách, sú reakcie oxidácie paliva a redukcie kyslíka priestorovo oddelené a proces „spaľovania“ prebieha iba vtedy, ak článok dodáva prúd záťaži. Je to ako dieselový elektrický generátor, iba bez nafty a generátora... A tiež bez dymu, hluku, prehrievania a s oveľa vyššou účinnosťou. To je vysvetlené skutočnosťou, že po prvé neexistujú žiadne prechodné mechanické zariadenia a za druhé, palivový článok nie je tepelným motorom, a preto nedodržiava Carnotov zákon (to znamená, že jeho účinnosť nie je určená teplotný rozdiel).

Kyslík sa používa ako oxidačné činidlo v palivových článkoch. Navyše, keďže je vo vzduchu dostatok kyslíka, nie je potrebné sa starať o dodávku oxidačného činidla. Palivo je vodík. V palivovom článku teda prebieha reakcia:

2H2 + O2 → 2H2O + elektrina + teplo.

Výsledkom je užitočná energia a vodná para. Najjednoduchšia vo svojej štruktúre je palivový článok s membránou na výmenu protónov(pozri obrázok 1). Funguje to nasledovne: vodík vstupujúci do prvku sa pôsobením katalyzátora rozkladá na elektróny a kladne nabité vodíkové ióny H +. Potom príde na rad špeciálna membrána, ktorá v bežnej batérii plní úlohu elektrolytu. Na základe jeho chemické zloženie umožňuje protónom prejsť cez seba, ale zachováva elektróny. Elektróny nahromadené na anóde teda vytvárajú nadbytočný negatívny náboj a vodíkové ióny vytvárajú na katóde kladný náboj (napätie v článku je asi 1 V).

Na dosiahnutie vysokého výkonu je palivový článok zostavený z viacerých článkov. Ak je prvok zahrnutý v záťaži, elektróny ním budú prúdiť na katódu, čím sa vytvorí prúd a dokončí sa proces oxidácie vodíka kyslíkom. Ako katalyzátor v takýchto palivových článkoch sa spravidla používajú platinové mikročastice nanesené na uhlíkových vláknach. Vďaka svojej štruktúre je taký katalyzátor vysoko priepustný pre plyn a elektrinu. Membrána je obvykle vyrobená z polyméru obsahujúceho síru, Nafion. Hrúbka membrány sa rovná desatinám milimetra. Pri reakcii sa samozrejme uvoľňuje aj teplo, ale nie je ho tak veľa, takže prevádzková teplota sa udržiava v rozmedzí 40-80 ° C.

Obr. Ako funguje palivový článok

Existujú aj iné typy palivových článkov, ktoré sa líšia hlavne typom použitého elektrolytu. Takmer všetky z nich vyžadujú ako palivo vodík, a preto vyvstáva logická otázka: kde ho vziať. Samozrejme by bolo možné použiť stlačený vodík z valcov, ale potom okamžite nastanú problémy súvisiace s prepravou a skladovaním tohto vysoko horľavého plynu pod vysokým tlakom. Vodík je samozrejme možné použiť vo viazanej forme ako v kovových hydridových batériách. Problém jeho výroby a prepravy však stále zostáva, pretože infraštruktúra vodíkového tankovania neexistuje.

Existuje však aj riešenie - ako zdroj vodíka je možné použiť kvapalné uhľovodíkové palivo. Napríklad etylalkohol alebo metylalkohol. Je pravda, že tu je už potrebné špeciálne prídavné zariadenie - konvertor paliva, ktorý pri vysokej teplote premieňa alkoholy na zmes plynných H2 a CO2 (pre metanol to bude niekde okolo 240 ° C). Ale v tomto prípade je už ťažšie premýšľať o prenosnosti - také zariadenia je dobré používať ako stacionárne alebo, ale pre kompaktné mobilné zariadenia potrebujete niečo menej ťažkopádne.

A tu sa dostávame presne k zariadeniu, ktorého vývoj vykonávajú takmer všetci najväčší výrobcovia elektroniky strašnou silou - metanolový palivový článok(Obrázok 2).

Obr. Ako funguje metanolový palivový článok

Zásadný rozdiel medzi vodíkovými a metanolovými palivovými článkami spočíva v použitom katalyzátore. Katalyzátor v metanolovom palivovom článku umožňuje odstránenie protónov priamo z molekuly alkoholu. Problém paliva je teda vyriešený - metylalkohol sa masívne vyrába pre chemický priemysel, ľahko sa skladuje a prepravuje a na nabitie metanolového palivového článku stačí jednoducho vymeniť palivovú kazetu. Existuje však jedna významná nevýhoda - metanol je toxický. Účinnosť metanolového palivového článku je navyše výrazne nižšia ako účinnosť vodíkového palivového článku.

Ryža. 3. Metanolový palivový článok

Najlákavejšou možnosťou je použiť ako palivo etylalkohol, pretože výroba a distribúcia alkoholických nápojov akéhokoľvek zloženia a sily je na celom svete dobre zavedená. Účinnosť etanolových palivových článkov je však, bohužiaľ, ešte nižšia ako metanolu.

Ako je uvedené v dlhoročnom vývoji v oblasti palivových článkov, boli postavené rôzne druhy palivových článkov. Palivové články sú klasifikované podľa elektrolytu a typu paliva.

1. Pevný polymérny vodíkovo-kyslíkový elektrolyt.

2. Palivové články z tuhého polyméru a metanolu.

3. Bunky na alkalickom elektrolyte.

4. Palivové články kyseliny fosforečnej.

5. Palivové články na báze roztavených uhličitanov.

6. Palivové články z tuhého oxidu.

V ideálnom prípade je účinnosť palivových článkov veľmi vysoká, ale v reálnych podmienkach existujú straty spojené s nerovnovážnymi procesmi, ako napríklad: ohmické straty v dôsledku špecifickej vodivosti elektrolytu a elektród, polarizácia aktivácie a koncentrácie, difúzne straty. Výsledkom je, že časť energie generovanej v palivových článkoch sa premieňa na teplo. Snahy špecialistov sú zamerané na zníženie týchto strát.

Hlavným zdrojom ohmických strát, ako aj dôvodom vysokých nákladov na palivové články, sú perfluorované sulfónové katiónové výmenné membrány. Teraz prebieha hľadanie alternatívnych, lacnejších protónových polymérov. Pretože vodivosť týchto membrán (pevných elektrolytov) dosahuje prijateľnú hodnotu (10 Ohm / cm) iba za prítomnosti vody, plyny dodávané do palivového článku musia byť dodatočne zvlhčené v špeciálnom zariadení, čo tiež zvyšuje náklady na systému. V katalytických plynných difúznych elektródach sa používa hlavne platina a niektoré ďalšie vzácne kovy, zatiaľ sa za ne nenašla žiadna náhrada. Aj keď je obsah platiny v palivových článkoch niekoľko mg / cm2, pri veľkých batériách jeho množstvo dosahuje desiatky gramov.

Pri návrhu palivových článkov sa venuje veľká pozornosť systému odstraňovania tepla, pretože pri vysokých prúdových hustotách (až 1 A / cm2) dochádza k samovoľnému zahrievaniu systému. Na chladenie sa používa voda cirkulujúca v palivovom článku špeciálnymi kanálmi a pri nízkom výkone je vháňaný vzduch.

Moderný systém elektrochemického generátora je okrem samotného palivového článku „zarastený“ mnohými pomocnými zariadeniami, ako sú: čerpadlá, kompresor na prívod vzduchu, prívod vodíka, plynový zvlhčovač, chladiaca jednotka, a. systém riadenia úniku plynu, prevodník DC-AC, riadiaci procesor a ďalšie. To všetko vedie k tomu, že náklady na systém palivových článkov v rokoch 2004-2005 boli 2-3 000 USD / kW. Podľa odborníkov budú palivové články k dispozícii na použitie v dopravných a stacionárnych elektrárňach za cenu 50-100 dolárov / kW.

Na zavedenie palivových článkov do každodenného života spolu so znížením nákladov na komponenty je potrebné očakávať nové originálne nápady a prístupy. Veľké nádeje sa vkladajú najmä do používania nanomateriálov a nanotechnológií. Niekoľko spoločností napríklad nedávno oznámilo vytvorenie ultraúčinných katalyzátorov, najmä pre kyslíkovú elektródu založenú na zhlukoch nanočastíc rôznych kovov. Okrem toho boli hlásené konštrukcie bez membránových palivových článkov, v ktorých je kvapalné palivo (napríklad metanol) privádzané do palivového článku spolu s oxidačným činidlom. Zaujímavý je tiež rozvinutý koncept biopalivových článkov pracujúcich v znečistených vodách a spotrebúvajúcich rozpustený atmosférický kyslík ako okysličovadlo a organické nečistoty ako palivo.

Podľa odborníkov vstúpia palivové články na masový trh v najbližších rokoch. Vývojári skutočne jeden po druhom prekonávajú technické problémy, hlásia úspechy a predstavujú prototypy palivových článkov. Spoločnosť Toshiba napríklad predviedla hotový prototyp metanolového palivového článku. Má veľkosť 22 x 56 x 4,5 mm a dáva výkon asi 100 mW. Jedna náplň do 2 kociek koncentrovaného (99,5%) metanolu vystačí na 20 hodín prevádzky MP3 prehrávača. Spoločnosť Toshiba uviedla na trh komerčný palivový článok na napájanie mobilných telefónov. Tá istá Toshiba opäť predviedla batériu pre notebooky s rozmermi 275 x 75 x 40 mm, ktorá umožňuje počítaču pracovať 5 hodín od jedného tankovania.

Za Toshibou nezaostáva ani ďalšia japonská spoločnosť Fujitsu. V roku 2004 predstavila aj prvok, ktorý pôsobí na 30% vodný roztok metanolu. Tento palivový článok bežal na jednu 300 ml náplň 10 hodín a súčasne dodával 15 wattov energie.

Spoločnosť Casio vyvíja palivový článok, v ktorom sa metanol v miniatúrnom konvertore paliva najskôr premení na zmes plynov H2 a CO2 a potom sa zavedie do palivového článku. Počas ukážky prototyp Casio napájal notebook 20 hodín.

Samsung sa preslávil aj v oblasti palivových článkov - v roku 2004 predviedol svoj 12W prototyp určený na napájanie prenosného počítača. Samsung má vo všeobecnosti v úmysle použiť palivové články predovšetkým v smartfónoch štvrtej generácie.

Musím povedať, že japonské spoločnosti vo všeobecnosti veľmi dôkladne pristúpili k vývoju palivových článkov. V roku 2003 spojili spoločnosti ako Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony a Toshiba svoje sily a vyvinuli jednotný štandard palivových článkov pre prenosné počítače, mobilné telefóny, PDA a ďalšie elektronické zariadenia. Americké spoločnosti, ktorých je na tomto trhu tiež veľa, väčšinou pracujú na základe zmlúv s armádou a vyvíjajú palivové články na elektrifikáciu amerických vojakov.

Nemci nie sú pozadu - Smart Fuel Cell predáva palivové články na pohon mobilnej kancelárie. Zariadenie sa nazýva Smart Fuel Cell C25, má rozmery 150x112x65mm a na jedno doplnenie paliva dokáže dodať až 140 watthodín. To stačí na napájanie prenosného počítača približne 7 hodín. Potom je možné kazetu vymeniť a môžete pokračovať v práci. Rozmery metanolovej kazety sú 99 x 63 x 27 mm a hmotnosť 150 g. Samotný systém váži 1,1 kg, takže ho nemôžete nazvať úplne prenosným, ale napriek tomu je to úplne hotové a pohodlné zariadenie. Spoločnosť tiež vyvíja palivový modul na napájanie profesionálnych videokamier.

Vo všeobecnosti palivové články už vstúpili na trh mobilnej elektroniky. Zostáva na výrobcoch, aby vyriešili posledné technické problémy pred spustením sériovej výroby.

Najprv je potrebné vyriešiť problém miniaturizácie palivových článkov. Koniec koncov, čím menší je palivový článok, tým menší výkon bude schopný dodať - preto sa neustále vyvíjajú nové katalyzátory a elektródy, aby sa maximalizoval pracovný povrch s malými rozmermi. Tu nám príde veľmi vhod najnovší vývoj v oblasti nanotechnológií a nanomateriálov (napríklad nanorúrok). Úspechy mikroelektromechaniky sa stále viac využívajú na miniaturizáciu potrubia prvkov (palivové a vodné čerpadlá, chladiace systémy a premena paliva).

Druhým hlavným problémom, ktorý treba riešiť, sú náklady. Skutočne veľmi drahá platina sa používa ako katalyzátor vo väčšine palivových článkov. Niektorí výrobcovia sa opäť snažia čo najlepšie využiť už zabehnuté kremíkové technológie.

Pokiaľ ide o ostatné oblasti použitia palivových článkov, palivové články sa tam už pevne etablovali, aj keď sa ešte nestali hlavným prúdom ani v energetickom sektore, ani v doprave. Mnoho automobilových výrobcov už predstavilo svoje koncepčné autá poháňané palivovými článkami. Autobusy na palivové články existujú vo viacerých mestách po celom svete. Kanadská spoločnosť Ballard Power Systems vyrába sériu stacionárnych generátorov od 1 do 250 kW. Generátory kilowattu sú zároveň navrhnuté tak, aby okamžite zásobovali jeden byt elektrickou energiou, teplom a teplou vodou.

USA prijali niekoľko iniciatív na vývoj vodíkových palivových článkov, infraštruktúry a technológií, aby boli vozidlá s palivovými článkami do roku 2020 praktické a ekonomické. Na tieto účely bola vyčlenená viac ako jedna miliarda dolárov.

Palivové články vyrábajú elektrickú energiu ticho a efektívne bez toho, aby znečisťovali životné prostredie. Na rozdiel od zdrojov energie, ktoré používajú fosílne palivá, sú vedľajšími produktmi palivových článkov teplo a voda. Ako to funguje?

V tomto článku sa v krátkosti pozrieme na všetky existujúce technológie palív dnes, povieme si o návrhu a prevádzke palivových článkov a porovnáme ich s inými formami výroby energie. Budeme tiež diskutovať o niektorých prekážkach, s ktorými sa výskumníci stretávajú, aby boli palivové články praktické a cenovo dostupné pre spotrebiteľov.

Palivové články sú elektrochemické zariadenia na premenu energie... Palivový článok v procese výroby elektrickej energie premieňa chemikálie, vodík a kyslík na vodu.

Ďalším elektrochemickým zariadením, ktoré všetci poznáme, je batéria. Batéria obsahuje všetky potrebné chemické prvky a tieto látky prevádza na elektrickú energiu. To znamená, že batéria nakoniec „vybije“ a vy ju buď vyhodíte, alebo nabijete.

V palivovom článku do neho neustále prúdia chemikálie, aby nikdy „nezomrel“. Elektrická energia sa bude vyrábať tak dlho, kým do prvku prúdi chemikálie. Väčšina dnes používaných palivových článkov používa vodík a kyslík.

Vodík je najrozšírenejším prvkom v našej galaxii. Vodík však na Zemi vo svojej elementárnej forme prakticky neexistuje. Inžinieri a vedci musia extrahovať čistý vodík zo zlúčenín vodíka vrátane fosílnych palív alebo vody. Na získavanie vodíka z týchto zlúčenín musíte minúť energiu vo forme tepla alebo elektriny.

Vynález palivových článkov

Sir William Grove vynašiel prvý palivový článok v roku 1839. Grove vedel, že vodu je možné rozdeliť na vodík a kyslík prechodom elektrického prúdu (proces nazývaný elektrolýza). Navrhol, aby v obrátené poradie dalo sa získať elektrina a voda. Vytvoril primitívny palivový článok a pomenoval ho plynová galvanická batéria... Experimentovaním s jeho novým vynálezom Grove dokázal svoju hypotézu. O päťdesiat rokov neskôr tento termín vytvorili vedci Ludwig Mond a Charles Langer palivové články pri pokuse vybudovať praktický model na výrobu elektriny.

Palivový článok bude konkurovať mnohým ďalším zariadeniam na premenu energie, vrátane plynových turbín v mestských elektrárňach, spaľovacích motorov v automobiloch a všetkých druhov batérií. Spaľovacie motory, podobne ako plynové turbíny, spaľujú rôzne palivá a na mechanickú prácu používajú tlak vytvorený expanziou plynov. Batérie v prípade potreby premieňajú chemickú energiu na elektrickú. Palivové články musia tieto úlohy vykonávať efektívnejšie.

Palivový článok poskytuje napätie DC (jednosmerný prúd), ktoré je možné použiť na napájanie elektromotorov, osvetlenia a iných elektrických spotrebičov.

Existuje niekoľko rôznych typov palivových článkov, z ktorých každý používa iný chemický proces. Palivové články sú spravidla klasifikované podľa svojich Prevádzková teplota a typelektrolyt, ktoré používajú. Niektoré typy palivových článkov sú vhodné na použitie v stacionárnych elektrárňach. Ostatné môžu byť užitočné pre malé vreckové zariadenia alebo pre napájanie automobilov. Medzi hlavné typy palivových článkov patria:

Polymérny výmenný membránový palivový článok (PEMFC)

PEMFC je považovaný za najpravdepodobnejšieho kandidáta na dopravné aplikácie. PEMFC má vysoký výkon aj relatívne nízku prevádzkovú teplotu (v rozmedzí od 60 do 80 stupňov Celzia). Nízka prevádzková teplota znamená, že palivové články sa môžu rýchlo zahriať a začať vyrábať elektrickú energiu.

Palivový článok na tuhé oxidy (SOFC)

Tieto palivové články sú najvhodnejšie pre veľké stacionárne generátory energie, ktoré by mohli poháňať továreň alebo mesto. Tento typ palivového článku funguje veľmi dobre vysoké teploty(od 700 do 1 000 stupňov Celzia). Vysoká teplota je problémom spoľahlivosti, pretože niektoré palivové články môžu zlyhať po niekoľkých cykloch zapínania a vypínania. Palivové články z tuhého oxidu sú však v stabilnej prevádzke veľmi stabilné. SOFC skutočne za určitých podmienok preukázali najdlhšiu životnosť akéhokoľvek palivového článku. Vysoká teplota má tiež výhodu: para generovaná palivovými článkami môže byť nasmerovaná do turbín a vytvárať viac elektrickej energie. Tento proces sa nazýva kogenerácia tepla a elektriny a zlepšuje celkovú účinnosť systému.

Alkalický palivový článok (AFC)

Je to jeden z najstarších návrhov palivových článkov, ktorý sa používa od 60. rokov minulého storočia. AFC sú veľmi náchylné na kontamináciu, pretože vyžadujú čistý vodík a kyslík. Navyše sú veľmi drahé, takže je nepravdepodobné, že by sa tento typ palivových článkov dostal do sériovej výroby.

Palivový článok z roztaveného uhličitanu (MCFC)

Rovnako ako SOFC sú tieto palivové články najvhodnejšie aj pre veľké stacionárne elektrárne a generátory. Pracujú pri 600 stupňoch Celzia, takže môžu vytvárať paru, ktorá sa dá zase použiť na výrobu ešte väčšieho výkonu. Majú nižšiu prevádzkovú teplotu ako palivové články z tuhého oxidu, čo znamená, že nepotrebujú také tepelne odolné materiály. Vďaka tomu sú o niečo lacnejšie.

Palivový článok s kyselinou fosforečnou (PAFC)

Palivový článok s kyselinou fosforečnou má potenciál byť použitý v malých stacionárnych energetických systémoch. Pracuje pri vyššej teplote ako membránový palivový článok s polymérovou výmenou, takže zahriatie trvá dlhšie, takže nie je vhodný na použitie v automobiloch.

Priamy metanolový palivový článok (DMFC)

Metanolové palivové články sú z hľadiska prevádzkovej teploty porovnateľné s PEMFC, ale nie sú také účinné. Okrem toho DMFC vyžadujú pomerne veľa platiny, aby pôsobili ako katalyzátor, čo spôsobuje, že tieto palivové články sú drahé.

Palivový článok s membránou na výmenu polyméru

Polymérny membránový výmenný palivový článok (PEMFC) je jednou z najsľubnejších technológií palivových článkov. PEMFC používa jednu z najjednoduchších reakcií zo všetkých palivových článkov. Zvážte, z čoho pozostáva.

1. A uzol - záporný pól palivového článku. Vedie elektróny, ktoré sa uvoľňujú z molekúl vodíka, a potom ich možno použiť vo vonkajšom obvode. Má vyryté kanály, ktorými je plynný vodík rovnomerne distribuovaný po povrchu katalyzátora.

2.TO atóda - kladný pól palivového článku má tiež kanály na distribúciu kyslíka po povrchu katalyzátora. Tiež vedie elektróny späť z vonkajšieho reťazca katalyzátora, kde sa môžu kombinovať s iónmi vodíka a kyslíka za vzniku vody.

3.Výmenná membrána elektrolyt-protón... Je to špeciálne spracovaný materiál, ktorý iba vedie kladne nabité ióny a blokuje elektróny. V PEMFC musí byť membrána vlhká, aby správne fungovala a zostala stabilná.

4. Katalyzátor je špeciálny materiál, ktorý podporuje reakciu kyslíka a vodíka. Obvykle je vyrobený z platinových nanočastíc nanesených veľmi tenko na uhlíkový papier alebo tkaninu. Katalyzátor má takú povrchovú štruktúru, že maximálna povrchová plocha platiny môže byť vystavená vodíku alebo kyslíku.

Obrázok ukazuje plynný vodík (H2) natlakovaný do palivového článku zo strany anódy. Keď sa molekula H2 dostane do kontaktu s platinou na katalyzátore, rozdelí sa na dva ióny H + a dva elektróny. Elektróny prechádzajú anódou, kde sa používajú vo vonkajšom obvode (vykonávajú užitočné činnosti, ako napríklad otáčanie motora) a späť na katódovú stranu palivového článku.

Medzitým na katódovej strane palivového článku kyslík (O2) zo vzduchu prechádza katalyzátorom, kde vytvára dva atómy kyslíka. Každý z týchto atómov má silný negatívny náboj. Tento negatívny náboj priťahuje dva ióny H + cez membránu, kde sa spoja s atómom kyslíka a dvoma elektrónmi z vonkajšieho obvodu za vzniku molekuly vody (H2O).

Táto reakcia v jednom palivovom článku produkuje iba asi 0,7 voltu. Aby sa napätie zvýšilo na rozumnú úroveň, je potrebné skombinovať mnoho jednotlivých palivových článkov a vytvoriť tak zväzok palivových článkov. Bipolárne platne sa používajú na pripojenie jedného palivového článku k druhému a podliehajú de-potenciálnej oxidácii. Veľkým problémom bipolárnych dosiek je ich stabilita. Kovové bipolárne platne je možné korodovať a vedľajšie produkty (ióny železa a chrómu) znižujú účinnosť membrán a elektród palivových článkov. Preto nízkoteplotné palivové články používajú ľahké kovy, grafit a kompozitné zlúčeniny uhlíka a teplom tvrditeľného materiálu (termosetový materiál je druh plastu, ktorý zostáva pevný aj pri vystavení vysokým teplotám) vo forme bipolárneho listového materiálu.

Účinnosť palivových článkov

Zníženie znečistenia je jedným z primárnych cieľov palivového článku. Ak porovnáte auto poháňané palivovým článkom s automobilom poháňaným benzínovým motorom a automobilom poháňaným batériou, uvidíte, ako by palivové články mohli zvýšiť účinnosť automobilov.

Pretože všetky tri typy automobilov majú mnoho rovnakých komponentov, budeme túto časť auta ignorovať a porovnávať účinnosti až do bodu, kedy sa bude vyrábať mechanická energia. Začnime vozidlom s palivovými článkami.

Ak je palivový článok poháňaný čistým vodíkom, jeho účinnosť môže byť až 80 percent. Tak premieňa 80 percent energetického obsahu vodíka na elektrickú energiu. Stále však musíme premeniť elektrickú energiu na mechanickú prácu. To sa dosahuje elektromotorom a meničom. Účinnosť motora + meniča je tiež približne 80 percent. To dáva celkovú účinnosť približne 80 * 80/100 = 64 percent. Koncepčné vozidlo Honda FCX má údajne 60 percent energetickej účinnosti.

Ak nie je zdrojom paliva čistý vodík, bude vozidlo potrebovať aj reformátor. Reformátori premieňajú uhľovodíkové alebo alkoholové palivá na vodík. Generujú teplo a okrem vodíka produkujú CO a CO2. Na čistenie vyrobeného vodíka používajú rôzne zariadenia, ale toto čistenie je nedostatočné a znižuje účinnosť palivového článku. Vedci sa preto napriek problémom spojených s výrobou a skladovaním vodíka rozhodli zamerať na palivové články pre vozidlá poháňané čistým vodíkom.

Účinnosť benzínového motora a automobilu na elektrické batérie

Účinnosť auta na benzínový pohon je prekvapivo nízka. Všetko teplo, ktoré vychádza do výfuku alebo je absorbované chladičom, je zbytočná energia. Motor tiež používa veľa energie na otáčanie rôznych čerpadiel, ventilátorov a generátorov, ktoré ho nechávajú bežať. Celková účinnosť automobilového benzínového motora je teda približne 20 percent. Na mechanickú prácu sa teda premení len asi 20 percent obsahu tepelnej energie v benzíne.

Elektrické vozidlo poháňané batériami má pomerne vysokú účinnosť. Batéria má účinnosť asi 90 percent (väčšina batérií vytvára určité teplo alebo sa musí zahriať) a elektrický motor + menič s účinnosťou asi 80 percent. To dáva celkovú účinnosť približne 72 percent.

Ale to nie je všetko. Aby sa elektromobil hýbal, musí sa najskôr niekde vyrábať elektrina. Ak išlo o elektráreň, ktorá využívala spaľovanie fosílnych palív (a nie jadrovú, vodnú, slnečnú alebo veternú), potom bolo len asi 40 percent paliva elektrárne premenených na elektrickú energiu. Nabíjanie auta navyše vyžaduje premenu striedavého prúdu na jednosmerný prúd. Tento proces má účinnosť približne 90 percent.

Keď sa teraz pozrieme na celý cyklus, účinnosť elektrického vozidla je 72 percent pre samotné auto, 40 percent pre elektráreň a 90 percent pre nabíjanie auta. To dáva celkovú účinnosť 26 percent. Celková účinnosť sa výrazne líši v závislosti od toho, ktorá elektráreň sa používa na nabíjanie batérie. Ak elektrickú energiu pre auto vyrába napríklad vodná elektráreň, potom bude účinnosť elektromobilu približne 65 percent.

Vedci skúmajú a zlepšujú návrhy, aby naďalej zvyšovali účinnosť palivových článkov. Jeden nový prístup je integrovať vozidlá s palivovými článkami a batériami. Vyvíja sa koncepčné vozidlo poháňané hybridným hnacím ústrojenstvom poháňaným palivovými článkami. Na napájanie vozidla používa lítiovú batériu, pričom palivový článok batériu dobíja.

Vozidlá s palivovými článkami sú potenciálne rovnako účinné ako auto na batérie, ktoré sa nabíja z elektrárne, ktorá nepoužíva fosílne palivá. Dosiahnutie tohto potenciálu praktickým a cenovo dostupným spôsobom však môže byť náročné.

Prečo používať palivové články?

Hlavným dôvodom je všetko, čo súvisí s ropou. Amerika musí dovážať takmer 60 percent svojej ropy. Do roku 2025 sa očakáva nárast dovozu na 68%. Američania na prepravu používajú dve tretiny ropy každý deň. Aj keby každé auto na ulici bolo hybridným automobilom, do roku 2025 by USA museli stále používať rovnaké množstvo ropy, aké spotrebovali Američania v roku 2000. Amerika skutočne spotrebuje štvrtinu svetovej ropy, aj keď tu žije iba 4,6% svetovej populácie.

Odborníci očakávajú, že ceny ropy budú v nasledujúcich niekoľkých desaťročiach naďalej rásť, pretože sa vyčerpávajú lacnejšie zdroje. Ropné spoločnosti musia v čoraz ťažších podmienkach rozvíjať ropné polia, čo zvýši ceny ropy.

Obavy siahajú ďaleko za ekonomické zabezpečenie. Veľa finančných prostriedkov získaných z predaja ropy sa vynakladá na udržanie medzinárodného terorizmu, radikálnych politických strán a nestabilnú situáciu v regiónoch produkujúcich ropu.

Využívanie ropy a iných fosílnych palív na výrobu energie spôsobuje znečistenie. Pre každého je najvhodnejšie nájsť alternatívu - spaľovanie fosílnych palív na výrobu energie.

Palivové články sú atraktívnou alternatívou k závislosti od ropy. Namiesto znečistenia produkujú palivové články ako vedľajší produkt čistú vodu. Zatiaľ čo sa inžinieri dočasne zamerali na výrobu vodíka z rôznych fosílnych zdrojov, ako je benzín alebo zemný plyn, v budúcnosti sa skúmajú obnoviteľné a ekologické spôsoby výroby vodíka. Najsľubnejší, prirodzene, bude proces výroby vodíka z vody.

Závislosť od ropy a globálne otepľovanie sú medzinárodným problémom. Niekoľko krajín sa spoločne podieľa na vývoji výskumu a vývoja technológie palivových článkov.

Vedci a výrobcovia musia samozrejme tvrdo pracovať, kým sa palivové články stanú alternatívou k moderným metódam výroby energie. Napriek tomu s celosvetovou podporou a globálnou spoluprácou by sa životaschopný energetický systém palivových článkov mohol stať realitou už za niekoľko desaťročí.

Palivový článok je zariadenie na premenu elektrochemickej energie, ktoré v dôsledku chemická reakcia premieňa vodík a kyslík na elektrickú energiu. V dôsledku tohto procesu vzniká voda a vzniká veľké množstvo tepla. Palivový článok je veľmi podobný batérii, ktorú je možné nabiť a potom spotrebovať uloženou elektrickou energiou.
Za vynálezcu palivového článku sa považuje William R. Grove, ktorý ho vynašiel už v roku 1839. V tomto palivovom článku bol ako elektrolyt použitý roztok kyseliny sírovej a ako palivo bol použitý vodík, ktorý sa kombinoval s kyslíkom. v oxidačnom médiu. Treba poznamenať, že donedávna sa palivové články používali iba v laboratóriách a na kozmických lodiach.
V budúcnosti budú palivové články schopné konkurovať mnohým ďalším systémom na premenu energie (vrátane plynovej turbíny v elektrárňach) spaľovacích motorov v automobile a elektrických batérií v prenosných zariadeniach. Spaľovacie motory spaľujú palivo a na mechanickú prácu používajú tlak vytvorený expanziou spalín. Batérie uchovávajú elektrickú energiu a premieňajú ju na chemickú energiu, ktorú je možné v prípade potreby premeniť späť na elektrickú energiu. Palivové články sú potenciálne veľmi účinné. V roku 1824 francúzsky vedec Carnot dokázal, že kompresne-expanzné cykly spaľovacieho motora nedokážu poskytnúť účinnosť premeny tepelnej energie (ktorá je chemickou energiou spaľujúceho paliva) na mechanickú energiu nad 50%. Palivový článok nemá žiadne pohyblivé časti (aspoň v samotnom článku), a preto sa neriadi Carnotovým zákonom. Prirodzene, budú mať viac ako 50% účinnosť a sú obzvlášť účinné pri nízkom zaťažení. Vozidlá s palivovými článkami sú teda pripravené (a už sa ukázalo, že sú) aj palivovo účinnejšie než konvenčné vozidlá v skutočných jazdných podmienkach.
Palivový článok generuje elektrický prúd s konštantným napätím, ktorý je možné použiť na pohon elektromotora, osvetľovacích zariadení a ďalších elektrických systémov vo vozidle. Existuje niekoľko typov palivových článkov, ktoré sa líšia použitými chemickými procesmi. Palivové články sú zvyčajne klasifikované podľa typu použitého elektrolytu. Niektoré typy palivových článkov sú sľubné na použitie ako elektrárne pre elektrárne, zatiaľ čo iné môžu byť užitočné pre malé prenosné zariadenia alebo pre riadenie automobilov.
Alkalický palivový článok je jedným z najskôr vyvinutých článkov. V americkom vesmírnom programe sa používajú od 60. rokov minulého storočia. Také palivové články sú veľmi náchylné na kontamináciu, a preto vyžadujú veľmi čistý vodík a kyslík. Okrem toho sú veľmi drahé, a preto je nepravdepodobné, že by tento typ palivových článkov našiel široké využitie v automobiloch.
Palivové články na báze kyseliny fosforečnej je možné použiť v stacionárnych inštaláciách s nízkym výkonom. Pracujú pri pomerne vysokej teplote, a preto sa dlho zohrievajú, čo ich tiež robí neúčinnými pre použitie v automobiloch.
Palivové články na tuhé oxidy sú vhodnejšie pre veľké stacionárne generátory energie, ktoré by mohli poháňať továrne alebo osady... Tento typ palivového článku pracuje pri veľmi vysokých teplotách (okolo 1 000 ° C). Vysoká prevádzková teplota spôsobuje určité problémy, ale na druhej strane je tu výhoda - paru produkovanú palivovým článkom je možné posielať do turbín na výrobu väčšieho množstva elektrickej energie. Vo všeobecnosti to zlepšuje celkovú účinnosť systému.
Jedným z najsľubnejších systémov je membránový palivový článok Protone Exchange (PEMFC). V súčasnosti je tento typ palivových článkov najsľubnejší, pretože dokáže poháňať autá, autobusy a iné vozidlá.

Chemické procesy v palivovom článku

Palivové články používajú elektrochemický proces na kombináciu vodíka s kyslíkom zo vzduchu. Rovnako ako batérie, palivové články používajú elektródy (pevné elektrické vodiče) v elektrolyte (elektricky vodivé médium). Keď sa molekuly vodíka dostanú do kontaktu s negatívnou elektródou (anódou), rozdelia sa na protóny a elektróny. Protóny prechádzajú cez protónovú výmennú membránu (PEM) na kladnú elektródu (katódu) palivového článku a vyrábajú elektrickú energiu. Ako vedľajší produkt tejto reakcie existuje chemická kombinácia molekúl vodíka a kyslíka s tvorbou vody. Jedinou emisiou z palivového článku sú vodné pary.
Elektrická energia vyrobená palivovými článkami môže byť použitá v elektrickom prevode vozidla (pozostávajúcom z elektrického meniča a indukčného motora na striedavý prúd) na výrobu mechanickej energie na pohon vozidla. Úlohou meniča energie je premena jednosmerného elektrického prúdu produkovaného palivovými článkami na striedavý prúd, na ktorom funguje trakčný motor vozidla.

Schéma palivového článku s membránou na výmenu protónov:
1 - anóda;
2 - membrána na výmenu protónov (PEM);
3 - katalyzátor (červený);
4 - katóda

Membránový palivový článok s protónovou výmenou (PEMFC) používa jednu z najjednoduchších reakcií zo všetkých palivových článkov.

Samostatný palivový článok

Zoberme si, ako funguje palivový článok. Anóda, negatívny pól palivového článku, vedie elektróny, ktoré sú zbavené molekúl vodíka, aby ich bolo možné použiť vo vonkajšom elektrickom obvode (obvode). Za týmto účelom sú do neho vyryté kanály, ktoré distribuujú vodík rovnomerne po celom povrchu katalyzátora. Katóda (kladný pól palivového článku) má vyryté kanály, ktoré distribuujú kyslík po povrchu katalyzátora. Tiež vedie elektróny späť z vonkajšej slučky (obvodu) do katalyzátora, kde sa môžu kombinovať s vodíkovými iónmi a kyslíkom za vzniku vody. Elektrolyt je membrána na výmenu protónov. Je to špeciálny materiál, podobný bežnému plastu, ale so schopnosťou prechádzať kladne nabitými iónmi a blokovať prechod elektrónov.
Katalyzátor je špeciálny materiál, ktorý uľahčuje reakciu medzi kyslíkom a vodíkom. Katalyzátor je zvyčajne vyrobený z platinového prášku potiahnutého veľmi tenkou vrstvou na uhlíkový papier alebo tkaninu. Katalyzátor musí byť drsný a porézny, aby bol jeho povrch v maximálnom kontakte s vodíkom a kyslíkom. Strana katalyzátora potiahnutá platinou je pred membránou protónovej výmeny (PEM).
Plynný vodík (H 2) je do palivového článku dodávaný pod tlakom zo strany anódy. Keď sa molekula H2 dostane do kontaktu s platinou na katalyzátore, rozdelí sa na dve časti, dva ióny (H +) a dva elektróny (e–). Elektróny sú vedené anódou, kde prechádzajú vonkajšou slučkou (obvodom), aby vykonali užitočnú prácu (napríklad riadenie elektrického motora) a vrátili sa z katódovej strany palivového článku.
Medzitým je na katódovej strane palivového článku plynný kyslík (O 2) pretlačený cez katalyzátor, kde vytvára dva atómy kyslíka. Každý z týchto atómov má silný negatívny náboj, ktorý priťahuje dva ióny H + cez membránu, kde sa spoja s atómom kyslíka a dvoma elektrónmi z vonkajšieho obvodu (reťazca) za vzniku molekuly vody (H 2 O).
Táto reakcia v jednom palivovom článku produkuje približne 0,7 wattu energie. Na zvýšenie výkonu na požadovanú úroveň je potrebné skombinovať mnoho samostatných palivových článkov a vytvoriť tak zväzok palivových článkov.
Palivové články POM pracujú pri relatívne nízkej teplote (okolo 80 ° C), čo znamená, že sa dajú rýchlo zahriať na prevádzkovú teplotu a nevyžadujú drahé chladiace systémy. Neustále zlepšovanie technológií a materiálov použitých v týchto článkoch priblížilo ich výkon na úroveň, keď batéria takýchto palivových článkov, ktorá zaberá malú časť kufra automobilu, môže poskytnúť energiu potrebnú na riadenie auta.
V posledných rokoch väčšina popredných svetových výrobcov automobilov výrazne investovala do dizajnu vozidiel s palivovými článkami. Mnohí už predviedli vozidlá s palivovými článkami s uspokojivým výkonom a dynamickým výkonom, aj keď boli dosť drahé.
Vylepšovanie dizajnu takýchto vozidiel prebieha veľmi intenzívne.

Vozidlo s palivovými článkami používa elektráreň umiestnenú pod podlahou vozidla

Automobil NECAR V je vyrobený na základe automobilu triedy Mercedes-Benz A a celá elektráreň spolu s palivovými článkami je umiestnená pod podlahou automobilu. Taký konštruktívne riešenie umožňuje do auta umiestniť štyroch pasažierov a batožinu. Tu sa ako palivo do auta nepoužíva vodík, ale metanol. Metanol sa na vodík premieňa reformátorom (zariadenie, ktoré premieňa metanol na vodík) na pohon palivových článkov. Použitie reformátora na palube vozidla umožňuje použiť ako palivo takmer akýkoľvek uhľovodík, čo umožňuje tankovať vozidlo s palivovými článkami pomocou existujúcej siete čerpacích staníc. Palivové články teoreticky nevyrábajú nič iné ako elektrinu a vodu. Premena paliva (benzínu alebo metanolu) na vodík, ktorý je potrebný pre palivový článok, do istej miery znižuje príťažlivosť takéhoto auta pre životné prostredie.
Spoločnosť Honda, ktorá sa palivovým článkom zaoberá od roku 1989, vyrobila v roku 2003 malú dávku Hondy FCX-V4 s membránovými palivovými článkami Ballard s protónovou výmenou. Tieto palivové články generujú 78 kW elektrického výkonu, pričom na pohon hnacích kolies slúžia trakčné motory s výkonom 60 kW a krútiacim momentom 272 Nm. Má vynikajúcu dynamiku a dodávka stlačeného vodíka umožňuje rozbehnúť do 355 km.

Automobil Honda FСX využíva na pohyb elektrickú energiu získavanú pomocou palivových článkov.
Honda FCX je prvým vozidlom s palivovými článkami na svete, ktoré získalo americkú vládnu certifikáciu. Vozidlo je certifikované ZEV - Zero Emission Vehicle. Honda sa tieto autá zatiaľ nechystá predávať, ale prenajíma zhruba 30 automobilov v kusoch. Kalifornia a Tokio, kde už existuje infraštruktúra na tankovanie vodíka.

Koncepčný automobil Hy Wire spoločnosti General Motors je vybavený pohonným ústrojenstvom s palivovými článkami

General Motors vykonáva rozsiahly výskum vývoja a výroby vozidiel s palivovými článkami.

Podvozok automobilu Hy Wire

Koncepčné auto GM Hy Wire získalo 26 patentov. Základom auta je 150 mm hrubá funkčná platforma. Vnútri platformy sú vodíkové fľaše, elektráreň s palivovými článkami a riadiace systémy vozidla využívajúce najnovšiu technológiu elektronického riadenia po drôte. Podvozok Hy Wire je tenká platforma, ktorá obklopuje všetky hlavné konštrukčné prvky vozidla: nádrže na vodík, palivové články, batérie, elektromotory a riadiace systémy. Tento prístup k návrhu umožňuje výmenu karosérií počas prevádzky. Spoločnosť testuje aj prototypy vozidiel s palivovými článkami Opel a navrhuje závod na palivové články.

Konštrukcia palivovej nádrže bezpečnej pre skvapalnený vodík:
1 - plniace zariadenie;
2 - externá nádrž;
3 - podpery;
4 - hladinový senzor;
5 - vnútorná nádrž;
6 - plniaca linka;
7 - izolácia a vákuum;
8 - ohrievač;
9 - montážna krabica

BMW venuje veľkú pozornosť problému využívania vodíka ako paliva pre automobily. Spolu s Magnou Steyerovou, známou svojou prácou o využití skvapalneného vodíka pri prieskume vesmíru, vyvinula spoločnosť BMW nádrž na skvapalnený vodík, ktorú je možné použiť v automobiloch.

Testy potvrdili bezpečnosť používania nádrže na kvapalné vodíkové palivo

Spoločnosť vykonala sériu testov bezpečnosti stavby pomocou štandardných metód a potvrdila jej spoľahlivosť.
V roku 2002 bol na autosalóne vo Frankfurte (Nemecko) predstavený Mini Cooper Hydrogen, ktorý ako palivo používa skvapalnený vodík. Palivová nádrž tohto vozidla zaberá rovnaký priestor ako bežná plynová nádrž. Vodík v tomto aute sa nepoužíva na palivové články, ale ako palivo pre spaľovací motor.

Prvé sériové vozidlo na svete s palivovým článkom namiesto batérie

V roku 2003 oznámila spoločnosť BMW výrobu prvého sériového vozidla s palivovým článkom, BMW 750 hL. Namiesto tradičnej batérie sa používa palivový článok. Toto auto má 12-valcový spaľovací motor poháňaný vodíkom a palivový článok slúži ako alternatíva k bežnej batérii, ktorá umožňuje prevádzke klimatizácie a ďalších elektrických spotrebičov, keď auto dlhší čas nepracuje.

Tankovanie vodíka vykonáva robot, vodič sa do tohto procesu nezapája

Tá istá spoločnosť BMW vyvinula aj robotické výdajné stojany na palivo, ktoré zaisťujú rýchle a bezpečné tankovanie skvapalneného vodíka do automobilov.
Veľký počet vývojov v posledných rokoch zameraných na výrobu vozidiel využívajúcich alternatívne palivá a alternatívne elektrárne naznačuje, že spaľovacie motory, ktoré v minulom storočí dominovali automobilom, nakoniec ustúpia čistším, ekologickejším a tichším prevedeniam. Ich široká distribúcia nie je v súčasnosti obmedzovaná technickými, ale skôr ekonomickými a sociálnymi problémami. Pre ich široké využitie je potrebné vytvoriť určitú infraštruktúru pre rozvoj výroby alternatívnych palív, tvorbu a distribúciu nových čerpacích staníc a prekonať množstvo psychologických bariér. Použitie vodíka ako paliva vo vozidle si bude vyžadovať vážne problémy s skladovaním, dodávkou a distribúciou.
Vodík je teoreticky k dispozícii v neobmedzenom množstve, ale jeho výroba je energeticky veľmi náročná. Okrem toho je na prenos automobilov na prácu na vodíkové palivo potrebné vykonať dve hlavné zmeny v energetickom systéme: najskôr prenos jeho prevádzky z benzínu na metanol a potom na určitý čas na vodík. Riešenie tohto problému bude nejaký čas trvať.

Palivový článok ( Palivový článok) Je zariadenie, ktoré premieňa chemickú energiu na elektrickú energiu. Je v zásade podobný konvenčnej batérii, líši sa však v tom, že jeho prevádzka vyžaduje neustály prísun látok zvonku, aby mohla pokračovať elektrochemická reakcia. Palivové články sú zásobované vodíkom a kyslíkom a výstupom je elektrina, voda a teplo. Medzi ich výhody patrí šetrnosť k životnému prostrediu, spoľahlivosť, trvanlivosť a jednoduché používanie. Na rozdiel od bežných batérií môžu elektrochemické konvertory fungovať takmer neobmedzene dlho, pokiaľ sa dodáva palivo. Pred úplným nabitím nemusia byť nabité hodiny. Samotné články môžu navyše nabíjať batériu, keď je auto zaparkované s vypnutým motorom.

Najbežnejšími vozidlami na vodíkový pohon sú palivové články s protónovou membránou (PEMFC) a palivové články s tuhým oxidom (SOFC).

Palivový článok s membránou na výmenu protónov funguje nasledovne. Medzi anódou a katódou je špeciálna membrána a katalyzátor potiahnutý platinou. Vodík sa dodáva na anódu a kyslík na katódu (napríklad zo vzduchu). Na anóde sa vodík rozkladá katalyzátorom na protóny a elektróny. Vodíkové protóny prechádzajú membránou a dopadajú na katódu, zatiaľ čo elektróny sa uvoľňujú do vonkajšieho obvodu (membrána im neumožňuje prejsť). Takto získaný potenciálny rozdiel vedie k vzniku elektrického prúdu. Na katódovej strane sú vodíkové protóny oxidované kyslíkom. Výsledkom je vznik vodnej pary, ktorá je hlavným prvkom výfukových plynov vozidla. Bunky PEM, ktoré majú vysokú účinnosť, majú jednu významnú nevýhodu - na svoju činnosť vyžadujú čistý vodík, ktorého skladovanie je dosť vážny problém.

Ak sa nájde katalyzátor, ktorý v týchto článkoch nahradí drahú platinu, okamžite sa vytvorí lacný palivový článok na výrobu elektriny, čo znamená, že svet sa zbaví závislosti od ropy.

Bunky pevného oxidu

Články tuhých oxidov SOFC sú výrazne menej náročné na čistotu paliva. Navyše, vďaka použitiu reformátora POX (čiastočná oxidácia) môžu tieto články spotrebovávať ako palivo bežný benzín. Proces premeny benzínu priamo na elektrickú energiu je nasledujúci. V špeciálnom zariadení - reformátor, pri teplote asi 800 ° C sa benzín odparuje a rozkladá sa na svoje základné prvky.

Produkuje vodík a oxid uhličitý. Ďalej, aj pod vplyvom teploty a pomocou priameho SOFC (pozostávajúceho z porézneho keramického materiálu na báze oxidu zirkoničitého) sa vodík oxiduje vo vzduchu kyslíkom. Po získaní vodíka z benzínu postup pokračuje ďalej podľa vyššie opísaného scenára, iba s jedným rozdielom: palivový článok SOFC je na rozdiel od zariadení pracujúcich na vodíku menej citlivý na nečistoty v pôvodnom palive. Kvalita benzínu by teda nemala ovplyvniť výkonnosť palivového článku.

Vysoká prevádzková teplota SOFC (650-800 stupňov) je významnou nevýhodou, zahrievací proces trvá asi 20 minút. Na druhej strane nie je prebytočné teplo problémom, pretože je úplne odstránené zostávajúcim vzduchom a výfukovými plynmi produkovanými reformátorom a samotným palivovým článkom. To umožňuje, aby bol systém SOFC integrovaný do vozidla ako samostatné zariadenie v tepelne izolovanom kryte.

Modulárna štruktúra umožňuje dosiahnuť požadované napätie reťazovým zapojením sady štandardných článkov. A čo je najdôležitejšie, z hľadiska zavedenia takýchto zariadení, SOFC nemá veľmi drahé elektródy na báze platiny. Práve vysoké náklady na tieto prvky sú jednou z prekážok vývoja a šírenia technológie PEMFC.

Druhy palivových článkov

V súčasnosti existujú tieto typy palivových článkov:

• AFC- Alkalický palivový článok (alkalický palivový článok);
• PAFC- palivový článok s kyselinou fosforečnou (palivový článok s kyselinou fosforečnou);
• PEMFC- Membránový palivový článok s protónovou výmenou
• DMFC- priamy metanolový palivový článok (palivový článok s priamym rozkladom metanolu);
• MCFC Palivový článok z roztaveného uhličitanu
• SOFC- Palivový článok na tuhý oxid (palivový článok na tuhý oxid).

Palivové články (elektrochemické generátory) predstavujú vysoko účinný, trvanlivý, spoľahlivý a ekologický spôsob výroby energie. Spočiatku sa používali iba v kozmickom priemysle, ale dnes sa elektrochemické generátory stále viac používajú v rôznych oblastiach: ide o napájacie zdroje pre mobilné telefóny a prenosné počítače, motory automobilov, autonómne napájacie zdroje pre budovy, stacionárne elektrárne. Niektoré z týchto zariadení fungujú ako laboratórne prototypy, niektoré sa používajú na demonštračné účely alebo sa podrobujú predvýrobným testom. Mnoho modelov sa však už používa v komerčných projektoch a sú sériovo vyrábané.

Zariadenie

Palivové články sú elektrochemické zariadenia schopné poskytovať vysokú mieru premeny existujúcej chemickej energie na elektrickú energiu.

Zariadenie palivových článkov sa skladá z troch hlavných častí:

1. Sekcia výroby energie;
2. CPU;
3. Napäťový transformátor.

Hlavnou časťou palivového článku je časť výroby energie, ktorá je zostavená z jednotlivých palivových článkov. V štruktúre elektród palivových článkov je zahrnutý platinový katalyzátor. Pomocou týchto článkov vzniká konštantný elektrický prúd.

Jedno z týchto zariadení má nasledujúce charakteristiky: pri napätí 155 voltov je na výstupe 1 400 ampérov. Batéria meria 0,9 m na šírku a výšku a 2,9 m na dĺžku. Elektrochemický proces v ňom prebieha pri teplote 177 ° C, čo si vyžaduje zahriatie batérie v čase spustenia, ako aj odstránenie tepla počas jej prevádzky. Na tento účel je v palivovom článku zahrnutý samostatný vodný okruh vrátane batérie vybavenej špeciálnymi chladiacimi doskami.

Proces paliva premieňa zemný plyn na vodík, ktorý je potrebný pre elektrochemickú reakciu. Hlavným prvkom palivového procesora je reformátor. Zemný plyn (alebo iné palivo obsahujúce vodík) v ňom interaguje pri vysokom tlaku a vysokej teplote (asi 900 ° C) s vodnou parou za pôsobenia katalyzátora - niklu.

Na udržanie požadovanej teploty reformátora existuje horák. Para potrebná na reformovanie sa vytvára z kondenzátu. V komíne palivových článkov sa vytvára nestabilný jednosmerný prúd a na jeho konverziu sa používa menič napätia.

V bloku meniča napätia sú tiež:

• Riadiace zariadenia.
• Bezpečnostné blokovacie obvody, ktoré pri rôznych poruchách vypnú palivový článok.

Princíp činnosti

Najjednoduchší prvok s membránou na výmenu protónov pozostáva z polymérnej membrány, ktorá je umiestnená medzi anódou a katódou, ako aj z katódových a anódových katalyzátorov. Polymérna membrána sa používa ako elektrolyt.

• Protónová výmenná membrána vyzerá ako tenká pevná organická zlúčenina malej hrúbky. Táto membrána funguje ako elektrolyt; v prítomnosti vody rozdeľuje látku na negatívne i pozitívne nabité ióny.
• Oxidácia začína na anóde a na katóde dochádza k redukcii. Katóda a anóda v článku PEM sú vyrobené z porézneho materiálu, je to zmes častíc platiny a uhlíka. Platina funguje ako katalyzátor, ktorý uľahčuje disociačnú reakciu. Katóda a anóda sú porézne, takže cez ne môže voľne prechádzať kyslík a vodík.
• Anóda a katóda sú umiestnené medzi dvoma kovovými doskami, ktoré dodávajú kyslík a vodík do katódy a anódy a odoberajú elektrickú energiu, teplo a vodu.
• Molekuly vodíka prechádzajú kanálmi v doske k anóde, kde sa molekuly rozkladajú na atómy.
• V dôsledku chemisorpcie sa atómy vodíka pri pôsobení katalyzátora premenia na kladne nabité vodíkové ióny H +, to znamená na protóny.
• Protóny difundujú na katódu cez membránu a tok elektrónov ide na katódu cez špeciálny vonkajší elektrický obvod. Je k nemu pripojená záťaž, tj. Spotrebiteľ elektrickej energie.
• Kyslík dodávaný do katódy po vystavení vstupuje do chemickej reakcie s elektrónmi z vonkajšieho elektrického obvodu a vodíkovými iónmi z protonovej výmennej membrány. Táto chemická reakcia produkuje vodu.

Chemická reakcia, ktorá prebieha v iných typoch palivových článkov (napríklad s kyslým elektrolytom vo forme kyseliny fosforečnej H3PO4), je úplne identická s reakciou zariadenia s membránou na výmenu protónov.

Názory

V súčasnosti je známych niekoľko typov palivových článkov, ktoré sa líšia zložením použitého elektrolytu:

• Palivové články na báze kyseliny fosforečnej alebo kyseliny fosforečnej (PAFC, palivové články s kyselinou fosforečnou).
• Zariadenia s membránou na výmenu protónov (PEMFC, membránové palivové články s protónovou výmenou).
• Palivové články na tuhé oxidy (SOFC, tuhé oxidové palivové články).
• Elektrochemické generátory na báze roztaveného uhličitanu (MCFC, Molten Carbonate Fuel Cells).

V súčasnej dobe sa elektrochemické generátory využívajúce technológiu PAFC rozšírili.

Aplikácia

Palivové články sa dnes používajú vo vesmírnych raketoplánoch Space Shuttle. Používajú inštalácie s výkonom 12 wattov. Generujú všetku elektrinu v kozmickej lodi. Voda generovaná elektrochemickou reakciou sa používa na pitie vrátane chladiacich zariadení.

Elektrochemické generátory boli použité aj na napájanie sovietskeho Buranu, opakovane použiteľnej lode.

Palivové články sa používajú aj v civilnom sektore.

• Stacionárne zariadenia s výkonom 5–250 kW a viac. Používajú sa ako samostatné zdroje tepla a elektrickej energie v priemyselných, verejných a obytných budovách, núdzových a záložných napájacích zdrojoch, zdrojoch neprerušiteľného napájania.
• Prenosné jednotky s výkonom 1–50 kW. Používajú sa pre vesmírne satelity a lode. Vytvárajú sa kópie golfových vozíkov, invalidných vozíkov, železničných a nákladných chladničiek, dopravných značiek.
• Mobilné jednotky s výkonom 25–150 kW. Začínajú sa používať vo vojnových lodiach a ponorkách vrátane automobilov a iných vozidiel. Prototypy už vytvorili takí automobiloví giganti ako Renault, Neoplan, Toyota, Volkswagen, Hyundai, Nissan, VAZ, General Motors, Honda, Ford a ďalší.
• Mikrozariadenia s výkonom 1–500 wattov. Používajú sa v skúsených vreckových počítačoch, prenosných počítačoch, spotrebnej elektronike, mobilných telefónoch a moderných vojenských zariadeniach.

Zvláštnosti

• Časť energie chemickej reakcie v každom palivovom článku sa uvoľňuje ako teplo. Vyžaduje sa chladenie. Vo vonkajšom obvode tok elektrónov vytvára konštantný prúd, ktorý sa používa na prácu. Zastavenie pohybu vodíkových iónov alebo otvorenie vonkajšieho obvodu vedie k ukončeniu chemickej reakcie.
• Množstvo elektriny generovanej palivovými článkami je určené tlakom plynu, teplotou, geometrickými rozmermi a typom palivového článku. Na zvýšenie množstva elektriny generovanej reakciou je možné zväčšiť veľkosť palivových článkov, ale v praxi sa používa niekoľko článkov, ktoré sú spojené do batérií.
• Chemický proces v niektorých typoch palivových článkov je možné zvrátiť. To znamená, že keď je na elektródy aplikovaný potenciálny rozdiel, voda sa môže rozložiť na kyslík a vodík, ktoré sa budú zhromažďovať na pórovitých elektródach. Keď je záťaž zapnutá, takýto palivový článok bude generovať elektrickú energiu.

Perspektívy

Elektrochemické generátory na použitie ako hlavný zdroj energie v súčasnosti vyžadujú vysoké počiatočné náklady. So zavedením stabilnejších membrán s vysokou vodivosťou, účinných a lacných katalyzátorov a alternatívnych zdrojov vodíka sa palivové články stanú vysoko ekonomicky atraktívnymi a budú zavedené všade.

• Autá budú jazdiť na palivové články, vôbec v nich nebude žiadny spaľovací motor. Ako zdroj energie sa použije voda alebo vodík v tuhej fáze. Tankovanie bude jednoduché a bezpečné a jazda bude šetrná k životnému prostrediu - budú sa vytvárať iba vodné pary.
• Všetky budovy budú mať vlastné prenosné generátory energie z palivových článkov.
• Elektrochemické generátory nahradia všetky batérie a budú sa nachádzať v akejkoľvek elektronike a domácich spotrebičoch.

Výhody a nevýhody

Každý typ palivového článku má svoje výhody a nevýhody. Niektoré vyžadujú vysoko kvalitné palivo, iné majú zložitú konštrukciu a vyžadujú vysokú prevádzkovú teplotu.

Vo všeobecnosti môžu byť uvedené nasledujúce výhody palivových článkov:

• bezpečnosť pre životné prostredie;
• elektrochemické generátory nie je potrebné nabíjať;
• elektrochemické generátory môžu vytvárať energiu neustále, nezaujímajú ich vonkajšie podmienky;
• flexibilita z hľadiska rozsahu a prenosnosti.

Medzi nevýhody patrí:

• technické problémy so skladovaním a prepravou paliva;
• nedokonalé prvky zariadenia: katalyzátory, membrány atď.

Vodíkové palivové články premieňajú chemickú energiu paliva na elektrickú energiu, obchádzajú neúčinné spaľovacie procesy a premieňajú tepelnú energiu na mechanickú. Vodíkový palivový článok je elektrochemický zariadenie v dôsledku vysoko účinného „studeného“ spaľovania paliva priamo vyrába elektrickú energiu. Palivový článok s protónovou výmenou vodíka a vzduchu (PEMFC) je jednou z najsľubnejších technológií palivových článkov.

Pred ôsmimi rokmi v západná Európa bolo otvorených šesť čerpadiel na kvapalnú naftu; musí ich byť dvesto do konca. Sme ďaleko od tisícov rýchlonabíjacích terminálov, ktoré sa liahnu po celom mieste, aby stimulovali šírenie elektrického pohybu. A tam to trenie bolí. A radšej deklarujeme grafén.

Batérie nepovedali svoje posledné slovo

To je viac ako autonómia, takže obmedzenie času nabíjania spomaľuje šírenie elektrického vozidla. Pripomenul však tento mesiac svojim zákazníkom, že batérie majú obmedzenie obmedzené na tento typ sondy pri veľmi vysokých napätiach. Thomasovi Brachmanovi bude povedané, že vodíkovú distribučnú sieť je ešte potrebné vybudovať. Argument, že zametá rukou a pripomína, že znásobenie rýchlonabíjacích terminálov je tiež veľmi drahé kvôli veľkému prierezu vysokonapäťových medených káblov. „Je jednoduchšie a lacnejšie prepravovať skvapalnený vodík nákladnými autami z zakopaných nádrží v blízkosti výrobných závodov.“

Protónová polymérna membrána oddeľuje dve anódové a katódové elektródy. Každá elektróda je uhlíková platňa (matrica) potiahnutá katalyzátorom. Na anódovom katalyzátore molekulárny vodík disociuje a daruje elektróny. Vodíkové katióny sa prenášajú cez membránu na katódu, ale elektróny sú darované vonkajšiemu obvodu, pretože membrána neumožňuje elektrónom prejsť.

Vodík ešte nie je čistý vektor elektriny

Pokiaľ ide o náklady na batériu samotnú, čo sú veľmi citlivé informácie, Thomas Brahmann nepochybuje o tom, že ju možno so zvyšujúcou sa účinnosťou výrazne znížiť. „Platina je prvok, ktorý stojí viac.“ Bohužiaľ, takmer všetok vodík pochádza z fosílnych zdrojov energie. Dihydrogén je navyše iba vektorom energie, a nie zdrojom, z ktorého sa pri jeho výrobe spotrebuje nezanedbateľná časť, jej skvapalnenie a potom transformácia na elektrickú energiu.

Na katódovom katalyzátore sa molekula kyslíka kombinuje s elektrónom (ktorý je dodávaný z elektrického obvodu) a prichádzajúcim protónom a tvorí vodu, ktorá je jediným reakčným produktom (vo forme pary a / alebo kvapaliny).

Membránovo-elektródové jednotky sú vyrobené z vodíkových palivových článkov, ktoré sú kľúčovým prvkom generujúcim energetický systém.

Stroj budúcnosti sa správa ako skutočný

Vyrovnanosť batérie je napriek tepelným stratám v ovládačoch asi trikrát vyššia. Žiaľ, zázračné auto neprerazí naše cesty, ibaže v rámci verejných demonštrácií. Brahmann, ktorý pripomína, že prirodzené ticho elektromobilu zvyšuje dojem života v hlučnom svete. Napriek všetkým ťažkostiam poskytuje pedál riadenia a brzdy prirodzenú konzistenciu.

Malá batéria, ale lepší výkon

Gadget je viditeľný, centrálna obrazovka rozptyľuje obrázky kamery umiestnené v pravom zrkadle, akonáhle je aktivovaný smerový signál. Väčšina našich amerických klientov už nie je náročná, a to udržuje ceny na nízkej úrovni - čo odôvodňuje, že hlavný inžinier ponúka nižšiu sadzbu ako. Naozaj stojí za to hovoriť o stope palivových článkov, pretože existuje 358 motorov, ktoré spolupracujú. Hlavná nádrž s objemom 117 litrov pritlačená k zadnej stene lavice zakazuje jej sklopenie a druhá, 24 litrová, je skrytá pod sedadlom.

Výhody vodíkových palivových článkov oproti tradičným riešeniam:

- zvýšená špecifická spotreba energie (500 ÷ 1000 W * h / kg),

- rozšírený rozsah prevádzkových teplôt (-40 0 С / +40 0 С),

- žiadne tepelné škvrny, hluk a vibrácie,

- spoľahlivosť pri studenom štarte,

- prakticky neobmedzená životnosť energie (bez samovybíjania),

Prvý dvojtaktný palivový článok

Napriek svojim kompaktným rozmerom tento nový palivový článok premieňa dihydrogén na elektrickú energiu rýchlejšie a lepšie ako jeho predchodca. Dodáva hromádkové prvky kyslíku rýchlosťou, ktorá sa predtým považovala za nekompatibilnú s ich trvanlivosťou. Prebytočná voda, ktorá predtým obmedzovala prietok, sa najlepšie odsaje. Výsledkom je, že výkon na článok sa zvýši na polovicu a účinnosť dosiahne 60%.

Je to spôsobené prítomnosťou lítium -iónovej batérie 1,7 kWh - umiestnenej pod prednými sedadlami, ktorá umožňuje dodávať ďalší prúd počas silného zrýchlenia. Alebo je autonómia predpovede 460 km, ideálne zodpovedá tomu, čo tvrdí výrobca.

- schopnosť meniť energetickú náročnosť systému zmenou počtu palivových kaziet, čo poskytuje takmer neobmedzenú autonómiu,

Schopnosť zabezpečiť takmer akúkoľvek rozumnú spotrebu energie systému zmenou kapacity úložiska vodíka,

- vysoká energetická náročnosť,

- tolerancia voči nečistotám vo vodíku,

Ale tisíc dielov uľahčuje prúdenie vzduchu a optimalizuje chladenie. Ešte viac ako jeho predchodca tento elektromobil ukazuje, že palivový článok je v centre pozornosti. Veľká výzva pre priemysel a našich lídrov. Medzitým je veľmi chytré, kto bude vedieť, ktorý z palivových článkov alebo batérií bude prevládať.

Palivový článok je zariadenie na premenu elektrochemickej energie, ktoré môže vyrábať elektrickú energiu vo forme jednosmerného prúdu kombináciou paliva a oxidačného činidla v chemickej reakcii za vzniku odpadového produktu, spravidla oxidu paliva.

- dlhá životnosť,

- ohľaduplnosť k životnému prostrediu a nehlučnosť práce.

Systémy napájania založené na vodíkových palivových článkoch pre UAV:

Inštalácia palivových článkov na bezpilotné prostriedky namiesto tradičných batérií znásobuje dobu letu, hmotnosť užitočného zaťaženia a zvyšuje spoľahlivosť lietadlo, rozšíriť teplotný rozsah na spustenie a prevádzku UAV a znížiť hranicu na -40 0С. V porovnaní so spaľovacími motormi sú systémy palivových článkov tiché, bez vibrácií, pracujú pri nízkych teplotách, je ťažké ich detekovať počas letu, nevypúšťajú škodlivé emisie a umožňujú vám efektívne vykonávať úlohy od sledovania videa až po dodanie užitočného zaťaženia.

Každý palivový článok má dve elektródy, z ktorých jedna je kladná a druhá záporná, a reakcia, pri ktorej sa vyrába elektrická energia, prebieha na elektródach v prítomnosti elektrolytu, ktorý prenáša nabité častice z elektródy na elektródu, pričom elektróny cirkulujú vo vonkajších vodičoch. medzi elektródami na výrobu elektriny.

Palivový článok môže vyrábať elektrickú energiu nepretržite, pokiaľ je zachovaný požadovaný tok paliva a okysličovadla. Niektoré palivové články produkujú iba niekoľko wattov, zatiaľ čo iné môžu produkovať niekoľko stoviek kilowattov, zatiaľ čo menšie batérie sa dajú nájsť v prenosných počítačoch a mobilných telefónoch, ale palivové články sú príliš drahé na to, aby sa stali malými generátormi používanými na výrobu elektriny pre domácnosti a firmy.

Zloženie systému napájania pre UAV:

Ekonomické rozmery palivových článkov

Použitie vodíka ako zdroja paliva je nákladné. Z tohto dôvodu je vodík v súčasnosti nehospodárnym zdrojom, najmä preto, že je možné použiť iné lacnejšie zdroje. Náklady na výrobu vodíka sa môžu líšiť, pretože odrážajú náklady na zdroje, z ktorých sa ťaží.

Zdroje paliva pre batérie

Palivové články sú vo všeobecnosti zaradené do nasledujúcich kategórií: vodíkové palivové články, fosílne palivové články, kovové palivové články a redoxné batérie. Keď sa ako zdroj paliva používa vodík, chemická energia sa počas procesu reverznej hydrolýzy premieňa na elektrickú energiu, pričom ako odpad vzniká iba voda a teplo. Vodíkový palivový článok je veľmi nízky, ale môže mať viac alebo menej vysokú produkciu vodíka, najmä ak je vyrobený z fosílnych palív.

• - batéria palivových článkov,
• -Vyrovnávacia batéria Li-Po na pokrytie krátkodobých špičkových zaťažení,
• - elektronický riadiaci systém ,
• - palivový systém pozostávajúci zo stlačeného vodíkového valca alebo pevného zdroja vodíka.

Palivový systém používa vysokopevné, ľahké valce a prevodovky na maximalizáciu dodávky stlačeného vodíka na palube. Je dovolené používať rôzne štandardné veľkosti valcov (od 0,5 do 25 litrov) s reduktormi zaisťujúcimi požadovanú spotrebu vodíka.

Vodíkové batérie spadajú do dvoch kategórií: nízkoteplotné a vysokoteplotné batérie, kde vysokoteplotné batérie môžu priamo využívať aj fosílne palivá. Posledne uvedené sú zložené z uhľovodíkov, ako je ropa alebo benzín, alkohol alebo biomasa.

Medzi ďalšie zdroje paliva v batériách patria, ale nie sú na ne obmedzené, alkoholy, zinok, hliník, horčík, iónové roztoky a mnoho uhľovodíkov. Ďalšie oxidačné činidlá zahrnujú, ale nie sú na ne obmedzené, vzduch, chlór a oxid chloričitý. V súčasnosti existuje niekoľko typov palivových článkov.

Charakteristika systému napájania UAV:

Prenosné nabíjačky vodíkových palivových článkov:

Prenosné nabíjačky na báze vodíkových palivových článkov sú kompaktné zariadenia porovnateľné hmotnosťou a rozmermi s existujúcimi a aktívne používanými nabíjačkami batérií vo svete.

Všadeprítomnú prenosnú technológiu v modernom svete je potrebné pravidelne dobíjať. Tradičné prenosné systémy sú pri mrazu prakticky nepoužiteľné a po splnení svojej funkcie vyžadujú aj dobíjanie pomocou (elektrických sietí), čo tiež znižuje ich účinnosť a autonómiu zariadenia.

Každá molekula dihydrogénu má 2 elektróny. Ión H prechádza z anódy na katódu a pri prenose elektrónu indukuje elektrický prúd. Ako môže vyzerať palivový článok lietadla? Dnes sa na lietadlách vykonávajú testy, ktoré ich majú vyskúšať pomocou lítium-iónovej hybridnej batérie s palivovými článkami. Skutočný zisk palivového článku spočíva v jeho nízkej integrite hmotnosti: je ľahší, čo prispieva k zníženiu hmotnosti lietadla a tým aj spotreby paliva.

Lietanie v lietadle s palivovým článkom však zatiaľ nie je možné, pretože stále má mnoho nevýhod. Obrázok palivových článkov. Aké sú nevýhody palivového článku? Po prvé, ak by bol vodík rozšírený, jeho používanie vo veľkých množstvách by bolo problematické. Skutočne je k dispozícii nielen na Zemi. Nachádza sa v okysličenej vode, amoniaku. Na jej získanie je preto potrebné vykonať elektrolýzu vody, a to ešte nie je rozšírená metóda.

Systémy vodíkových palivových článkov vyžadujú iba výmenu kompaktnej palivovej kazety a jednotka je okamžite v prevádzke.

Charakteristika prenosných nabíjačiek:

Záložné zdroje na báze vodíkových palivových článkov:

Zaručené systémy napájania založené na vodíkových palivových článkoch sú navrhnuté tak, aby organizovali záložné napájanie a dočasné napájanie. Zaručené systémy napájania založené na vodíkových palivových článkoch ponúkajú značné výhody oproti tradičným riešeniam pri organizovaní dočasného a záložného napájania pomocou akumulátorov a naftových generátorov.

Vodík je plyn, a preto je ťažké ho udržať a transportovať. Ďalším rizikom spojeným s používaním vodíka je riziko výbuchu, pretože ide o horľavý plyn. to, čo dodáva batériu na jej výrobu vo veľkom, vyžaduje iný zdroj energie, či už je to ropa, plyn alebo uhlie alebo jadrová energia, čo robí jej ekologickú rovnováhu výrazne horšou ako petrolej a vytvára zväzok platiny, kovu, ktorý je ešte vzácnejší a drahší ako zlato.

Palivový článok dodáva energiu oxidáciou paliva na anóde a redukciou okysličovadla na katóde. O objav princípu palivových článkov a prvých laboratórnych implementáciách s použitím kyseliny sírovej ako elektrolytu sa zaslúžil chemik William Grove.

Špecifikácia systému neprerušiteľného napájania:

Palivový článok Je elektrochemické zariadenie podobné galvanickému článku, ale líši sa od neho tým, že sú do neho dodávané látky na elektrochemickú reakciu zvonku - na rozdiel od obmedzeného množstva energie uloženej v galvanickom článku alebo batérii.

Palivové články majú skutočne niekoľko výhod: tie, ktoré používajú dihydrogén a oxid uhličitý, emitujú iba vodnú paru: preto je to čistá technológia. Existuje niekoľko typov palivových článkov, v závislosti od povahy elektrolytu, povahy paliva, priamej alebo nepriamej oxidácie a prevádzkovej teploty.

Nasledujúca tabuľka sumarizuje hlavné charakteristiky týchto rôznych zariadení. Niekoľko európskych programov hľadá iné polyméry, ako sú deriváty polybenzimidazolu, ktoré sú stabilnejšie a lacnejšie. Kompaktnosť batérie je tiež neustálou výzvou s membránami rádovo 15-50 mikrónov, poréznymi uhlíkovými anódami a bipolárnymi doskami z nehrdzavejúcej ocele. Tiež je možné zlepšiť životnosť, pretože na jednej strane sú stopy oxidu uhoľnatého rádovo niekoľko ppm vo vodíku skutočnými jedmi pre katalyzátor a na druhej strane je nevyhnutné kontrolovať vodu v polyméri.

Ryža. 1. Niektoré palivové články

Palivové články premieňajú chemickú energiu paliva na elektrickú energiu, čím obchádzajú neúčinné spaľovacie procesy, ktoré vedú k veľkým stratám. V dôsledku chemickej reakcie premieňajú vodík a kyslík na elektrickú energiu. V dôsledku tohto procesu vzniká voda a uvoľňuje sa veľké množstvo tepla. Palivový článok je veľmi podobný batérii, ktorú je možné nabiť a potom spotrebovať uloženou elektrickou energiou. Verí sa, že vynálezcom palivového článku je William R. Grove, ktorý ho vynašiel v roku 1839. V tomto palivovom článku bol ako elektrolyt použitý roztok kyseliny sírovej a ako palivo bol použitý vodík, ktorý bol kombinovaný s kyslíkom v oxidačnom médiu. Až donedávna sa palivové články používali iba v laboratóriách a na kozmických lodiach.

Na rozdiel od iných generátorov elektrickej energie, ako sú spaľovacie motory alebo turbíny poháňané plynom, uhlím, vykurovacím olejom atď., Palivové články nespalujú palivo. To znamená žiadne hlučné vysokotlakové rotory, žiadny hlasný hluk výfuku, žiadne vibrácie. Palivové články vyrábajú elektrickú energiu tichou elektrochemickou reakciou. Ďalšou vlastnosťou palivových článkov je, že premieňajú chemickú energiu paliva priamo na elektrickú energiu, teplo a vodu.

Palivové články sú vysoko účinné a neprodukujú veľké množstvo skleníkových plynov, ako je oxid uhličitý, metán a oxid dusnatý. Jedinými emisiami produkovanými palivovými článkami sú voda vo forme pary a malé množstvo oxidu uhličitého, ktorý vôbec nevypúšťa, ak sa ako palivo používa čistý vodík. Palivové články sú zostavené do zostáv a potom do samostatných funkčných modulov.

Palivové články nemajú žiadne pohyblivé časti (aspoň v samotnom článku), a preto sa neriadia Carnotovým zákonom. To znamená, že budú mať účinnosť viac ako 50% a budú obzvlášť účinné pri nízkom zaťažení. Vozidlá s palivovými článkami teda môžu (a už boli osvedčené) v reálnych jazdných podmienkach úspornejšie než konvenčné vozidlá.

Palivový článok generuje elektrický prúd s konštantným napätím, ktorý je možné použiť na pohon elektromotora, svietidiel a ďalších elektrických systémov vo vozidle.

Existuje niekoľko typov palivových článkov, ktoré sa líšia použitými chemickými procesmi. Palivové články sú zvyčajne klasifikované podľa typu použitého elektrolytu.

Niektoré typy palivových článkov sú sľubné na použitie ako elektrárne pre elektrárne, iné pre prenosné zariadenia alebo na riadenie automobilov.

1. Alkalické palivové články (SHFC)

Alkalický palivový článok- je to jeden z úplne prvých prvkov, ktoré boli vyvinuté. Alkalické palivové články (ALFC) sú jednou z najviac študovaných technológií, ktoré používa NASA v programoch Apollo a Space Shuttle od polovice 60. rokov minulého storočia. Na palube týchto vesmírnych lodí vyrábajú palivové články elektrickú energiu a pitnú vodu.

Alkalické palivové články sú jedným z najúčinnejších prvkov používaných na výrobu elektriny, pričom účinnosť výroby energie dosahuje až 70%.

Alkalické palivové články používajú elektrolyt, to znamená vodný roztok hydroxidu draselného obsiahnutý v poréznej stabilizovanej matrici. Koncentrácia hydroxidu draselného sa môže líšiť v závislosti od prevádzkovej teploty palivového článku, ktorá sa pohybuje od 65 ° C do 220 ° C. Nosič náboja v SHFC je hydroxylový ión (OH-), ktorý sa pohybuje z katódy na anódu, kde reaguje s vodíkom a vytvára vodu a elektróny. Voda vyrobená na anóde sa vracia späť na katódu a opäť tam vytvára hydroxylové ióny. Táto séria reakcií v palivovom článku vyrába elektrickú energiu a ako vedľajší produkt teplo:

Reakcia na anóde: 2H2 + 4OH- => 4H20 + 4e

Katódová reakcia: O2 + 2H20 + 4e- => 4OH

Všeobecná odozva systému: 2H2 + O2 => 2H2O

Výhodou SHFC je, že tieto palivové články sú najlacnejšie vo výrobe, pretože katalyzátorom, ktorý je potrebný na elektródach, môže byť akákoľvek látka, ktorá je lacnejšia ako látky používané ako katalyzátory pre iné palivové články. Navyše, SCHE pracujú pri relatívne nízkych teplotách a patria medzi najúčinnejšie.

Jednou z charakteristických vlastností SHFC je jeho vysoká citlivosť na CO2, ktorý môže byť obsiahnutý v palive alebo vzduchu. CO2 reaguje s elektrolytom, rýchlo ho otrávi a výrazne znižuje účinnosť palivového článku. Používanie SHTE je preto obmedzené na uzavreté priestory, ako sú vesmírne a podvodné vozidlá, ktoré pracujú s čistým vodíkom a kyslíkom.

2. Palivové články na báze roztaveného uhličitanu (RKTE)

Palivové články z elektrolytu roztaveného uhličitanu sú vysokoteplotné palivové články. Vysoká prevádzková teplota umožňuje použitie zemného plynu priamo bez spracovateľského paliva a palivový plyn s nízkou výhrevnosťou pre priemyselné procesy a iné zdroje. Tento proces vyvinuté v polovici 60. rokov dvadsiateho storočia. Od tej doby sa výrobná technológia, výkon a spoľahlivosť zlepšovali.

Prevádzka RKTE je odlišná od ostatných palivových článkov. Tieto články používajú elektrolyt zo zmesi roztavených uhličitanových solí. V súčasnosti sa používajú dva typy zmesí: uhličitan lítny a uhličitan draselný alebo uhličitan lítny a uhličitan sodný. Na roztavenie uhličitanových solí a dosiahnutie vysokého stupňa pohyblivosti iónov v elektrolyte pracujú palivové články s roztaveným uhličitanovým elektrolytom pri vysokých teplotách (650 ° C). Účinnosť sa pohybuje medzi 60-80%.

Soli sa po zahriatí na 650 ° C stanú vodičom uhličitanových iónov (CO32-). Tieto ióny putujú z katódy na anódu, kde sa spoja s vodíkom za vzniku vody, oxidu uhličitého a voľných elektrónov. Tieto elektróny sú vedené späť na katódu cez vonkajší elektrický obvod, pričom ako vedľajší produkt generuje elektrický prúd a teplo.

Anódová reakcia: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e

Katódová reakcia: CO2 + 1 / 2O2 + 2e- => CO32-

Všeobecná reakcia prvku: H2 (g) + 1 / 2O2 (g) + CO2 (katóda) => H2O (g) + CO2 (anóda)

Vysoké prevádzkové teploty palivových článkov elektrolytu roztaveného uhličitanu majú určité výhody. Výhodou je možnosť použitia štandardných materiálov (plech z nehrdzavejúcej ocele a niklový katalyzátor na elektródach). Odpadové teplo je možné využiť na výrobu vysokotlakovej pary. Vysoké reakčné teploty v elektrolyte majú tiež výhody. Použitie vysokých teplôt trvá dlho, kým sa dosiahnu optimálne prevádzkové podmienky, a systém reaguje pomalšie na zmeny v spotrebe energie. Tieto charakteristiky umožňujú použitie inštalácií palivových článkov s roztaveným uhličitanovým elektrolytom za podmienok konštantného výkonu. Vysoké teploty zabraňujú poškodeniu palivového článku oxidom uhoľnatým, otravám atď.

Palivové články z elektrolytu roztaveného uhličitanu sú vhodné na použitie vo veľkých stacionárnych inštaláciách. Tepelné elektrárne s výstupným elektrickým výkonom 2,8 MW sa vyrábajú priemyselne. Vyvíjajú sa zariadenia s výstupným výkonom do 100 MW.

3. Palivové články na báze kyseliny fosforečnej (FCTE)

Palivové články na báze kyseliny fosforečnej (ortofosforečnej) sa stali prvými palivovými článkami na komerčné využitie. Tento proces bol vyvinutý v polovici 60. rokov dvadsiateho storočia, testy sa vykonávali od 70. rokov dvadsiateho storočia. Výsledkom bolo zvýšenie stability a výkonu a zníženie nákladov.

Palivové články na báze kyseliny fosforečnej (ortofosforečnej) používajú elektrolyt na báze kyseliny fosforečnej (H3PO4) s koncentráciou až 100%. Iónová vodivosť kyseliny fosforečnej je pri nízkych teplotách nízka, preto sa tieto palivové články používajú pri teplotách do 150-220 ° C.

Nosičom náboja v tomto type palivového článku je vodík (H +, protón). Podobný proces prebieha v palivových článkoch s membránou na výmenu protónov (MOPTE), v ktorej je vodík dodávaný do anódy rozdelený na protóny a elektróny. Protóny prechádzajú elektrolytom a kombinujú sa s kyslíkom zo vzduchu na katóde za vzniku vody. Elektróny sú vedené vonkajším elektrickým obvodom a generujú elektrický prúd. Nasledujú reakcie, ktoré generujú elektrinu a teplo.

Reakcia na anóde: 2H2 => 4H + + 4e

Katódová reakcia: O2 (g) + 4H + + 4e- => 2H20

Všeobecná reakcia prvku: 2H2 + O2 => 2H20

Účinnosť palivových článkov na báze kyseliny fosforečnej (ortofosforečnej) je pri výrobe elektrickej energie viac ako 40%. Pri kombinovanej výrobe tepla a energie sa celková účinnosť pohybuje okolo 85%. Navyše, vzhľadom na prevádzkové teploty, môže byť odpadové teplo použité na ohrev vody a výrobu pary pri atmosférickom tlaku.

Vysoký výkon teplární a elektrární na palivové články na báze kyseliny fosforečnej (ortofosforečnej) pri kombinovanej výrobe tepla a elektriny je jednou z výhod tohto typu palivových článkov. Rastliny používajú oxid uhoľnatý s koncentráciou asi 1,5%, čo výrazne rozširuje výber paliva. Jednoduchý dizajn, nízka prchavosť elektrolytu a zvýšená stabilita sú tiež výhody týchto palivových článkov.

Tepelné elektrárne s výstupným elektrickým výkonom až 400 kW sa vyrábajú priemyselne. Príslušne boli testované zariadenia s výkonom 11 MW. Vyvíjajú sa zariadenia s výstupným výkonom do 100 MW.

4. Palivové články s membránou na výmenu protónov (MOPTE)

Palivové články s membránou na výmenu protónov sú považované za najlepší typ palivových článkov na výrobu energie pre vozidlá, ktoré môžu nahradiť benzínové a naftové spaľovacie motory. Tieto palivové články prvýkrát použila NASA na program Gemini. Inštalácie na MOPTE boli vyvinuté a zobrazené s výkonom od 1 W do 2 kW.

Elektrolyt v týchto palivových článkoch je tuhá polymérna membrána (tenká plastová fólia). Keď je tento polymér impregnovaný vodou, umožňuje prechod protónov, ale nevedie elektróny.

Palivom je vodík a nosičom náboja je vodíkový ión (protón). Na anóde je molekula vodíka rozdelená na vodíkový ión (protón) a elektróny. Vodíkové ióny prechádzajú elektrolytom na katódu, zatiaľ čo elektróny sa pohybujú okolo vonkajšieho kruhu a produkujú elektrickú energiu. Kyslík, ktorý sa odoberá zo vzduchu, sa privádza na katódu a kombinuje sa s elektrónmi a vodíkovými iónmi za vzniku vody. Na elektródach prebiehajú nasledujúce reakcie: Reakcia na anóde: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e Reakcia na katóde: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH Celková bunková reakcia: 2H2 + O2 => 2H2O v porovnaní s inými typy palivových článkov, palivové články a protónová výmenná membrána produkuje viac energie pre daný objem alebo hmotnosť palivového článku. Vďaka tejto funkcii sú kompaktné a ľahké. Prevádzková teplota je navyše nižšia ako 100 ° C, čo umožňuje rýchle spustenie prevádzky. Tieto vlastnosti, ako aj schopnosť rýchlo meniť energetický výdaj, sú len niektoré z nich, vďaka ktorým sú tieto palivové články hlavným kandidátom na použitie vo vozidle.

Ďalšou výhodou je, že elektrolyt je pevný a nie kvapalný. Je jednoduchšie udržať plyny na katóde a anóde s pevným elektrolytom, takže výroba takýchto palivových článkov je lacnejšia. Pri použití pevného elektrolytu nie sú také ťažkosti ako orientácia a menej problémov v dôsledku výskytu korózie, čo zvyšuje životnosť článku a jeho súčastí.

5. Palivové články na tuhé oxidy (SOFC)

Palivové články z tuhého oxidu sú palivové články s najvyššou prevádzkovou teplotou. Prevádzková teplota sa môže meniť od 600 ° C do 1 000 ° C, čo umožňuje použitie rôznych typov palív bez špeciálnej predbežnej úpravy. Na zvládnutie týchto vysokých teplôt je použitým elektrolytom tenký pevný oxid kovu na keramickej báze, často zliatina yttria a zirkónia, ktorý je vodičom iónov kyslíka (O2-). Technológia využívania palivových článkov na tuhé oxidy sa vyvíja od konca päťdesiatych rokov minulého storočia a má dve konfigurácie: planárne a rúrkové.

Pevný elektrolyt poskytuje hermeticky uzavretý prechod plynu z jednej elektródy na druhú, zatiaľ čo kvapalné elektrolyty sú umiestnené v pórovitom substráte. Nosičom náboja v tomto type palivových článkov je kyslíkový ión (O2-). Na katóde sú molekuly kyslíka zo vzduchu rozdelené na kyslíkový ión a štyri elektróny. Kyslíkové ióny prechádzajú elektrolytom a kombinujú sa s vodíkom za vzniku štyroch voľných elektrónov. Elektróny sú vedené cez externý elektrický obvod, ktorý generuje elektrický prúd a odpadové teplo.

Reakcia na anóde: 2H2 + 2O2- => 2H20 + 4e

Katódová reakcia: O2 + 4e- => 2O2-

Všeobecná reakcia prvku: 2H2 + O2 => 2H20

Účinnosť výroby elektrickej energie je najvyššia zo všetkých palivových článkov - asi 60%. Vysoké prevádzkové teploty navyše umožňujú kombinovanú výrobu tepla a energie vytvárať vysokotlakovú paru. Kombinácia vysokoteplotného palivového článku s turbínou umožňuje vytvoriť hybridný palivový článok, ktorý zvýši účinnosť výroby elektrickej energie až o 70%.

Palivové články na tuhé oxidy pracujú pri veľmi vysokých teplotách (600 ° C-1 000 ° C), kým dosiahnutie optimálnych prevádzkových podmienok trvá dlho, a systém reaguje pomalšie na zmeny spotreby energie. Pri takých vysokých prevádzkových teplotách nie je potrebný konvertor na spätné získavanie vodíka z paliva, čo umožňuje tepelnej elektrárni pracovať s relatívne nečistými palivami, ktoré sú výsledkom splyňovania uhlia alebo odpadových plynov a podobne. Tento palivový článok je tiež vynikajúci pre prevádzku s vysokým výkonom vrátane priemyselných a veľkých centrálnych elektrární. Moduly s výstupným elektrickým výkonom 100 kW sa vyrábajú komerčne.

6. Palivové články s priamou oxidáciou metanolom (POMTE)

Palivové články s priamou oxidáciou metanolomÚspešne sa používajú v oblasti napájania mobilných telefónov, prenosných počítačov, ako aj pri vytváraní prenosných zdrojov energie, na čo je zamerané budúce využitie takýchto prvkov.

Konštrukcia palivových článkov s priamou oxidáciou metanolom je podobná konštrukcii palivových článkov s protónovou výmennou membránou (MOPTE), t.j. polymér sa používa ako elektrolyt a vodíkový ión (protón) sa používa ako nosič náboja. Ale kvapalný metanol (CH30H) sa oxiduje v prítomnosti vody na anóde za uvoľnenia CO2, vodíkových iónov a elektrónov, ktoré sú vedené pozdĺž vonkajšieho elektrického obvodu, pričom vzniká elektrický prúd. Vodíkové ióny prechádzajú elektrolytom a reagujú s kyslíkom zo vzduchu a elektrónmi z vonkajšieho okruhu za vzniku vody na anóde.

Reakcia na anóde: CH3OH + H2O => CO2 + 6H + + 6e Reakcia na katóde: 3 / 2O2 + 6H + + 6e- => 3H2O Všeobecná reakcia prvku: CH3OH + 3 / 2O2 => CO2 + 2H2O vývoj takýchto palivových článkov sa uskutočňoval od začiatku 90- x rokov dvadsiateho storočia a ich hustota výkonu a účinnosť sa zvýšili na 40%.

Tieto prvky boli testované v teplotnom rozmedzí 50-120 ° C. Vzhľadom na nízke prevádzkové teploty a potrebu meniča nie sú tieto palivové články najlepším kandidátom na použitie v mobilných telefónoch a inom spotrebnom tovare, ako aj v automobilových motoroch. Ich výhodou sú aj malé rozmery.

7. Palivové články z polymérneho elektrolytu (PETE)

V prípade palivových článkov z polymérneho elektrolytu sa polymérna membrána skladá z polymérnych vlákien s vodnými oblasťami, v ktorých je k molekule vody pripojená vodivosť vodných iónov H2O + (protón, červená). Molekuly vody predstavujú problém kvôli pomalej výmene iónov. Preto je v palive aj na výstupných elektródach potrebná vysoká koncentrácia vody, ktorá obmedzuje prevádzkovú teplotu na 100 ° C.

8. Palivové články na tuhé kyseliny (TKTE)

V palivových článkoch na tuhé kyseliny elektrolyt (CsHSO4) neobsahuje vodu. Prevádzková teplota je preto 100-300 ° C. Rotácia oxyaniónov SO42-umožňuje pohyb protónov (červený), ako je znázornené na obrázku. Palivový článok na tuhé kyseliny je obvykle sendvič, v ktorom je medzi dve tesne stlačené elektródy vložená veľmi tenká vrstva pevnej kyslej zlúčeniny, aby sa zaistil dobrý kontakt. Pri zahrievaní sa organická zložka odparuje a opúšťa póry v elektródach, pričom si zachováva schopnosť viacnásobných kontaktov medzi palivom (alebo kyslíkom na druhom konci článkov), elektrolytom a elektródami.

9. Porovnanie najdôležitejších charakteristík palivových článkov

Charakteristiky palivových článkov

Typ palivového článku	Pracovná teplota	Účinnosť výroby energie	Druh paliva	Pôsobnosť
				Stredné a veľké inštalácie
			Čistý vodík	inštalácií
			Čistý vodík	Malé inštalácie
			Väčšina uhľovodíkových palív	Malé, stredné a veľké inštalácie
				Prenosný inštalácií
			Čistý vodík	Vesmír vyšetrovanie
			Čistý vodík	Malé inštalácie

10. Použitie palivových článkov v automobiloch

História

Zdá sa, že prvý prvok bol vyrobený z olova od Rusa (to je dôležité), jednoduchej ceruzky a telo bolo pivným korkom. To všetko bolo ohriate na kuchynskom sporáku. Elektrolytom bol prášok na čistenie potrubí Digger, zložený z NaOH, podľa štítku. Keďže sa mi podarilo získať nejaký druh prúdu, myslel som si, že taký prvok pravdepodobne môže skutočne fungovať. Plechovky začali presakovať vo švíkoch (spájka bola nahlodaná lúhom) a už si ani nepamätám výsledky. Pre vážnejší zážitok som si kúpil nerezového podvodníka. Nič s ňou však nefungovalo. Napätie bolo nielen 0,5 voltov, ale bolo tiež nasmerované zlým smerom. Ukázalo sa tiež, že žeravé uhlíky z ceruziek sa veľmi rady rozpadávajú na ich súčasti. Podľa všetkého nie sú vyrobené z pevného grafitového kryštálu, ale sú zlepené prachom. Rovnaký osud stihol aj prúty z batérií AA. Kúpili sa aj kefy z niektorých elektromotorov, ale miesta, kde sa do kefky dostáva olovený drôt, rýchlo schátrali. Navyše jeden pár kefiek, ako sa ukázalo, obsahoval meď alebo nejaký iný kov (to sa stáva so štetcami).

Sotva som si poškriabal zadnú časť hlavy, rozhodol som sa, že pre spoľahlivosť bude lepšie vyrobiť nádobu zo striebra a žiaru - podľa technológie, ktorú popísal Jacot, t.j. spekaním. Striebro stojí mierne peniaze (ceny kolíšu, ale niekde rádovo 10-20 rubľov za gram). Narazil som na čaj, ktorý je oveľa drahší.

Je známe, že striebro je v tavenine NaOH stabilné, zatiaľ čo železo dáva feráty, napríklad Na2FeO4. Pretože železo má vo všeobecnosti variabilnú valenciu, potom jeho ióny môžu prinajmenšom teoreticky spôsobiť „skrat“ v prvku. Preto som sa rozhodol začať s kontrolou prípadu striebra, pretože je to jednoduchšie. Najprv sa kúpila kuprónová postriebrená lyžica a pri testovaní kefami sa okamžite získalo 0,9 V otvoreného obvodu s požadovanou polaritou a tiež pomerne veľký prúd. Následne (nie prakticky, ale teoreticky) sa ukázalo, že striebro sa môže v zásadách rozpustiť aj v prítomnosti peroxidu sodného Na2O2, ktorý v niektorých množstvách vzniká fúkaním vzduchu. Či to bude v živle alebo chránené uhlíkom, striebro je bezpečné - neviem.

Lyžica dlho nevydržala. Strieborná vrstva sa nafúkla a prestala fungovať. Cupronickel je nestabilný v alkáliách (ako väčšina materiálov existujúcich na svete). Potom som zo striebornej mince vyrobil špeciálny pohár, na ktorom bol dosiahnutý rekordný výkon 0,176 wattu.

To všetko sa robilo v obyčajnom mestskom byte, v kuchyni. Nikdy som sa nespálil, nezaložil oheň a iba raz som rozlial roztavenú alkáliu na kachle (sklovina okamžite skorodovala). Bol použitý najjednoduchší nástroj. Ak sa ukáže, že zistí správny druh železa a správne zloženie elektrolytu, potom takýto prvok môže urobiť na kolene každý nie celkom bezruký muž.

V roku 2008 vyšlo najavo niekoľko „správnych typov železa“. Napríklad potravinárska nehrdzavejúca oceľ, plechovky, elektrické ocele pre magnetické obvody, ako aj nízkouhlíkové ocele - st1ps, st2ps. Čím menej uhlíka, tým lepší výkon. Zdá sa, že nehrdzavejúca oceľ funguje horšie ako čisté železo (mimochodom, je to oveľa drahšie). „Nórske plechové“ železo, to je tiež švédske - to je železo, ktoré bolo vo Švédsku vyrobené kritickým spôsobom na drevenom uhlí a neobsahovalo viac ako 0,04% uhlíka. V dnešnej dobe sa tento nízky obsah uhlíka nachádza iba v elektrotechnických oceliach. Pravdepodobne najlepší spôsob, ako vyrábať poháre, je vyrazený z elektrického oceľového plechu.

Výroba strieborného pohára

V roku 2008 sa ukázalo, že železný pohár tiež funguje dobre, a tak odstraňujem všetko o striebornom pohári. Bolo to zaujímavé, ale teraz je to irelevantné.

Môžete skúsiť použiť grafit. Ale nemal som čas. Prosil som tetu vodiča o ozdobu rohov trolejbusu, ale to už bolo na konci môjho experimentálneho eposu. Môžete tiež vyskúšať kefy z motorov, ale často sa dodávajú s meďou, čo narúša čistotu experimentu. Mal som dve možnosti štetcov, jedna sa ukázala byť s meďou. Ceruzky nefungujú, pretože majú malý povrch a nie je vhodné z nich odoberať prúd. Tyče batérie sa v alkáliách rozpadávajú
(so spojivom sa niečo stane). Všeobecne povedané, grafit je najhorším palivom pre článok, pretože je chemicky najstabilnejší. Preto vyrábame elektródu "poctivo". Berieme drevené uhlie (kúpil som si v supermarkete brezové uhlie na grilovanie), pomelieme čo najmenšie (najskôr som ho pomlel na porcelánovú maltu, potom som si kúpil mlynček na kávu). V priemysle sa elektródy vyrábajú z niekoľkých uhoľných frakcií ich vzájomným zmiešaním. Nič vám nebráni urobiť to isté. Prášok sa vypaľuje, aby sa zvýšila jeho elektrická vodivosť: musí sa niekoľko minút zahriať na najvyššiu možnú teplotu (1 000 alebo viac). Prirodzene, bez prístupu vzduchu.

Na to som vyrobil kováreň z dvoch do seba vnorených plechoviek. Medzi nimi sú navrstvené kusy suchej hliny na tepelnú izoláciu. Dno oboch plechoviek je prepichnuté, aby bolo kam vháňať vzduch. Vnútorná plechovka je naplnená uhlíkmi (ktoré pôsobia ako palivo), medzi nimi je kovová škatuľka - „téglik“, tiež som ju vyvalil z cínu z plechovky. Uhľový prášok zabalený v papierovom vrecku je naplnený do škatule. Medzi uhoľnou rolkou a stenami „téglika“ by mala byť medzera. Je pokrytý pieskom, takže nie je prístup vzduchu. Uhlie sa zapáli, potom sa fúka cez otvory v spodnej časti bežným sušičom vlasov. To všetko je celkom nebezpečné pre požiar - lietajú iskry. Potrebujete okuliare a musíte sa tiež pozerať tak, aby v blízkosti neboli žiadne záclony, sudy s benzínom a iné nebezpečenstvo požiaru. Bolo by lepšie, nadobro, robiť také veci niekde na zelenom trávniku počas obdobia dažďov (medzi dažďami). Ospravedlňujeme sa, ale som lenivý nakresliť celú túto štruktúru. Myslím, že môžeš hádať aj bezo mňa.

Ďalej sa do spáleného prášku pridáva určité množstvo cukru (pravdepodobne z tretiny až polovice). Je to spojivo. Potom - trochu vody (keď som mal špinavé ruky a bol som lenivý na to, aby som pustil kohútik, jednoducho som doň pľul a namiesto vody som pridal pivo, neviem, ako na tom záleží; je celkom možné, že organické látky sú dôležité. Toto všetko je dôkladne premiešané v roku Výsledkom by mala byť plastická hmota. Z tejto hmoty musíte vytvoriť elektródu. Čím lepšie ju stlačíte, tým lepšie. Vzal som upchatý kus trubice a vtiahol uhlie do trubice. s menšou trubicou, pomocou kladiva. Aby sa výrobok pri vyberaní z tuby nerozpadol., pred plnením som do rúrky vložil niekoľko okrajov papiera. Zástrčka by mala byť odnímateľná a ešte lepšie - ak je rúrka rozreže sa a spojí sa svorkami. Potom po stlačení svorky jednoducho odpojíte a necháte uholník neporušený. vytlačí hotový obrobok z
potrubia (v tomto prípade sa môže rozpadnúť). Moje uhlie malo priemer 1,2-1,5 cm a dĺžku 4-5 cm.

Hotová forma sa vysuší. Aby som to urobil, zapol som plynový sporák na veľmi malom ohni, položil naň prázdnu plechovku a na dno položil uhlie. Sušenie by malo byť dostatočne pomalé, aby vodná para neporušila obrobok. Keď sa všetka voda odparí, cukor začne „vrieť“. Premení sa na karamel a zlepí kúsky uhlia dohromady.

Po vychladnutí musíte do uhlia vyvŕtať pozdĺžny (pozdĺž jeho osi symetrie) okrúhly otvor, do ktorého sa vloží výbojová elektróda. Priemer otvoru - nepamätám si, zdá sa, že 4 mm. Týmto postupom je už možné všetko zakryť, pretože štruktúra je krehká. Najprv som vŕtal vrtákom 2 mm, potom opatrne (ručne) rozšíril vrtákmi 3 a 4 mm, alebo dokonca pilníkom, už si to presne nepamätám. Tento otvor môže byť v zásade vytvorený už vo fáze tvarovania. Ale toto -
nuansy.

Potom, čo je všetko suché a vŕtané, musíte vypáliť. Všeobecne platí, že pri dostatočne plynulom nastavení teploty musíte uhlík na chvíľu (asi 20 minút) podrobiť silnému a rovnomernému zahrievaniu bez prístupu vzduchu. Postupne ho musíte zahriať, ale aj vychladnúť. Teplota - čím vyššia, tým lepšia. Je žiaduce viac ako 1000. Mal som
oranžové (bližšie k bielemu) zahrievanie železa v improvizovanej peci. Priemyselné elektródy sú spaľované mnoho dní s veľmi plynulým prívodom a odvodom tepla. Koniec koncov, toto je v skutočnosti keramika, ktorá je krehká. Nemôžem zaručiť, že žiara nepraskne. Všetko som robil z videnia. Niektoré z uhlíkov boli prasknuté hneď po začiatku ťažby.

Uhlie je teda pripravené. Mal by mať čo najmenší odpor. Pri meraní odporu sa nedotýkajte uhlia testovacími ihlami, ale vezmite dva lanká, oprite ich o boky uhlia (nie o konce tyče, ale jednoducho o priemer) a pevne pritlačte prstami (stačí aby nepraskol), pozri obrázok, obrázok ružová amorfná hmota sú prsty zvierajúce drôty.

Ak je odpor 0,3-0,4 ohmov (to bolo na hranici citlivosti môjho testera), potom je to dobré uhlie. Ak je viac ako 2-3 ohmy, potom je to zlé (hustota výkonu bude malá). Ak žiara zlyhá, môžete streľbu zopakovať.

Po dokončení vypaľovania urobíme výbojovú elektródu. Toto je pás striebra alebo železo - 2008 s dĺžkou rovnajúcou sa dvakrát alebo o niečo menšou ako je dĺžka uhlia,
šírka - dva priemery otvoru. Hrúbka - povedzme 0,5 mm. Z toho musíte valcovať valec, ktorého vonkajší priemer je
priemer otvoru. Valec však nebude fungovať, pretože šírka je príliš malá, dostanete valec s pozdĺžnou štrbinou. Tento slot je dôležitý na kompenzáciu tepelnej rozťažnosti. Ak vyrobíte plný valec, potom striebro pri zahrievaní rozbije žiaru.
Vložte "valec" do uhlia. Musíte zaistiť, aby pevne zapadol do otvoru. Existujú dve strany: nadmerná sila rozbije žiaru; ak je sila slabá, dôjde k nedostatočnému kontaktu (je to veľmi dôležité). Viď obrázok.

Tento dizajn sa nezrodil okamžite, zdá sa mi dokonalejší ako tie svorky, ktoré sú nakreslené v Jacoovom patente. Po prvé, pri takom kontakte prúd netečie pozdĺž, ale pozdĺž polomeru valcového uhlia, čo môže výrazne znížiť elektrické straty. Po druhé, kovy majú vyšší koeficient tepelnej rozťažnosti ako uhlie, takže kontakt uhlia s kovovou svorkou sa pri zahrievaní oslabuje. V mojom prípade je kontakt posilnený alebo si zachováva svoju pevnosť. Po tretie, ak olovená elektróda nie je vyrobená zo striebra, uhlík ju chráni pred oxidáciou. Dajte mi čoskoro patent!

Teraz môžete znova merať odpor, jedným z pólov bude elektróda prenášajúca prúd. Mimochodom, pre môj tester je už 0,3 ohmu limit citlivosti, takže je lepšie prejsť prúdom známeho napätia a zmerať jeho silu.

Prívod vzduchu

Berieme oceľovú tyč z veľkokapacitného guľôčkového pera. Je žiaduce - prázdne. Odstránime z neho blok s loptou - zostane iba železná trubica. Starostlivo odstránime zvyšky pasty (mne sa to veľmi nepodarilo a pasta potom zuhoľnatie, čo sťažuje život). Najprv sa to robí vodou a potom je lepšie tyč niekoľkokrát zapáliť v plameni horáka. Dochádza k pyrolýze atramentu, pričom zostane uhlie, ktoré je možné zotrieť.

Ďalej nájdeme nejakú inú trubicu na prepojenie tejto tyče (bude sa ohrievať) s rúrkou z PVC-shnoy vedúcou z akváriového kompresora, ktorý slúži na kondicionovanie rýb. Všetko by malo byť dostatočne tesné. Na PVC rúrku sme nasadili nastaviteľnú svorku, pretože aj ten najslabší kompresor dáva príliš veľa vzduchu. V ideálnom prípade musíte urobiť striebornú, nie oceľovú rúrku, a dokonca sa mi to podarilo, ale nemohol som zabezpečiť tesné spojenie medzi striebornou rúrkou a PVC shnoy. Medziľahlé rúrky silne leptali vzduch (kvôli rovnakým tepelným medzerám), takže som sa nakoniec usadil na oceľovej tyči. Tento problém je samozrejme riešiteľný, ale museli ste naň vynaložiť čas a úsilie a vybrať vhodnú trubicu pre danú situáciu. Vo všeobecnosti som sa v tejto časti výrazne odchýlil od Jacotovho patentu. Nedokázal som vyrobiť takú ružu, akú nakreslil (a aby som bol úprimný, vtedy som jej návrh dostatočne nepokladal).

Na tomto mieste by sme mali urobiť malú odbočku, aby sme prediskutovali, ako nesprávne Jacot predstavil prácu svojho prvku. Kyslík očividne prechádza do iónovej formy niekde na katóde podľa vzorca O2 + 4e- = 2O2- alebo v podobnej reakcii, kde sa kyslík redukuje a s niečím sa kombinuje. To znamená, že je dôležité zabezpečiť trojitý kontakt vzduchu, elektrolytu a katódy. K tomu môže dôjsť, keď sa vzduchové bubliny dostanú do kontaktu s kovom atomizéra a elektrolytom. To znamená, že čím väčší je celkový obvod všetkých otvorov v atomizéri, tým musí byť prúd väčší. Tiež, ak vyrobíte pohár so šikmými okrajmi, potom sa trojitá kontaktná plocha môže tiež zvýšiť, pozri obr.

Ďalšou možnosťou je, keď sa rozpustený kyslík redukuje na katóde. V tomto prípade na oblasti trojitého kontaktu nezáleží, ale je len potrebné maximalizovať povrchovú plochu bublín, aby sa urýchlilo rozpúšťanie kyslíka. Je pravda, že v tomto prípade nie je jasné, prečo rozpustený kyslík neoxiduje uhlie priamo, bez elektrochemickej reakcie (práca „za“ elektrickým obvodom). V tomto prípade sú zrejme katalytické vlastnosti materiálu pohára dôležité. Dobre, to sú všetky texty. V každom prípade musíte rozdeliť prúd na malé bubliny. Pokusy, ktoré som na to urobil, neboli obzvlášť úspešné.

Na to bolo potrebné vytvoriť tenké otvory, s ktorými sa ukázalo veľa problémov.

Najprv sa tenké otvory rýchlo upchajú. železo koroduje, hrdza a zvyšky uhlia (pamätajte, že z držadla bola kedysi pasta) vypadávajú z tyče a upchávajú otvory.
Za druhé, otvory sú nerovnomerné a je ťažké prinútiť vzduch prúdiť zo všetkých otvorov súčasne.
Po tretie, ak sú dva otvory vedľa seba, potom má bublina zlú tendenciu splynúť ešte skôr, ako sa odtrhnú.
Po štvrté, kompresor dodáva vzduch nerovnomerne a to tiež nejakým spôsobom ovplyvňuje veľkosť bublín (jedna bublina zjavne vyskočí jedným stlačením). To všetko sa dá ľahko pozorovať naliatím vody do priehľadnej nádoby a testovaním spreja v nej. Alkália má samozrejme iný koeficient viskozity a povrchového napätia, takže musíte konať náhodne. Tieto problémy som nikdy nedokázal prekonať a navyše problém s únikom vzduchu v dôsledku tepelných medzier. Tieto netesnosti zabránili spusteniu postrekovača, pretože bolo potrebné prekonať sily povrchového napätia. Práve tu sa naplno prejavili nevýhody svoriek. Bez ohľadu na to, ako ich utiahnete, pri zahrievaní stále slabnú. Nakoniec som prešiel na najjednoduchší atomizér s guľôčkovými tyčami, ktorý produkoval iba jeden prúd bublín. Zdá sa, že aby ste to urobili normálnym spôsobom, musíte sa opatrne zbaviť netesností, dodávať vzduch pod značným tlakom (viac, ako vytvára akvarijný kompresor) a cez malé otvory.

Táto časť dizajnu bola pre mňa úprimne povedané vypracovaná zle ...

zhromaždenie

Všetko. Dávať to všetko dokopy. Na svorky je potrebné nainštalovať všetko tak, aby
1. K skratu cez nosnú konštrukciu nedošlo.
2. Roh sa nedotýkal vzduchovej fúkacej trubice, rovnako ako stien
šálka. To bude ťažké, pretože medzery sú malé, svorky sú krehké a zásada bude bublať, keď je bunka v prevádzke. Rovnako bude pôsobiť archimedovská sila, ktorá všetko posunie tam, kde to nie je potrebné, a sila povrchového napätia, ktorá priťahuje uhlie k iným predmetom. Striebro po zahriatí zmäkne. Preto som nakoniec uhlík držal kliešťami za koniec olovenej elektródy. Bolo to zlé. Pre normálnu prevádzku musíte stále vyrobiť veko (zrejme iba z porcelánu - hlina sa namočí do zásady a stratí svoju silu, možno môžete použiť pálenú hlinu). Myšlienka, ako vyrobiť toto veko, je v Jacotovom patente. Hlavná vec je, že by mala celkom dobre držať uhlie, pretože aj pri miernom zaujatosti sa dotkne pohára v spodnej časti. Na to musí mať veľkú výšku. Nepodarilo sa mi nájsť také porcelánové veko, vyrobiť keramické z hliny - tiež (všetko, čo som sa pokúšal urobiť z hliny, rýchlo prasklo, zrejme som to tak nejako nespálil). Jediným malým trikom je použiť kovové veko a ako tepelnú izoláciu navrstviť cestu aj zle vypálenej hliny. Táto cesta tiež nie je taká jednoduchá.

Skrátka, dizajn prvku mi bol tiež nanič.

Je tiež dobré pripraviť si nástroj, pomocou ktorého môžete získať kus uhlia, ktorý môže spadnúť z elektródy a dostať sa do zásady. Kúsok uhlia môže spadnúť a spadnúť do zásady, potom dôjde k skratu. Mal som ako taký nástroj ohnutú oceľovú sponku, ktorú som držal kliešťami. Prinášame drôty - jeden k držadlu, druhý k výstupnej elektróde. Môžete spájkovať, aj keď som použil dve kovové platne a priskrutkoval ich skrutkami (všetko z detskej kovovej stavebnice). Hlavnou vecou je pochopiť, že celá štruktúra funguje pri nízkom napätí a všetky pripojenia musia byť dobre vyrobené. Odpor meriame v neprítomnosti elektrolytu medzi elektródami - dbáme na to, aby bol veľký (najmenej 20 ohmov). Meriame odpor všetkých spojov - uistite sa, že sú malé. Zostavenie obvodu so záťažou. Napríklad odpor 1 ohm a ampérmetr zapojené do série. Testery majú nízky odpor ampérmetra iba v režime meracích jednotiek ampérov, je vhodné to vopred zistiť. Buď môžete zapnúť režim zmeny ampérových jednotiek (prúd bude od 0,001 do 0,4 A), alebo namiesto sériovo zapojeného ampérmetra zapnúť paralelne voltmetr (napätie bude od 0,2 do 0,9 V). Odporúča sa zabezpečiť možnosť zmeny podmienok počas experimentu, aby bolo možné merať napätie otvoreného obvodu, skratový prúd a prúd so záťažou 1 ohm. A je lepšie, ak je možné odpor tiež zmeniť: 0,5 ohmu, 1 ohm a 2 ohmy, aby ste našli ten, pri ktorom sa dosiahne maximálny výkon.

Zapneme kompresor z akvária a zabalíme svorku tak, aby vzduch sotva prúdil (a mimochodom, prevádzkyschopnosť prívodného potrubia je potrebné skontrolovať ponorením do vody. Pretože hustota alkálie je 2,7, musí byť ponorené do zodpovedajúcej väčšej hĺbky.Nie je potrebná úplná tesnosť, hlavné je, že aj v takej hĺbke niečo zurčí z konca trubice.

Predbežné opatrenia

Ďalej nasleduje práca s alkalickou taveninou. Ako vysvetliť, čo je tavenina zásady? Dostalo sa vám do očí mydlo? Nepríjemné, však? Roztavený NaOH je tiež mydlo, ohriate iba na 400 stupňov a stonásobne leptavejšie.

Pri práci s roztavenou zásadou sú prísne potrebné ochranné opatrenia!

Po prvé, dobré ochranné okuliare sú nevyhnutné... Som krátkozraký, a tak som mal na sebe dva okuliare - na vrchu plastové ochranné a pod nimi sklo. Ochranné okuliare musia chrániť pred striekaním nielen spredu, ale aj zboku. V takejto munícii som sa cítil bezpečne. Napriek ochranným okuliarom sa neodporúča vôbec približovať svoju tvár k zariadeniu.

Okrem očí je potrebné chrániť aj ruky. Všetko som robil veľmi úhľadne, takže som sa už nakoniec „zvládol“ a pracoval v tričku. Je to užitočné, pretože niekedy aj tie najmenšie postriekania zásadami, ktoré sa vám dostanú do rúk, spôsobia popálenie, ktoré vám niekoľko dní nedovolí zabudnúť, s ktorou látkou sa stretávate.

Ale samozrejme, na rukách som mal rukavice. Po prvé, gumová domácnosť (nie najtenšia) a na vrchole nich - zo zadnej strany dlane trčia pupienkové pupienky. Navlhčil som ich vodou, aby som zvládal horúce predmety. V takom páre rukavíc sú ruky viac -menej chránené. Je však potrebné dávať pozor, aby vonkajšie rukavice neboli nikdy príliš mokré. Kvapka vody vstupujúca do elektrolytu okamžite vrie a elektrolyt veľmi dobre vystrekuje. Ak sa to stane (a mne sa to stalo trikrát), nastanú problémy s dýchacím systémom. V týchto prípadoch som okamžite zadržal dych bez toho, aby som dokončil vdýchnutie (cvičenie na kajaku pomáha v takýchto situáciách neprepadať panike) a vyhodil som z kuchyne, aby som zdvihol a pozdravil.

Vo všeobecnosti je na ochranu dýchacieho systému počas experimentu potrebná dobrá ventilácia. V mojom prípade to bol len prievan (bolo to v lete). V ideálnom prípade by to však mala byť kapucňa alebo otvorený vzduch.

Pretože striekaniu alkálií sa nedá vyhnúť, všetko v bezprostrednej blízkosti skla je do jedného alebo druhého stupňa pokryté zásadou. Ak to zvládnete holými rukami, môžete sa popáliť. Po dokončení experimentu musíte opláchnuť všetko vrátane rukavíc.

Aj pre prípad popálenia som mal vždy nablízku pripravenú nádobu s vodou a nádobu so zriedeným octom na neutralizáciu alkálií v prípade silného popálenia. Ocot, našťastie, nikdy neprišiel vhod, a nemôžem povedať, či sa ho vôbec oplatí používať. V prípade popálenia zásadu ihneď umyte veľkým množstvom vody. Existuje aj ľudový liek na popáleniny - moč. Zdá sa, že to tiež pomáha.

Vlastne práca s živlom

Nalejte suchý NaOH do pohára (kúpil som si Digger na čistenie potrubí). Môžete pridať MgO a ďalšie prísady ako CaCO3 (zubný prášok alebo krieda) alebo MgCO3 (nechal som MgO vyťažiť priateľmi). Zapálime horák a zohrejeme ho. Pretože je NaOH extrémne hygroskopický, musíte to urobiť ihneď (a vrecko s NaOH pevne uzavrieť). Bolo by pekné zabezpečiť, aby bolo sklo obklopené teplom zo všetkých strán - prúd je VEĽMI silne závislý od teploty. To znamená, že vyrobíte improvizovanú spaľovaciu komoru a nasmerujete do nej plameň horáka (musíte sa tiež uistiť, že nádoba na horáku nevybuchne, podľa môjho názoru sú tieto horáky z tohto hľadiska zle vyrobené, pretože som už napísal, na to musíte horúce plyny nedostať na plechovku a je lepšie ju udržiavať v normálnej polohe, a nie „hore nohami“).
Niekedy je vhodné priviesť plameň horáka zhora, ale to je potom, čo sa všetko roztopí. Potom sa súčasne zahrieva výbojka, výbojková elektróda (a cez ňu uhlie), horná časť skla, kde je väčšina vzduchových bublín). Ak ma pamäť neklame, najväčší výsledok sa dosiahol týmto spôsobom.

Po určitom čase sa zásada začne topiť a jej objem sa zníži. Je potrebné naliať prášok tak, aby bol pohár na 2/3 plný na výšku (zásada vytečie kvôli kapiláru a striekaniu). Rúrka na prívod vzduchu mi nefungovala dobre (v dôsledku tepelnej rozťažnosti sa medzery a netesnosti zväčšia a v dôsledku dobrého rozptylu tepla v nich môže zásada stuhnúť). Niekedy vzduch prestal úplne prúdiť. Aby som to napravil, urobil som nasledujúce:
1. fúkanie. (dočasné úhľadné zvýšenie dodávky vzduchu)
2. Vstaň. (bude menší tlak a vzduch vytlačí alkalický stĺpec z
potrubia)
3. Zahrievanie (vyberte ho zo skla a zohrejte horákom, aby sa zásada vo vnútri rozprašovača rozpustila).

Bunka vo všeobecnosti začína dobre fungovať pri červenom teple (zásada začne žiariť). V tom istom čase začne prúdiť pena (to je CO2) a záblesky počujú praskanie (či je to vodík, alebo horí CO, stále nechápem).
Z prvku sa mi podarilo dosiahnuť maximálny výkon 0,025 W / cm2 alebo celkovo 0,176 W s odporom zaťaženia 1,1 Ohm. Súčasne som meral prúd ampérmetrom. A bolo možné zmerať pokles napätia na záťaži.

Degenerácia elektrolytov

Prvok má zlú vedľajšiu reakciu

NaOH + CO2 = Na2CO3 + H20.

To znamená, že po určitom čase (desiatky minút) všetko zamrzne (teplota topenia sódy - nepamätám si, ale asi 800). Nejaký čas sa to dá prekonať pridaním ďalších zásad, ale nakoniec to nevadí - elektrolyt stuhne. Aby ste tomu zabránili, pozrite sa na ďalšie stránky na tomto webe, začínajúc stránkou o UTE. Vo všeobecnosti môžete používať NaOH bez ohľadu na tento problém, o čom písal Jacot vo svojom patente. Pretože existujú spôsoby, ako získať NaOH z Na2CO3. Napríklad vytesnenie nehaseného vápna reakciou Na2CO3 + CaOH = 2NaOH + CaCO3, po ktorej je možné CaCO3 kalcinovať a znova získate CaO. Je pravda, že táto metóda je veľmi energeticky náročná a celková účinnosť prvku veľmi klesne a zložitosť sa zvýši. Preto si myslím, že stále musíte hľadať stabilné zloženie elektrolytov, ktoré bolo nájdené v SARA. Je celkom možné, že sa to dá dosiahnuť nájdením patentových prihlášok SARA v databáze amerického patentového úradu (http://www.uspto.gov), najmä preto, že v minulom čase im už mohli byť udelené patenty. Moje ruky však ešte nedosiahli. V skutočnosti sa táto myšlienka objavila iba počas prípravy týchto materiálov. Zdá sa, že čoskoro to urobím.

Výsledky, myšlienky a závery

Tu sa môžem trochu zopakovať. Môžete začať so železom namiesto striebra. Keď som sa pokúsil použiť darebáka
vyrobené z nehrdzavejúcej ocele, urobil som to zle. Teraz chápem, že prvým dôvodom je nízka teplota a veľká medzera medzi elektródami. Jacques vo svojom článku píše, že zlá práca so železom je spôsobená tým, že olej horí do železa a vytvára sa druhá uhlíková elektróda, takže musíte veľmi starostlivo vyčistiť žehličku od najmenších stôp ropy a tiež používať železo
nízkouhlíkové. Možno áno, ale stále si myslím, že je tu ešte jeden, dôležitejší dôvod. Železo je prvok s premenlivou valenciou. Rozpúšťa sa a vytvára „skrat“. Podporuje to aj zmena farby. Pri použití striebra sa farba elektrolytu nemení (striebro je najodolnejším kovom voči pôsobeniu roztavených zásad). O
pomocou železa elektrolyt zhnedne. Pri použití striebra napätie otvoreného obvodu dosiahne 0,9V a vyššie. Pri použití hardvéru - oveľa menej (nepamätám si presne, ale nie viac ako 0,6 V). Čo sa týka hardvéru, ktorý potrebujete, aby všetko fungovalo dobre, je tu ďalšia stránka. Trochu viac - o vodnej pare, o ktorej píše SARA. Na jednej strane je to dobré pre všetkých (teoreticky): nedovoľuje, aby sa železo dostalo do roztoku (rozkladná reakcia ferátov je známa alkalické kovy horúca voda, niečo ako Na2FeO4 + H2O = 2NaOH + Fe2O3) a zdá sa, že posúva rovnováhu v zlej vedľajšej reakcii. Pozrel som sa na termodynamiku reakcie NaOH + CO2 = Na2CO3 + H2O pomocou online programu F * A * C * T (http://www.crct.polymtl.ca/FACT/index.php) Pri všetkých teplotách sa rovnováha v ňom je veľmi posunutá doprava, to znamená, že je nepravdepodobné, že by voda významne vytlačila oxid uhličitý zo zlúčeniny s oxidom sodným. Je možné, že sa situácia zmení v zliatine NaOH-Na2CO3, alebo sa vytvorí akýsi vodný roztok, ale neviem, ako to zistiť. Myslím si, že v tomto prípade je prax kritériom pravdy.

Hlavnou vecou, ​​s ktorou sa možno stretnúť pri vykonávaní experimentov s parou, je kondenzácia. Ak niekde na ceste z miesta, kde voda vstupuje do vzduchového potrubia, teplota akejkoľvek steny klesne pod 100 ° C, voda môže kondenzovať a potom sa prúdom vzduchu vo forme kvapôčky dostane do zásady. Je to veľmi nebezpečné a treba sa tomu vyvarovať zo všetkých síl. Je obzvlášť nebezpečné, že teplotu stien nie je možné tak ľahko merať. Sám som sa nesnažil s parou nič urobiť.

Vo všeobecnosti samozrejme musíte túto prácu vykonávať nie v byte, ale prinajmenšom v krajine, a okamžite vytvoriť prvok väčšej veľkosti. Na to budete samozrejme potrebovať väčšiu pec na spaľovanie, veľkú „pec“ na vykurovanie prvku a ďalšie suroviny. Ale bude oveľa pohodlnejšie pracovať so všetkými detailmi. To platí najmä pre zariadenie samotného prvku, na ktoré som nemal kryt. Výroba veľkého veka je oveľa jednoduchšia ako výroba malého.

O striebre. Striebro, samozrejme, nie je také lacné. Ale ak urobíte striebornú elektródu dostatočne tenkou, strieborná bunka môže byť nákladovo efektívna. Predpokladajme napríklad, že sa nám podarilo vyrobiť elektródu s hrúbkou 0,1 mm. S plasticitou a kujnosťou striebra to bude jednoduché (striebro je možné ťahať cez kotúče do veľmi tenkej fólie a dokonca som to chcel urobiť, ale kotúče neboli). S hustotou asi 10 g / cm ^ 3 stojí jeden centimeter kubický striebra asi 150 rubľov. Poskytne 100 centimetrov štvorcových povrchu elektródy. Ak vezmete dve ploché uhlie a umiestnite medzi ne striebornú platňu, môžete získať 200 cm ^ 2. S hustotou výkonu, ktorú som dosiahol pri 0,025 W / cm ^ 2, je výkon 5 wattov alebo 30 rubľov na watt alebo 30 000 rubľov na kilowatt. Vzhľadom na jednoduchosť konštrukcie možno očakávať, že zostávajúce komponenty kilowattového prvku (sporák, vzduchové čerpadlo) budú výrazne lacnejšie. V tomto prípade môže byť telo vyrobené z porcelánu, ktorý je relatívne odolný voči tavenine zásady. Vďaka tomu nebude ani v porovnaní s benzínovými elektrárňami s nízkym výkonom príliš drahý. A solárne panely s veternými turbínami a termoelektrickými generátormi odpočívajú ďaleko za sebou. Na ďalšie zníženie ceny môžete skúsiť vyrobiť nádobu z postriebrenej medi. V tomto prípade bude strieborná vrstva 100-1 000-krát tenšia. Je pravda, že moje experimenty s kuprónovou lyžicou skončili neúspešne, takže nie je jasné, ako dlho bude strieborný povlak. To znamená, že dokonca aj použitie striebra otvára celkom dobré vyhliadky. Jediná vec, ktorá tu môže byť neúspešná, je, ak striebro nie je dostatočne vytrvalé.

Viac o materiáloch puzdra. Údajne majú počas prevádzky prvku veľký význam peroxidy sodíka, napríklad Na2O2, ktorý by mal vznikať pri vháňaní vzduchu do NaOH. Pri vysokých teplotách peroxid koroduje takmer všetky látky. Vykonali sa experimenty na meranie úbytku hmotnosti téglikov vyrobených z rôznych materiálov, ktoré obsahovali taveninu peroxidu sodného. Najodolnejší bol zirkónium, za ním nasledovalo železo, potom nikel a potom porcelán. Striebro sa nedostalo do prvej štvorky. Žiaľ, už si presne nepamätám, ako stabilné je striebro. Tam sa tiež písalo o dobrej odolnosti Al2O3 a MgO. Ale druhé miesto, ktorým je železo, vzbudzuje optimizmus.

To je v skutočnosti všetko.

Palivový článok je zariadenie na premenu elektrochemickej energie, ktoré chemicky premieňa vodík a kyslík na elektrickú energiu. V dôsledku tohto procesu vzniká voda a vzniká veľké množstvo tepla. Palivový článok je veľmi podobný batérii, ktorú je možné nabiť a potom spotrebovať uloženou elektrickou energiou.
Za vynálezcu palivového článku sa považuje William R. Grove, ktorý ho vynašiel už v roku 1839. V tomto palivovom článku bol ako elektrolyt použitý roztok kyseliny sírovej a ako palivo bol použitý vodík, ktorý sa kombinoval s kyslíkom. v oxidačnom médiu. Treba poznamenať, že donedávna sa palivové články používali iba v laboratóriách a na kozmických lodiach.
V budúcnosti budú palivové články schopné konkurovať mnohým ďalším systémom na premenu energie (vrátane plynovej turbíny v elektrárňach) spaľovacích motorov v automobile a elektrických batérií v prenosných zariadeniach. Spaľovacie motory spaľujú palivo a na mechanickú prácu používajú tlak vytvorený expanziou spalín. Batérie uchovávajú elektrickú energiu a premieňajú ju na chemickú energiu, ktorú je možné v prípade potreby premeniť späť na elektrickú energiu. Palivové články sú potenciálne veľmi účinné. V roku 1824 francúzsky vedec Carnot dokázal, že kompresne-expanzné cykly spaľovacieho motora nedokážu poskytnúť účinnosť premeny tepelnej energie (ktorá je chemickou energiou spaľujúceho paliva) na mechanickú energiu nad 50%. Palivový článok nemá žiadne pohyblivé časti (aspoň v samotnom článku), a preto sa neriadi Carnotovým zákonom. Prirodzene, budú mať viac ako 50% účinnosť a sú obzvlášť účinné pri nízkom zaťažení. Vozidlá s palivovými článkami sú teda pripravené (a už sa ukázalo, že sú) aj palivovo účinnejšie než konvenčné vozidlá v skutočných jazdných podmienkach.
Palivový článok generuje elektrický prúd s konštantným napätím, ktorý je možné použiť na pohon elektromotora, osvetľovacích zariadení a ďalších elektrických systémov vo vozidle. Existuje niekoľko typov palivových článkov, ktoré sa líšia použitými chemickými procesmi. Palivové články sú zvyčajne klasifikované podľa typu použitého elektrolytu. Niektoré typy palivových článkov sú sľubné na použitie ako elektrárne pre elektrárne, zatiaľ čo iné môžu byť užitočné pre malé prenosné zariadenia alebo pre riadenie automobilov.
Alkalický palivový článok je jedným z najskôr vyvinutých článkov. V americkom vesmírnom programe sa používajú od 60. rokov minulého storočia. Také palivové články sú veľmi náchylné na kontamináciu, a preto vyžadujú veľmi čistý vodík a kyslík. Okrem toho sú veľmi drahé, a preto je nepravdepodobné, že by tento typ palivových článkov našiel široké využitie v automobiloch.
Palivové články na báze kyseliny fosforečnej je možné použiť v stacionárnych inštaláciách s nízkym výkonom. Pracujú pri pomerne vysokej teplote, a preto sa dlho zohrievajú, čo ich tiež robí neúčinnými pre použitie v automobiloch.
Palivové články na tuhé oxidy sú vhodnejšie pre veľké stacionárne generátory energie, ktoré by mohli napájať továrne alebo komunity. Tento typ palivového článku pracuje pri veľmi vysokých teplotách (okolo 1 000 ° C). Vysoká prevádzková teplota spôsobuje určité problémy, ale na druhej strane je tu výhoda - paru produkovanú palivovým článkom je možné posielať do turbín na výrobu väčšieho množstva elektrickej energie. Vo všeobecnosti to zlepšuje celkovú účinnosť systému.
Jedným z najsľubnejších systémov je membránový palivový článok Protone Exchange (PEMFC). V súčasnosti je tento typ palivových článkov najsľubnejší, pretože dokáže poháňať autá, autobusy a iné vozidlá.

Chemické procesy v palivovom článku

Palivové články používajú elektrochemický proces na kombináciu vodíka s kyslíkom zo vzduchu. Rovnako ako batérie, palivové články používajú elektródy (pevné elektrické vodiče) v elektrolyte (elektricky vodivé médium). Keď sa molekuly vodíka dostanú do kontaktu s negatívnou elektródou (anódou), rozdelia sa na protóny a elektróny. Protóny prechádzajú cez protónovú výmennú membránu (PEM) na kladnú elektródu (katódu) palivového článku a vyrábajú elektrickú energiu. Ako vedľajší produkt tejto reakcie existuje chemická kombinácia molekúl vodíka a kyslíka s tvorbou vody. Jedinou emisiou z palivového článku sú vodné pary.
Elektrická energia vyrobená palivovými článkami môže byť použitá v elektrickom prevode vozidla (pozostávajúcom z elektrického meniča a indukčného motora na striedavý prúd) na výrobu mechanickej energie na pohon vozidla. Úlohou meniča elektrickej energie je premena jednosmerného elektrického prúdu produkovaného palivovými článkami na striedavý prúd, ktorý poháňa trakčný motor vozidla.

Schéma palivového článku s membránou na výmenu protónov:
1 - anóda;
2 - membrána na výmenu protónov (PEM);
3 - katalyzátor (červený);
4 - katóda

Membránový palivový článok s protónovou výmenou (PEMFC) používa jednu z najjednoduchších reakcií zo všetkých palivových článkov.

Samostatný palivový článok

Zoberme si, ako funguje palivový článok. Anóda, negatívny pól palivového článku, vedie elektróny, ktoré sú zbavené molekúl vodíka, aby ich bolo možné použiť vo vonkajšom elektrickom obvode (obvode). Za týmto účelom sú do neho vyryté kanály, ktoré distribuujú vodík rovnomerne po celom povrchu katalyzátora. Katóda (kladný pól palivového článku) má vyryté kanály, ktoré distribuujú kyslík po povrchu katalyzátora. Tiež vedie elektróny späť z vonkajšej slučky (obvodu) do katalyzátora, kde sa môžu kombinovať s vodíkovými iónmi a kyslíkom za vzniku vody. Elektrolyt je membrána na výmenu protónov. Je to špeciálny materiál, podobný bežnému plastu, ale so schopnosťou prechádzať kladne nabitými iónmi a blokovať prechod elektrónov.
Katalyzátor je špeciálny materiál, ktorý uľahčuje reakciu medzi kyslíkom a vodíkom. Katalyzátor je zvyčajne vyrobený z platinového prášku potiahnutého veľmi tenkou vrstvou na uhlíkový papier alebo tkaninu. Katalyzátor musí byť drsný a porézny, aby bol jeho povrch v maximálnom kontakte s vodíkom a kyslíkom. Strana katalyzátora potiahnutá platinou je pred membránou protónovej výmeny (PEM).
Plynný vodík (H 2) je do palivového článku dodávaný pod tlakom zo strany anódy. Keď sa molekula H2 dostane do kontaktu s platinou na katalyzátore, rozdelí sa na dve časti, dva ióny (H +) a dva elektróny (e–). Elektróny sú vedené anódou, kde prechádzajú vonkajšou slučkou (obvodom), aby vykonali užitočnú prácu (napríklad riadenie elektrického motora) a vrátili sa z katódovej strany palivového článku.
Medzitým je na katódovej strane palivového článku plynný kyslík (O 2) pretlačený cez katalyzátor, kde vytvára dva atómy kyslíka. Každý z týchto atómov má silný negatívny náboj, ktorý priťahuje dva ióny H + cez membránu, kde sa spoja s atómom kyslíka a dvoma elektrónmi z vonkajšieho obvodu (reťazca) za vzniku molekuly vody (H 2 O).
Táto reakcia v jednom palivovom článku produkuje približne 0,7 wattu energie. Na zvýšenie výkonu na požadovanú úroveň je potrebné skombinovať mnoho samostatných palivových článkov a vytvoriť tak zväzok palivových článkov.
Palivové články POM pracujú pri relatívne nízkej teplote (okolo 80 ° C), čo znamená, že sa dajú rýchlo zahriať na prevádzkovú teplotu a nevyžadujú drahé chladiace systémy. Neustále zlepšovanie technológií a materiálov použitých v týchto článkoch priblížilo ich výkon na úroveň, keď batéria takýchto palivových článkov, ktorá zaberá malú časť kufra automobilu, môže poskytnúť energiu potrebnú na riadenie auta.
V posledných rokoch väčšina popredných svetových výrobcov automobilov výrazne investovala do dizajnu vozidiel s palivovými článkami. Mnohí už predviedli vozidlá s palivovými článkami s uspokojivým výkonom a dynamickým výkonom, aj keď boli dosť drahé.
Vylepšovanie dizajnu takýchto vozidiel prebieha veľmi intenzívne.

Vozidlo s palivovými článkami používa elektráreň umiestnenú pod podlahou vozidla

Automobil NECAR V je vyrobený na základe automobilu triedy Mercedes-Benz A a celá elektráreň spolu s palivovými článkami je umiestnená pod podlahou automobilu. Takéto konštruktívne riešenie umožňuje do auta umiestniť štyroch pasažierov a batožinu. Tu sa ako palivo do auta nepoužíva vodík, ale metanol. Metanol sa na vodík premieňa reformátorom (zariadenie, ktoré premieňa metanol na vodík) na pohon palivových článkov. Použitie reformátora na palube vozidla umožňuje použiť ako palivo takmer akýkoľvek uhľovodík, čo umožňuje tankovať vozidlo s palivovými článkami pomocou existujúcej siete čerpacích staníc. Palivové články teoreticky nevyrábajú nič iné ako elektrinu a vodu. Premena paliva (benzínu alebo metanolu) na vodík, ktorý je potrebný pre palivový článok, do istej miery znižuje príťažlivosť takéhoto auta pre životné prostredie.
Spoločnosť Honda, ktorá sa palivovým článkom zaoberá od roku 1989, vyrobila v roku 2003 malú dávku Hondy FCX-V4 s membránovými palivovými článkami Ballard s protónovou výmenou. Tieto palivové články generujú 78 kW elektrického výkonu, pričom na pohon hnacích kolies slúžia trakčné motory s výkonom 60 kW a krútiacim momentom 272 Nm. Má vynikajúcu dynamiku a dodávka stlačeného vodíka umožňuje rozbehnúť do 355 km.

Automobil Honda FСX využíva na pohyb elektrickú energiu získavanú pomocou palivových článkov.
Honda FCX je prvým vozidlom s palivovými článkami na svete, ktoré získalo americkú vládnu certifikáciu. Vozidlo je certifikované ZEV - Zero Emission Vehicle. Honda sa tieto autá zatiaľ nechystá predávať, ale prenajíma zhruba 30 automobilov v kusoch. Kalifornia a Tokio, kde už existuje infraštruktúra na tankovanie vodíka.

Koncepčný automobil Hy Wire spoločnosti General Motors je vybavený pohonným ústrojenstvom s palivovými článkami

General Motors vykonáva rozsiahly výskum vývoja a výroby vozidiel s palivovými článkami.

Podvozok automobilu Hy Wire

Koncepčné auto GM Hy Wire získalo 26 patentov. Základom auta je 150 mm hrubá funkčná platforma. Vnútri platformy sú vodíkové fľaše, elektráreň s palivovými článkami a riadiace systémy vozidla využívajúce najnovšiu technológiu elektronického riadenia po drôte. Podvozok Hy Wire je tenká platforma, ktorá obklopuje všetky hlavné konštrukčné prvky vozidla: nádrže na vodík, palivové články, batérie, elektromotory a riadiace systémy. Tento prístup k návrhu umožňuje výmenu karosérií počas prevádzky. Spoločnosť testuje aj prototypy vozidiel s palivovými článkami Opel a navrhuje závod na palivové články.

Konštrukcia palivovej nádrže bezpečnej pre skvapalnený vodík:
1 - plniace zariadenie;
2 - externá nádrž;
3 - podpery;
4 - hladinový senzor;
5 - vnútorná nádrž;
6 - plniaca linka;
7 - izolácia a vákuum;
8 - ohrievač;
9 - montážna krabica

BMW venuje veľkú pozornosť problému využívania vodíka ako paliva pre automobily. Spolu s Magnou Steyerovou, známou svojou prácou o využití skvapalneného vodíka pri prieskume vesmíru, vyvinula spoločnosť BMW nádrž na skvapalnený vodík, ktorú je možné použiť v automobiloch.

Testy potvrdili bezpečnosť používania nádrže na kvapalné vodíkové palivo

Spoločnosť vykonala sériu testov bezpečnosti stavby pomocou štandardných metód a potvrdila jej spoľahlivosť.
V roku 2002 bol na autosalóne vo Frankfurte (Nemecko) predstavený Mini Cooper Hydrogen, ktorý ako palivo používa skvapalnený vodík. Palivová nádrž tohto vozidla zaberá rovnaký priestor ako bežná plynová nádrž. Vodík v tomto aute sa nepoužíva na palivové články, ale ako palivo pre spaľovací motor.

Prvé sériové vozidlo na svete s palivovým článkom namiesto batérie

V roku 2003 oznámila spoločnosť BMW výrobu prvého sériového vozidla s palivovým článkom, BMW 750 hL. Namiesto tradičnej batérie sa používa palivový článok. Toto auto má 12-valcový spaľovací motor poháňaný vodíkom a palivový článok slúži ako alternatíva k bežnej batérii, ktorá umožňuje prevádzke klimatizácie a ďalších elektrických spotrebičov, keď auto dlhší čas nepracuje.

Tankovanie vodíka vykonáva robot, vodič sa do tohto procesu nezapája

Tá istá spoločnosť BMW vyvinula aj robotické výdajné stojany na palivo, ktoré zaisťujú rýchle a bezpečné tankovanie skvapalneného vodíka do automobilov.
Veľký počet vývojov v posledných rokoch zameraných na výrobu vozidiel využívajúcich alternatívne palivá a alternatívne elektrárne naznačuje, že spaľovacie motory, ktoré v minulom storočí dominovali automobilom, nakoniec ustúpia čistším, ekologickejším a tichším prevedeniam. Ich široká distribúcia nie je v súčasnosti obmedzovaná technickými, ale skôr ekonomickými a sociálnymi problémami. Pre ich široké využitie je potrebné vytvoriť určitú infraštruktúru pre rozvoj výroby alternatívnych palív, tvorbu a distribúciu nových čerpacích staníc a prekonať množstvo psychologických bariér. Použitie vodíka ako paliva vo vozidle si bude vyžadovať vážne problémy s skladovaním, dodávkou a distribúciou.
Vodík je teoreticky k dispozícii v neobmedzenom množstve, ale jeho výroba je energeticky veľmi náročná. Okrem toho je na prenos automobilov na prácu na vodíkové palivo potrebné vykonať dve hlavné zmeny v energetickom systéme: najskôr prenos jeho prevádzky z benzínu na metanol a potom na určitý čas na vodík. Riešenie tohto problému bude nejaký čas trvať.

Horizon: Zero Dawn | 2017-03-14

Horizon: Zero Dawn má 5 palivových článkov na dokončenie úlohy Staroveký arzenál za ktoré dať Štítová tkáčka- najlepšia sada brnení v hre.

Lokality palivových článkov Horizon: Zero Dawn

Prvú batériu nájdete na začiatku hry. Musíš ísť do Ruin ktorú si Eloy pamätá z detstva. Na mape je tento bod označený zelenou značkou a musíte si k nemu udržať cestu. Do ruín sa dá vstúpiť malým otvorom v zemi. Vašou úlohou je dostať sa na prvú úroveň.

Stratiť sa v ruinách je takmer nemožné, ale buďte mimoriadne opatrní. Niekedy musíte ísť dole schodmi, nájsť dvere a rozbiť stalaktity.

Palivový článok je na stole a má zelenú ikonu.

Druhá položka sa dá nájsť po absolvovanie misie „Srdce Nory“... Na začiatku nájdete dvere s vypínačom, použite ich, odomknite dvere a pokračujte v ceste. Odbočte doprava a potom choďte k dverám, ktoré sú vpredu.

Potom nájdete holo-zámok, ktorý nebudete môcť otvoriť. Naľavo od neho vidíte dieru so sviečkami vo vnútri. Pohybujte sa týmto smerom a čoskoro nájdete prvok ležiaci na zemi.

Tretí prvok nájdete počas misie. „Majstrovský dosah“... Jednou z úloh misie bude vyliezť na vysokú budovu. A keď už budete na vrchole, dostanete novú úlohu - nájsť informácie v kancelárii Faro.

Keď prídete na správne miesto, nenasledujte dopredu. Otočte sa a vylezte na stenu vpredu. Po nájdení palivového článku ho môžete vložiť do svojho inventára a pokračovať v úlohe.

Štvrtý palivový článok

Štvrtý prvok nájdete v procese dokončenia misie „Poklad smrti“... Potom, čo vyriešite problém so zámkami, choďte na tretie poschodie, postupujte po schodisku a čoskoro nájdete správne miesto. Vľavo na chodbe budú dvere s holo-zámkom. Vnútri tejto miestnosti je palivový článok.

Piaty prvok nájdete v priebehu misie. "Padnutá hora"... V určitom okamihu sa ocitnete v obrovskej jaskyni, po ktorej by ste nemali ísť dole úplne na dno. Otočte sa a uvidíte pred sebou skalu, na ktorú musíte vyliezť. V hornej časti uvidíte tunel s purpurovou žiarou, vojdite do neho a postupujte až na úplný koniec. Na poličke na vás bude čakať potravinová jednotka.

Veľmi skoro (presnejšie na začiatku svojho vzrušujúceho dobrodružstva) hlavná postava narazí na bunker Forerunner, ktorý sa nachádza veľmi blízko krajín kmeňa Nora. Vnútri tohto starobylého bunkra, za výkonnými a špičkovými dverami, bude pancier uzavretý, pričom už z diaľky bude pôsobiť nielen dôstojne, ale aj veľmi atraktívne. Brnenie sa nazýva „Shieldweaver“ a je to vlastne najlepšie vybavenie v hre. Preto okamžite vyvstáva veľa otázok: „Ako nájsť a získať brnenie Shield Weaver?“, „Kde nájsť palivo?“, „Ako otvoriť dvere bunkra?“ a mnoho ďalších otázok týkajúcich sa tej istej témy. Aby ste teda mohli otvoriť dvere bunkra a získať vytúžené brnenie, musíte nájsť päť palivových článkov, ktoré budú zase roztrúsené po celom hernom svete. Ďalej vám poviem, kde a ako nájsť palivové články na riešenie hádaniek počas hľadania a v starovekom arzenáli.

: Predložený sprievodca má nielen podrobný textový návod, ale ku každému palivovému článku sú priložené aj snímky obrazovky a na konci je video. Toto všetko bolo vytvorené za účelom uľahčenia vášho hľadania, takže ak nie je jasný nejaký bod v texte, odporúčam vám sledovať snímky obrazovky a video.

... Prvé palivo - „Srdce matky“

Kde a ako nájsť prvý palivový článok - umiestnenie paliva.

Eloy bude teda môcť nájsť úplne prvý palivový článok (alebo jednoduchšie palivo) dlho pred vstupom do otvoreného sveta na misii „Materské lono“. Pointa je, že po úlohe „Zasvätenie“ (ktorá mimochodom odkazuje aj na dejovú líniu) sa hlavná postava ocitne na mieste zvanom „Srdce matky“, ktoré je posvätným miestom kmeňa Nora a príbytok Matriarchov.

Akonáhle dievča vstane z postele, postupne prejdite niekoľkými miestnosťami (miestnosťami), kde v jednej z nich narazíte na zapečatené dvere, ktoré jednoducho nemôžete otvoriť. V tejto chvíli dôrazne odporúčam, aby ste sa rozhliadli, pretože vedľa hrdinky (alebo v blízkosti dverí - ako je to pohodlnejšie) je vetracia šachta, navyše zdobená horiacimi sviečkami (vo všeobecnosti ju potrebujete tu) .

Potom, čo miniete určitý segment cesty pozdĺž ventilačnej šachty, sa hrdinka ocitne za zamknutými dverami. Pozrite sa na podlahu vedľa nástenného bloku a tajomné sviečky - tu leží prvý palivový článok.

: Nezabudnite, že ak nevyberiete prvý palivový článok pred vstupom do otvoreného sveta, potom sa na toto miesto dostanete iba v neskorších fázach priechodu. Ale aby som bol presnejší, po splnení úlohy „Heart of the Burrow“ preto odporúčam načerpať palivo už teraz.

... Druhé palivo - „Ruiny“

Kde a ako nájsť druhý palivový článok - umiestnenie paliva.

Prvá vec, ktorú musíte vedieť pri hľadaní druhého paliva: hlavná postava už bola na tomto mieste, keď už dávno ako dieťa upadla do ruín (na úplnom začiatku hry). Takže po dokončení úlohy "Zasvätenie" si budete musieť spomenúť na svoje hlboké detstvo a znova ísť na toto miesto, aby ste získali druhý palivový článok.

Nasleduje niekoľko fotografií (snímky obrazovky). Prvý obrázok ukazuje vchod do ruín (červenou farbou). Vo vnútri ruín sa budete musieť dostať na prvú úroveň - to je pravá dolná časť, ktorá bude na mape zvýraznená fialovou farbou. Okrem toho tu budú aj dvere, ktoré môže dievča otvoriť kopijou.

Hneď ako Aloy prejde dverami, vylezte po schodoch vyššie a čo najskôr sa otočte na pravú stranu: v hlbokej mladosti sa Aloy nemohla plaziť cez stalaktity, ale teraz má užitočné „hračky“, s ktorými si poradí akúkoľvek úlohu. Vyberte teda oštep a rozlomte ním stalaktity. Cesta bude čoskoro jasná, takže zostáva zobrať palivový článok, ktorý je na stole, a ísť na ďalší. Ak nejaký moment z priechodu nie je jasný, potom sú v poradí uvedené nižšie screenshoty.

... Tretie palivo - „majstrovský dosah“

Kde a ako nájsť tretí palivový článok - umiestnenie paliva.

Je čas vydať sa na sever. Počas priechodu úlohy „Dosah pána“ bude Aloy musieť starostlivo preskúmať a študovať obrovské zrúcaniny predchodcov. Takže v týchto ruinách na dvanástej úrovni bude skrytý ďalší, tretí palivový článok.

Preto budete musieť vyliezť nielen na hornú úroveň týchto zrúcanín, ale aj tam sa vyšplhať ešte o niečo vyššie. Nestrácajte drahocenný čas a vylezte vyššie po zachovanej časti budovy. Vylezte hore, až sa ocitnete na malej ploche otvorenej všetkým vetrom. Potom je všetko jednoduché, pretože tretí prvok paliva bude ležať na vrchole: žiadne hádanky, žiadne hádanky a tajomstvá. Vezmite si teda palivo, zostúpte a pokračujte.

... Štvrté palivo - „Poklad smrti“

Kde a ako nájsť štvrtý palivový článok - umiestnenie paliva.

Dobrou správou je, že tento palivový článok sa nachádza aj v severnej časti mapy Horizon: Zero Dawn, ale o niečo bližšie k krajinám kmeňa Nora. Hlavná postava sa k tejto časti mapy opäť dostane počas pasáže ďalšej dejovej úlohy. Kým sa však Eloy dostane k predposlednému palivovému článku, bude musieť obnoviť napájanie zapečatených dverí, ktoré sa nachádzajú na tretej úrovni miesta. Navyše to bude vyžadovať vyriešenie malej a nie príliš ťažkej hádanky. Puzzle je spojené s blokmi a regulátormi (na úrovni pod dverami sú dva bloky po štyroch regulátoroch). Na začiatok preto odporúčam, aby ste sa zaoberali ľavým blokom regulátorov: prvý regulátor by mal byť zdvihnutý (pozerať sa) hore, druhý - vpravo, tretí - vľavo a štvrtý - nadol.

Potom choďte do bloku na pravej strane. Nedotýkajte sa prvých dvoch gombíkov, ale tretí a štvrtý gombík by ste mali otočiť. Choďte preto o úroveň vyššie - tu je posledný blok regulátorov. Správne poradie by vyzeralo takto: 1 - hore, 2 - dole, 3 - vľavo, 4 - vpravo.

Akonáhle to správne pochopíte, gombíky sa zmenia z bielych na tyrkysové. Tým sa obnoví napájanie. Vráťte sa teda k dverám a otvorte ich. Za dverami hrdinku „pozdraví“ predposledný palivový článok, takže bude možné vyraziť na ďalšie, posledné palivo.

... Piate palivo - „GAYA Prime“

Kde a ako nájsť piaty palivový článok - umiestnenie paliva.

Nakoniec posledný palivový článok. A opäť ho môžete získať iba počas prechodu deja. Tentoraz bude musieť hlavná postava ísť do ruín s názvom „GAYA Prime“. V tomto mieste musíte venovať osobitnú pozornosť, keď sa ocitnete blízko tretej úrovne. Podstatné je, že v určitom okamihu bude dievča stáť pred atraktívnou priepasťou, do ktorej bude možné zostúpiť po lane, aj keď by sa tam nemalo chodiť.

Pred priepasťou by ste mali odbočiť doľava a najskôr preskúmať skrytú jaskyňu: bude možné sa do nej dostať, ak opatrne pôjdete dole svahom hory. Choďte dovnútra a potom sa posuňte vpred až do úplného konca. V poslednej miestnosti v miestnosti na pravej strane bude stojan, na ktorom je konečne umiestnený posledný palivový článok. Spolu s ním sa teraz môžete bezpečne vrátiť späť do bunkra a otvoriť všetky zámky, aby ste získali nádherné vybavenie.

... Ako sa dostať do starovekého arzenálu?

Teraz sa zostáva vrátiť do starovekého arzenálu a získať dlho očakávanú odmenu. Ak si nepamätáte chodby arzenálu, potom si pozrite nižšie uvedené snímky obrazovky, ktoré vám pomôžu zapamätať si celú cestu.

Keď sa dostanete na správne miesto a spustíte dole, vložte palivové články do prázdnych článkov. V dôsledku toho sa regulátory rozsvietia, takže budete musieť vyriešiť novú hádanku na otvorenie dverí. Prvý regulátor by teda mal smerovať nahor, druhý - doprava, tretí - nadol, štvrtý - doľava, piaty - nahor. Hneď ako urobíte všetko správne, dvere sa otvoria, ale tým to zďaleka nekončí.

Ďalej musíte odomknúť zámok (alebo úchytky) panciera - to je ďalšia jednoduchá hádanka týkajúca sa regulátorov, v ktorej budete musieť použiť zvyšné palivové články. Prvý gombík by mal byť otočený - doprava, druhý - doľava, tretí - hore, štvrtý - doprava, piaty - opäť doľava.

Konečne po všetkých týchto dlhých mukách bude možné vziať si brnenie. Shield Weaver je veľmi dobré zariadenie, vďaka ktorému je hlavný hrdina na chvíľu prakticky nezraniteľný. Najdôležitejšou vecou je neustále monitorovať farbu brnenia: ak sa brnenie leskne na bielo, potom je všetko v poriadku. Ak je červená, štít je preč.

Poháňa ich kozmická loď amerického Národného úradu pre letectvo a vesmír (NASA). Poskytujú elektrickú energiu počítačom Prvej národnej banky v Omahe. Používajú sa na niektoré verejné mestské autobusy v Chicagu.

Všetko sú to palivové články. Palivové články sú elektrochemické zariadenia, ktoré vyrábajú elektrickú energiu bez spaľovania - chemicky, podobne ako batérie. Jediným rozdielom je, že používajú iné chemikálie, vodík a kyslík, a produktom chemickej reakcie je voda. Je možné použiť aj zemný plyn, avšak pri použití uhľovodíkových palív je samozrejme určitá úroveň emisií oxidu uhličitého nevyhnutná.

Pretože palivové články môžu fungovať efektívne a bez škodlivých emisií, sú veľkým prísľubom udržateľného zdroja energie, ktorý pomôže znížiť emisie skleníkových plynov a iných znečisťujúcich látok. Hlavnou prekážkou rozsiahleho využívania palivových článkov sú ich vysoké náklady v porovnaní s inými zariadeniami, ktoré vyrábajú elektrickú energiu alebo poháňajú vozidlá.

História vývoja

Prvé palivové články predviedol Sir William Groves v roku 1839. Groves ukázal, že proces elektrolýzy - rozdelenie vody na vodík a kyslík elektrickým prúdom - je reverzibilný. To znamená, že vodík a kyslík je možné chemicky kombinovať za vzniku elektriny.

Potom, čo sa to ukázalo, sa mnohí vedci ponáhľali so zanietením študovať palivové články, ale vynález spaľovacieho motora a rozvoj infraštruktúry na ťažbu zásob ropy v druhej polovici devätnásteho storočia zanechal vývoj palivových článkov ďaleko za sebou. . Vývoj palivových článkov bol ďalej obmedzovaný ich vysokými nákladmi.

Rozvoj vývoja palivových článkov nastal v päťdesiatych rokoch minulého storočia, keď sa na ne NASA obrátila v súvislosti so vznikajúcou potrebou kompaktného elektrického generátora pre lety do vesmíru... Finančné prostriedky boli investované a v dôsledku toho sa lety Apollo a Gemini uskutočnili na palivové články. Vesmírne lode sú poháňané aj palivovými článkami.

Palivové články sú stále prevažne experimentálnou technológiou, ale niekoľko spoločností ich už predáva na komerčnom trhu. Len za posledných takmer desať rokov došlo v komerčnej technológii palivových článkov k významnému pokroku.

Ako funguje palivový článok

Palivové články sú ako akumulátory - vyrábajú elektrickú energiu chemickou reakciou. Naproti tomu spaľovacie motory spaľujú palivo a tým generujú teplo, ktoré sa potom premieňa na mechanickú energiu. Pokiaľ nie je teplo z výfukových plynov nejakým spôsobom využité (napríklad na vykurovanie alebo klimatizáciu), potom možno povedať, že účinnosť spaľovacieho motora je dosť nízka. Očakáva sa napríklad, že účinnosť palivových článkov vo vozidle - projekt, ktorý je v súčasnosti vo vývoji - bude viac ako dvojnásobkom účinnosti dnešných typických benzínových motorov používaných v automobiloch.

Aj keď batérie a palivové články vyrábajú elektrickú energiu chemicky, slúžia dvom úplne odlišným funkciám. Batérie sú zariadenia s uloženou energiou: elektrina, ktorú generujú, je výsledkom chemickej reakcie z látky, ktorá sa už v nich nachádza. Palivové články neukladajú energiu, ale časť energie z externe dodávaného paliva prevádzajú na elektrickú energiu. V tomto ohľade je palivový článok skôr ako konvenčná elektráreň.

Existuje niekoľko rôznych typov palivových článkov. Najjednoduchší palivový článok pozostáva zo špeciálnej membrány známej ako elektrolyt. Na obidve strany membrány sa nanesú práškové elektródy. Tento dizajn - elektrolyt obklopený dvoma elektródami - je samostatným prvkom. Vodík prúdi na jednu stranu (anóda) a kyslík (vzduch) na druhú (katóda). Na každej elektróde prebiehajú rôzne chemické reakcie.

Na anóde sa vodík rozkladá na zmes protónov a elektrónov. V niektorých palivových článkoch sú elektródy obklopené katalyzátorom, zvyčajne vyrobeným z platiny alebo iných vzácnych kovov, ktoré uľahčujú disociačnú reakciu:

2H2 ==> 4H + + 4e-.

H2 = dvojatómová molekula vodíka, forma, v

ktorý vodík je prítomný vo forme plynu;

H + = ionizovaný vodík, t.j. protón;

e- = elektrón.

Činnosť palivového článku je založená na skutočnosti, že elektrolyt prechádza protónmi cez seba (smerom ku katóde), ale elektróny nie. Elektróny sa pohybujú ku katóde pozdĺž vonkajšieho vodivého obvodu. Tento pohyb elektrónov je elektrický prúd, ktorý možno použiť na pohon externého zariadenia pripojeného k palivovému článku, ako je napríklad elektromotor alebo žiarovka. Toto zariadenie sa bežne označuje ako „záťaž“.

Na katódovej strane palivového článku sa protóny (ktoré prešli elektrolytom) a elektróny (ktoré prešli vonkajším zaťažením) „zjednotia“ a reagujú s kyslíkom dodávaným do katódy za vzniku vody H2O:

4H + + 4e- + O2 ==> 2H20.

Celková reakcia v palivovom článku je zapísaná nasledovne:

2H2 + O2 ==> 2H20.

Pri svojej práci palivové články používajú vodíkové palivo a kyslík zo vzduchu. Vodík je možné dodávať priamo alebo extrakciou z externého zdroja paliva, ako je zemný plyn, benzín alebo metanol. V prípade externého zdroja musí byť chemicky transformovaný na extrahovanie vodíka. Tento proces sa nazýva „reforma“. Vodík je možné získať aj z amoniaku, alternatívnych zdrojov, akými sú plyn z mestských skládok a čistiarní odpadových vôd, a vodná elektrolýza, ktorá využíva elektrickú energiu na rozklad vody na vodík a kyslík. Väčšina technológií palivových článkov v doprave dnes používa metanol.

Na reformu paliva na výrobu vodíka pre palivové články boli vyvinuté rôzne prostriedky. Americké ministerstvo energetiky vyvinulo palivový systém vnútri reformátora benzínu na dodávku vodíka do samostatného palivového článku. Vedci z Pacific Northwest National Laboratory v USA predviedli kompaktnú reformovaciu palivovú elektráreň, ktorá je jedna desatina veľkosti zdroja napájania. Americká energetická spoločnosť Northwest Power Systems a Sandia National Laboratory predviedli reformátor paliva, ktorý v palivových článkoch prevádza naftu na vodík.

Palivové články jednotlivo produkujú asi 0,7-1,0 voltu. Na zvýšenie napätia sú prvky zostavené v „kaskáde“, t.j. E. sériové pripojenie. Aby sa vytvoril aktuálnejší, sú sady kaskádových prvkov zapojené paralelne. Ak skombinujete kaskády palivových článkov s palivovým systémom, vzduchovým a chladiacim systémom a riadiacim systémom, získate motor s palivovými článkami. Tento motor môže poháňať vozidlo, stacionárnu elektráreň alebo prenosný elektrický generátor6. Motory s palivovými článkami sa dodávajú v rôznych veľkostiach v závislosti od použitia, typu palivového článku a použitého paliva. Napríklad veľkosť každej zo štyroch samostatných 200 kW stacionárnych elektrární inštalovaných v banke v Omahe je zhruba veľkosť prívesu pre nákladné autá.

Aplikácie

Palivové články môžu byť použité v stacionárnych aj mobilných zariadeniach. V reakcii na prísnejšie emisné predpisy USA výrobcovia automobilov vrátane spoločností DaimlerChrysler, Toyota, Ford, General Motors, Volkswagen, Honda a Nissan experimentovali a predvádzali vozidlá s palivovými článkami. Očakáva sa, že prvé komerčné vozidlá s palivovými článkami sa dostanú na cesty v roku 2004 alebo 2005.

Významným medzníkom v histórii technológie palivových článkov bola demonštrácia v júni 1993 experimentálneho 32-stopového mestského autobusu spoločnosti Ballard Power System poháňaného 90-kilowattovým motorom na vodíkové palivové články. Od tej doby bolo vyvinutých a uvedených do prevádzky mnoho rôznych typov a rôznych generácií osobných automobilov s palivovými článkami. Od konca roku 1996 sa v Palm Desert v Kalifornii používajú tri golfové vozíky na vodíkové palivové články. Na cestách v Chicagu, Illinois; Vancouver, Britská Kolumbia; a nórske Oslo testuje mestské autobusy s palivovými článkami. Taxíky alkalických palivových článkov testujú v uliciach Londýna.

Predvádzajú sa aj stacionárne inštalácie využívajúce technológiu palivových článkov, ale zatiaľ sa komerčne veľmi nepoužívajú. Prvá národná banka Omaha v Nebraske používa na napájanie počítačov systém palivových článkov, pretože tento systém je spoľahlivejší ako starý systém, ktorý bol napájaný sieťovým napájaním napájaným z batérie. Najväčší komerčný systém palivových článkov na svete s výkonom 1,2 MW bude čoskoro nainštalovaný v stredisku poštového spracovania na Aljaške. Testujú sa a predvádzajú aj prenosné počítače s palivovými článkami, riadiace systémy čistiarní odpadových vôd a predajné automaty.

"Klady a zápory"

Palivové články majú niekoľko výhod. Zatiaľ čo účinnosť moderných spaľovacích motorov je iba 12-15%, účinnosť palivových článkov je 50%. Účinnosť palivových článkov môže zostať na pomerne vysokej úrovni, aj keď sa nepoužívajú pri plnom menovitom výkone, čo je významná výhoda oproti benzínovým motorom.

Modulárna konštrukcia palivových článkov znamená, že kapacitu elektrárne s palivovými článkami je možné zvýšiť jednoduchým pridaním niekoľkých ďalších stupňov. To minimalizuje faktor nedostatočného využitia kapacity, čo umožňuje lepšie zosúladenie ponuky a dopytu. Pretože účinnosť sady palivových článkov je určená výkonnosťou jednotlivých článkov, malé elektrárne na palivové články fungujú rovnako efektívne ako veľké. Odpadové teplo zo stacionárnych systémov palivových článkov je navyše možné použiť na ohrev vody a miestností, čím sa ďalej zvýši energetická účinnosť.

Pri použití palivových článkov prakticky neexistujú žiadne škodlivé emisie. Keď motor beží na čistom vodíku, ako vedľajšie produkty vzniká iba teplo a čistá vodná para. Takže na vesmírnych lodiach astronauti pijú vodu, ktorá sa tvorí v dôsledku prevádzky palubných palivových článkov. Zloženie emisií závisí od povahy zdroja vodíka. Používanie metanolu produkuje nulové emisie oxidov dusíka a oxidu uhoľnatého a iba malé emisie uhľovodíkov. Emisie sa zvyšujú s prechodom z vodíka na metanol a benzín, aj keď aj pri benzíne zostanú emisie pomerne nízke. V každom prípade by nahradenie dnešných tradičných spaľovacích motorov palivovými článkami viedlo k celkovému zníženiu emisií CO2 a oxidu dusíka.

Použitie palivových článkov poskytuje flexibilitu energetickej infraštruktúre a vytvára ďalšie príležitosti pre decentralizovanú výrobu energie. Pluralita decentralizovaných zdrojov energie umožňuje znížiť straty pri prenose elektrickej energie a rozvíjať trhy s energiou (čo je obzvlášť dôležité pre odľahlé a vidiecke oblasti, kde nie je prístup k elektrickému vedeniu). Jednotliví obyvatelia alebo štvrte si môžu pomocou palivových článkov zabezpečiť väčšinu elektrickej energie a výrazne tak zvýšiť efektivitu jej využívania.

Palivové články ponúkajú energiu vysokej kvality a zvýšenú spoľahlivosť. Sú odolné, neobsahujú žiadne pohyblivé časti a produkujú konštantné množstvo energie.

Technológia palivových článkov však potrebuje ďalšie zlepšenie, aby sa zlepšil ich výkon, znížili náklady a tým sa konkurencieschopnosť palivových článkov voči iným energetickým technológiám. Je potrebné poznamenať, že pri zvažovaní nákladových charakteristík energetických technológií by sa malo vykonať porovnanie na základe všetkých základných technologických charakteristík vrátane kapitálových prevádzkových nákladov, emisií znečisťujúcich látok, kvality energie, trvanlivosti, vyradenia z prevádzky a flexibility.

Napriek tomu, že plynný vodík je najlepším palivom, infraštruktúra alebo dopravná základňa zatiaľ neexistuje. V krátkodobom horizonte by bolo možné využiť existujúce systémy dodávok fosílnych palív (čerpacie stanice atď.) Na zásobovanie elektrární zdrojmi vodíka vo forme benzínu, metanolu alebo zemného plynu. To by odstránilo potrebu vyhradených čerpacích staníc na vodík, ale vyžadovalo by to, aby bol na každé vozidlo nainštalovaný konvertor fosílnych palív na vodík („reformátor“). Nevýhodou tohto prístupu je, že používa fosílne palivá, a preto má za následok emisie oxidu uhličitého. Metanol, ktorý je v súčasnosti hlavným kandidátom, produkuje menej emisií ako benzín, ale vyžadoval by väčšiu kapacitu automobilu, pretože pri rovnakom energetickom obsahu zaberá dvakrát viac miesta.

Na rozdiel od systémov zásobovania fosílnymi palivami, solárne a veterné systémy (využívajúce elektrinu na výrobu vodíka a kyslíka z vody) a priame fotokonverzné systémy (využívajúce na výrobu vodíka polovodičové materiály alebo enzýmy) by mohli dodávať vodík bez reformného kroku, a teda emisie škodlivých dalo by sa vyhnúť látkam, čo sa pozoruje pri použití metanolových alebo benzínových palivových článkov. Vodík by sa mohol v palivovom článku skladovať a podľa potreby prevádzať na elektrickú energiu. V budúcnosti bude kombinácia palivových článkov s týmto druhom obnoviteľnej energie pravdepodobne účinnou stratégiou na zabezpečenie produktívneho, ekologického a všestranného zdroja energie.

Odporúčanie IEER je, aby miestne, federálne a štátne vlády vyčlenili časť svojich rozpočtov na obstaranie dopravy na vozidlá s palivovými článkami a systémy pevných palivových článkov na zabezpečenie tepla a elektriny pre niektoré z ich významných alebo nových budov. To pomôže vyvinúť životne dôležitú technológiu a znížiť emisie skleníkových plynov.

Podobne ako v prípade rôznych typov spaľovacích motorov existujú aj rôzne druhy palivových článkov - výber vhodného typu palivového článku závisí od aplikácie.

Palivové články sú rozdelené na vysoké a nízke teploty. Nízkoteplotné palivové články vyžadujú ako palivo relatívne čistý vodík. To často znamená, že na premenu primárneho paliva (ako je zemný plyn) na čistý vodík je potrebné spracovanie paliva. Tento proces spotrebúva dodatočnú energiu a vyžaduje špeciálne vybavenie. Vysokoteplotné palivové články nepotrebujú tento dodatočný postup, pretože môžu vykonávať „vnútornú premenu“ paliva pri zvýšených teplotách, čo znamená, že nie je potrebné investovať do vodíkovej infraštruktúry.

Palivové články na báze roztaveného uhličitanu (RKTE)

Elektrolytové palivové články z roztaveného uhličitanu sú vysokoteplotné palivové články. Vysoká prevádzková teplota umožňuje použitie zemného plynu priamo bez spracovateľského paliva a palivový plyn s nízkou výhrevnosťou pre priemyselné procesy a iné zdroje. Tento proces bol vyvinutý v polovici šesťdesiatych rokov minulého storočia. Od tej doby sa výrobná technológia, výkon a spoľahlivosť zlepšovali.

Prevádzka RKTE je odlišná od ostatných palivových článkov. Tieto články používajú elektrolyt zo zmesi roztavených uhličitanových solí. V súčasnosti sa používajú dva typy zmesí: uhličitan lítny a uhličitan draselný alebo uhličitan lítny a uhličitan sodný. Na roztavenie uhličitanových solí a dosiahnutie vysokého stupňa pohyblivosti iónov v elektrolyte pracujú palivové články s roztaveným uhličitanovým elektrolytom pri vysokých teplotách (650 ° C). Účinnosť sa pohybuje medzi 60-80%.

Po zahriatí na 650 ° C sa soli stanú vodičom uhličitanových iónov (CO 3 2-). Tieto ióny prechádzajú z katódy na anódu, kde sa kombinujú s vodíkom za vzniku vody, oxidu uhličitého a voľných elektrónov. Tieto elektróny sú vedené späť na katódu cez vonkajší elektrický obvod, pričom ako vedľajší produkt generuje elektrický prúd a teplo.

Reakcia na anóde: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Reakcia na katóde: CO 2 + 1/2 O 2 + 2e - => CO 3 2-
Všeobecná reakcia prvku: H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) + CO 2 (katóda) => H 2 O (g) + CO 2 (anóda)

Vysoké prevádzkové teploty palivových článkov elektrolytu roztaveného uhličitanu majú určité výhody. Pri vysokých teplotách sa zemný plyn vnútorne reformuje, čím sa eliminuje potreba palivového procesora. Medzi výhody navyše patrí možnosť používať na elektródy štandardné stavebné materiály, ako sú plechy z nehrdzavejúcej ocele a niklový katalyzátor. Odpadové teplo sa môže použiť na výrobu vysokotlakovej pary na rôzne priemyselné a komerčné účely.

Vysoké reakčné teploty v elektrolyte majú tiež výhody. Použitie vysokých teplôt trvá dlho, kým sa dosiahnu optimálne prevádzkové podmienky, a systém reaguje pomalšie na zmeny v spotrebe energie. Tieto charakteristiky umožňujú použitie inštalácií palivových článkov s roztaveným uhličitanovým elektrolytom za podmienok konštantného výkonu. Vysoké teploty zabraňujú poškodeniu palivového článku oxidom uhoľnatým, „otrave“ atď.

Palivové články z elektrolytu roztaveného uhličitanu sú vhodné na použitie vo veľkých stacionárnych inštaláciách. Tepelné elektrárne s výstupným elektrickým výkonom 2,8 MW sa vyrábajú priemyselne. Vyvíjajú sa zariadenia s výstupným výkonom do 100 MW.

Palivové články s kyselinou fosforečnou (FCTE)

Prvými palivovými článkami na komerčné použitie boli palivové články s kyselinou fosforečnou (ortofosforečnou). Tento proces bol vyvinutý v polovici 60. rokov minulého storočia a bol testovaný od 70. rokov minulého storočia. Odvtedy sa zvýšila stabilita, znížil výkon a znížili náklady.

Palivové články na báze kyseliny fosforečnej (ortofosforečnej) používajú elektrolyt na báze kyseliny fosforečnej (H 3 PO 4) s koncentráciou až 100%. Iónová vodivosť kyseliny fosforečnej je pri nízkych teplotách nízka, a preto sa tieto palivové články používajú pri teplotách do 150–220 ° C.

Nosičom náboja v tomto type palivového článku je vodík (H +, protón). Podobný proces prebieha v palivových článkoch s membránou na výmenu protónov (MOPTE), v ktorej je vodík dodávaný do anódy rozdelený na protóny a elektróny. Protóny prechádzajú elektrolytom a kombinujú sa s kyslíkom zo vzduchu na katóde za vzniku vody. Elektróny sú vedené vonkajším elektrickým obvodom a generujú elektrický prúd. Nasledujú reakcie, ktoré generujú elektrinu a teplo.

Reakcia na anóde: 2H 2 => 4H + + 4e -
Reakcia na katóde: 02 (g) + 4H + + 4e - => 2H20
Všeobecná reakcia prvku: 2H2 + O2 => 2H20

Účinnosť palivových článkov na báze kyseliny fosforečnej (ortofosforečnej) je pri výrobe elektrickej energie viac ako 40%. Pri kombinovanej výrobe tepla a energie sa celková účinnosť pohybuje okolo 85%. Navyše, vzhľadom na prevádzkové teploty, môže byť odpadové teplo použité na ohrev vody a výrobu pary pri atmosférickom tlaku.

Vysoký výkon teplární a elektrární na palivové články na báze kyseliny fosforečnej (ortofosforečnej) pri kombinovanej výrobe tepla a elektriny je jednou z výhod tohto typu palivových článkov. Rastliny používajú oxid uhoľnatý s koncentráciou asi 1,5%, čo výrazne rozširuje výber paliva. CO 2 navyše neovplyvňuje elektrolyt a činnosť palivového článku; tento typ článkov pracuje s reformovaným prírodným palivom. Jednoduchá konštrukcia, nízka prchavosť elektrolytu a zvýšená stabilita sú tiež prednosťami tohto typu palivového článku.

Tepelné elektrárne s výstupným elektrickým výkonom až 400 kW sa vyrábajú priemyselne. Jednotky s výkonom 11 MW boli zodpovedajúcim spôsobom testované. Vyvíjajú sa zariadenia s výstupným výkonom do 100 MW.

Membránové palivové články na výmenu protónov (MOPTE)

Membránové palivové články sú považované za najlepší typ palivových článkov na výrobu energie pre automobily, ktoré môžu nahradiť benzínové a naftové spaľovacie motory. Tieto palivové články prvýkrát použila NASA na program Gemini. Dnes sa vyvíjajú a predvádzajú jednotky MOPTE s výkonom od 1 W do 2 kW.

Tieto palivové články používajú ako elektrolyt pevnú polymérovú membránu (tenký plastový film). Keď je tento polymér impregnovaný vodou, umožňuje prechod protónov, ale nevedie elektróny.

Palivom je vodík a nosičom náboja je vodíkový ión (protón). Na anóde je molekula vodíka rozdelená na vodíkový ión (protón) a elektróny. Vodíkové ióny prechádzajú elektrolytom na katódu, zatiaľ čo elektróny sa pohybujú okolo vonkajšieho kruhu a produkujú elektrickú energiu. Kyslík, ktorý sa odoberá zo vzduchu, sa privádza na katódu a kombinuje sa s elektrónmi a vodíkovými iónmi za vzniku vody. Na elektródach sa vyskytujú nasledujúce reakcie:

Reakcia na anóde: 2H 2 + 4OH - => 4H20 + 4e -
Reakcia na katóde: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4OH -
Všeobecná reakcia prvku: 2H2 + O2 => 2H20

V porovnaní s inými druhmi palivových článkov produkujú palivové články s protónovou výmenou membrány viac energie pre daný objem alebo hmotnosť palivového článku. Vďaka tejto funkcii sú kompaktné a ľahké. Prevádzková teplota je navyše nižšia ako 100 ° C, čo umožňuje rýchle spustenie prevádzky. Tieto vlastnosti, ako aj schopnosť rýchlo meniť výdaj energie, sú len niektoré z vlastností, vďaka ktorým sú tieto palivové články hlavným kandidátom na použitie vo vozidle.

Ďalšou výhodou je, že elektrolyt je pevná látka, nie kvapalina. Udržiavanie plynov na katóde a anóde je jednoduchšie s pevným elektrolytom, a preto je výroba takýchto palivových článkov lacnejšia. V porovnaní s inými elektrolytmi pri použití pevného elektrolytu nie sú také ťažkosti ako orientácia, je tu menej problémov v dôsledku výskytu korózie, čo vedie k dlhšej životnosti článku a jeho komponentov.

Palivové články na tuhé oxidy (SOFC)

Palivové články z tuhého oxidu sú palivové články s najvyššou prevádzkovou teplotou. Prevádzková teplota sa môže meniť od 600 ° C do 1 000 ° C, čo umožňuje použitie rôznych typov palív bez špeciálnej predbežnej úpravy. Na zvládnutie týchto vysokých teplôt je použitým elektrolytom tenký pevný oxid kovu na keramickej báze, často zliatina yttria a zirkónia, ktorý je vodičom iónov kyslíka (02 -). Technológia využívania palivových článkov na tuhé oxidy sa vyvíja od konca päťdesiatych rokov minulého storočia. a má dve konfigurácie: rovinné a rúrkové.

Pevný elektrolyt poskytuje hermeticky uzavretý prechod plynu z jednej elektródy na druhú, zatiaľ čo kvapalné elektrolyty sú umiestnené v pórovitom substráte. Nosičom náboja v tomto type palivových článkov je kyslíkový ión (O 2 -). Na katóde sú molekuly kyslíka zo vzduchu rozdelené na kyslíkový ión a štyri elektróny. Kyslíkové ióny prechádzajú elektrolytom a kombinujú sa s vodíkom za vzniku štyroch voľných elektrónov. Elektróny sú vedené cez externý elektrický obvod, ktorý generuje elektrický prúd a odpadové teplo.

Reakcia na anóde: 2H 2 + 2O 2 - => 2H 2 O + 4e -
Reakcia na katóde: O 2 + 4e - => 2O 2 -
Všeobecná reakcia prvku: 2H2 + O2 => 2H20

Účinnosť generovanej elektrickej energie je najvyššia zo všetkých palivových článkov - asi 60%. Vysoké prevádzkové teploty navyše umožňujú kombinovanú výrobu tepla a energie vytvárať vysokotlakovú paru. Kombinácia vysokoteplotného palivového článku s turbínou umožňuje vytvoriť hybridný palivový článok, ktorý zvýši účinnosť výroby elektrickej energie až o 70%.

Palivové články na tuhé oxidy pracujú pri veľmi vysokých teplotách (600 ° C - 1 000 ° C), kým dosiahnutie optimálnych prevádzkových podmienok trvá dlho, a systém reaguje pomalšie na zmeny spotreby energie. Pri takých vysokých prevádzkových teplotách nie je potrebný konvertor na spätné získavanie vodíka z paliva, čo umožňuje tepelnej elektrárni pracovať s relatívne nečistými palivami, ktoré sú výsledkom splyňovania uhlia alebo odpadových plynov a podobne. Tento palivový článok je tiež vynikajúci pre prevádzku s vysokým výkonom vrátane priemyselných a veľkých centrálnych elektrární. Moduly s výstupným elektrickým výkonom 100 kW sa vyrábajú komerčne.

Palivové články s priamou oxidáciou metanolom (POMTE)

Technológia využívania palivových článkov s priamou oxidáciou metanolom prechádza obdobím aktívneho vývoja. Úspešne sa presadil v oblasti napájania mobilných telefónov, prenosných počítačov, ako aj vytvárania prenosných zdrojov energie. na čo je zamerané budúce využitie týchto prvkov.

Konštrukcia palivových článkov s priamou oxidáciou metanolom je podobná palivovým článkom s membránou na výmenu protónov (MOPTE), t.j. polymér sa používa ako elektrolyt a vodíkový ión (protón) sa používa ako nosič náboja. Tekutý metanol (CH30H) však v prítomnosti vody na anóde oxiduje za uvoľnenia CO 2, vodíkových iónov a elektrónov, ktoré sú vedené vonkajším elektrickým obvodom, čím vzniká elektrický prúd. Vodíkové ióny prechádzajú elektrolytom a reagujú s kyslíkom zo vzduchu a elektrónmi z vonkajšieho okruhu za vzniku vody na anóde.

Reakcia na anóde: CH30H + H20 => C02 + 6H + + 6e -
Reakcia na katóde: 3/2 O 2 + 6H + + 6e - => 3H20
Všeobecná reakcia prvku: CH30H + 3/2 O2 => C02 + 2H20

Vývoj týchto palivových článkov sa začal na začiatku 90. rokov minulého storočia. S vývojom vylepšených katalyzátorov a ďalšími nedávnymi inováciami sa hustota výkonu a účinnosť zvýšila na 40%.

Tieto prvky boli testované v teplotnom rozmedzí 50-120 ° C. Vďaka svojim nízkym prevádzkovým teplotám a potrebe konvertora sú priame metanolové palivové články najlepším kandidátom pre aplikácie v mobilných telefónoch aj v iných spotrebných tovaroch a automobilových motoroch. Výhodou tohto typu palivových článkov je jeho malá veľkosť v dôsledku použitia kvapalného paliva a absencia potreby meniča.

Alkalické palivové články (SHFC)

Alkalické palivové články (ALFC) sú jednou z najviac študovaných technológií, ktoré sa používajú od polovice 60. rokov minulého storočia. od NASA v programoch Apollo a Space Shuttle. Na palube týchto vesmírnych lodí vyrábajú palivové články elektrickú energiu a pitnú vodu. Alkalické palivové články sú jedným z najúčinnejších prvkov používaných na výrobu elektriny, pričom účinnosť výroby energie dosahuje až 70%.

Alkalické palivové články používajú elektrolyt, to znamená vodný roztok hydroxidu draselného obsiahnutý v poréznej stabilizovanej matrici. Koncentrácia hydroxidu draselného sa môže líšiť v závislosti od prevádzkovej teploty palivového článku, ktorá sa pohybuje od 65 ° C do 220 ° C. Nosič náboja v SHFC je hydroxylový ión (OH -), ktorý sa pohybuje z katódy na anódu, kde reaguje s vodíkom a vytvára vodu a elektróny. Voda vyrobená na anóde sa vracia späť na katódu a opäť tam vytvára hydroxylové ióny. Táto séria reakcií v palivovom článku vyrába elektrickú energiu a ako vedľajší produkt teplo:

Reakcia na anóde: 2H 2 + 4OH - => 4H20 + 4e -
Reakcia na katóde: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4OH -
Všeobecná reakcia systému: 2H2 + O2 => 2H20

Výhodou SHFC je, že tieto palivové články sú najlacnejšie na výrobu, pretože katalyzátorom, ktorý je potrebný na elektródach, môže byť akákoľvek látka, ktorá je lacnejšia ako látky používané ako katalyzátory pre iné palivové články. SCFC navyše pracujú pri relatívne nízkych teplotách a sú jedným z najúčinnejších palivových článkov - takéto vlastnosti môžu teda prispieť k zrýchleniu výroby energie a vysokej účinnosti paliva.

Jednou z charakteristických vlastností SHFC je jeho vysoká citlivosť na CO 2, ktorý môže byť obsiahnutý v palive alebo vo vzduchu. CO 2 reaguje s elektrolytom, rýchlo ho otrávi a výrazne znižuje účinnosť palivového článku. Preto je používanie SHTE obmedzené na uzavreté priestory, ako sú vesmírne a podvodné vozidlá, musia pracovať na čistom vodíku a kyslíku. Molekuly ako CO, H20 a CH4, ktoré sú bezpečné pre iné palivové články, a dokonca aj palivo pre niektoré z nich, sú škodlivé pre SHFC.

Polymérne elektrolytové palivové články (PETE)

V prípade palivových článkov z polymérneho elektrolytu pozostáva polymérna membrána z polymérnych vlákien s vodnými oblasťami, v ktorých je k molekule vody pripevnená vodivosť vodných iónov H20 + (protón, červená). Molekuly vody predstavujú problém kvôli ich pomalej výmene iónov. Preto je v palive aj na výstupných elektródach potrebná vysoká koncentrácia vody, ktorá obmedzuje prevádzkovú teplotu na 100 ° C.

Palivové články na tuhé kyseliny (TKTE)

V palivových článkoch na tuhé kyseliny elektrolyt (C s HSO 4) neobsahuje vodu. Prevádzková teplota je preto 100-300 ° C. Rotácia kyslíkových aniónov SO 4 2- umožňuje pohyb protónov (červený), ako je znázornené na obrázku. Palivový článok na tuhé kyseliny je obvykle sendvič, v ktorom je medzi dve tesne stlačené elektródy vložená veľmi tenká vrstva pevnej kyslej zlúčeniny, aby sa zaistil dobrý kontakt. Pri zahrievaní sa organická zložka odparuje a opúšťa póry v elektródach, pričom si zachováva schopnosť viacnásobných kontaktov medzi palivom (alebo kyslíkom na druhom konci článkov), elektrolytom a elektródami.

Typ palivového článku	Pracovná teplota	Účinnosť výroby energie	Druh paliva	Oblasť použitia
RKTE	550-700 ° C	50-70%		Stredné a veľké inštalácie
FKTE	100-220 ° C	35-40%	Čistý vodík	Veľké inštalácie
MOPTE	30-100 ° C	35-50%	Čistý vodík	Malé inštalácie
SOFC	450 až 1 000 ° C	45-70%	Väčšina uhľovodíkových palív	Malé, stredné a veľké inštalácie
POMTE	20 až 90 ° C	20-30%	Metanol	Prenosné inštalácie
SHTE	50-200 ° C	40-65%	Čistý vodík	Prieskum vesmíru
PETE	30-100 ° C	35-50%	Čistý vodík	Malé inštalácie

Popis:

Tento článok podrobnejšie pojednáva o ich štruktúre, klasifikácii, výhodách a nevýhodách, rozsahu, účinnosti, histórii stvorenia a moderných perspektívach použitia.

Použitie palivových článkov na napájanie budov

Časť 1

Tento článok podrobnejšie pojednáva o princípe činnosti palivových článkov, ich štruktúre, klasifikácii, výhodách a nevýhodách, rozsahu, účinnosti, histórii vzniku a moderných perspektívach použitia. V druhej časti článku, ktorý bude uverejnený v nasledujúcom čísle časopisu „AVOK“, uvádza príklady zariadení, kde boli ako zdroje tepla a elektrickej energie (alebo iba napájania) použité rôzne druhy palivových článkov.

Voda môže byť skladovaná dokonca v oboch smeroch v stlačenej aj skvapalnenej forme, ale je to tiež kašovitá hmota, pričom obe sú spôsobené značnými technickými problémami. Je to spôsobené vysokými tlakmi a extrémne nízkymi teplotami v dôsledku skvapalnenia. Z tohto dôvodu musí byť napríklad stojan na vodný výdajný stojan navrhnutý inak, ako sme zvyknutí, koniec plniaceho potrubia spája robotické rameno s ventilom na aute. Pripojenie a naplnenie je dosť nebezpečné, a preto je najlepšie, ak sa to stane bez ľudskej prítomnosti.

Úvod

Palivové články sú vysoko účinné, spoľahlivé, trvanlivé a šetrné k životnému prostrediu. čistý spôsob získať energiu.

Spočiatku sa palivové články používali iba v kozmickom priemysle a v súčasnosti sa stále viac používajú v rôznych oblastiach - ako stacionárne elektrárne, dodávky tepla a energie v budovách, motory automobilov, napájacie zdroje pre notebooky a mobilné telefóny. Niektoré z týchto zariadení sú laboratórnymi prototypmi, niektoré prechádzajú predprodukčnými testami alebo sa používajú na demonštračné účely, ale mnohé modely sa vyrábajú sériovo a používajú sa v komerčných projektoch.

Takéto zariadenie je v testovacej prevádzke na letisku v Mníchove, vyskúšajte si tu jazdu s jednotlivými autami a autobusmi. Vysoký kilogram najazdených kilometrov je v pohode, ale v praxi je rovnako dôležitý ako koľko kilogramov to bude stáť a koľko miesta v aute zaberie silná, tepelne izolovaná palivová nádrž. Niektoré ďalšie problémy s vodou: - vytvorte komplexný vzduchový kúpeľ - problém s garážami, autoservismi atď. - vďaka malej molekule, ktorá preniká do každého úzkeho miesta, skrutiek a ventilov - kompresia a skvapalnenie vyžaduje značnú spotrebu energie.

Palivový článok (elektrochemický generátor) je zariadenie, ktoré v procese elektrochemickej reakcie priamo prevádza chemickú energiu paliva (vodíka) na elektrickú energiu, na rozdiel od tradičných technológií, ktoré používajú spaľovanie tuhých, kvapalných a plynných palív. Priama elektrochemická premena paliva je veľmi účinná a atraktívna z hľadiska životného prostredia, pretože počas prevádzky je emitované minimálne množstvo znečisťujúcich látok a nedochádza k silným zvukom a vibráciám.

Špecifické tlaky, kompresia a súbor potrebných bezpečnostných opatrení majú pri hodnotení na konci vody veľmi dobrú hodnotu v porovnaní s kvapalnými uhľovodíkovými palivami, ktoré sa vyrábajú pomocou ľahkých nádob bez tlaku. K jeho skutočne lichotivému pôžitku preto môžu prispieť možno veľmi naliehavé okolnosti.

V blízkej budúcnosti výrobcovia automobilov stále hľadajú lacnejšie a relatívne menej nebezpečné kvapalné palivá. Horúcou taveninou môže byť metanol, ktorý je možné pomerne ľahko extrahovať. Jeho hlavným a jediným problémom je toxicita, na druhej strane, ako vodu, metán je možné použiť ako v spaľovacích motoroch, tak v určitom type palivového reťazca. Má tiež určité výhody v spaľovacích motoroch, vrátane emisií.

Z praktického hľadiska palivový článok pripomína konvenčnú galvanickú batériu. Rozdiel spočíva v tom, že batéria je spočiatku nabitá, to znamená, že je naplnená „palivom“. Počas prevádzky sa „palivo“ spotrebuje a batéria sa vybije. Na rozdiel od batérie palivový článok používa na výrobu elektrickej energie palivo dodávané z externého zdroja (obr. 1).

V tomto smere môže voda narásť do pomerne nečakanej a napriek tomu schopnej konkurencie. Palivový článok je zdroj prúdu generovaného elektrochemickou reakciou. Na rozdiel od všetkých našich známych batérií sa do nej privádzajú činidlá a odpad sa neustále vybíja, takže na rozdiel od batérie je prakticky nevyčerpateľný. Aj keď existuje mnoho rôznych typov, nasledujúci diagram vodíkového palivového článku nám pomáha pochopiť, ako funguje.

Palivo sa dodáva do kladnej elektródy, kde sa oxiduje. O2-kyslík vstupuje do zápornej elektródy a je možné ho redukovať.

Dokonca bolo možné vyvinúť palivový článok, ktorý spaľuje priamo uhlie. Keďže práca vedcov z laboratória Lawrence Livermore, ktorá dokázala otestovať palivový článok, ktorý priamo premieňa uhlie na elektrickú energiu, môže byť veľmi dôležitým medzníkom vo vývoji energie, pozastavíme sa nad niekoľkými slovami. Uhličitá pôda do veľkosti 1 mikrónu sa mieša pri 750-850 ° C s roztaveným uhličitanom lítnym, sodným alebo draselným.

Na výrobu elektrickej energie je možné použiť nielen čistý vodík, ale aj ďalšie suroviny obsahujúce vodík, napríklad zemný plyn, amoniak, metanol alebo benzín. Ako zdroj kyslíka sa používa bežný vzduch, ktorý je tiež potrebný na reakciu.

Keď sa ako palivo používa čistý vodík, reakčnými produktmi sú okrem elektrickej energie teplo a voda (alebo vodná para), to znamená, že plyny, ktoré spôsobujú znečistenie ovzdušia alebo spôsobujú skleníkový efekt, sa do atmosféry neuvoľňujú. Ak sa ako palivo použije napríklad vodík obsahujúca surovina, bude vedľajším produktom reakcie tiež zemný plyn, iné plyny, napríklad oxidy uhlíka a dusíka, ale jeho množstvo je oveľa nižšie ako pri spaľovaní rovnaké množstvo zemného plynu.

Potom sa všetko vykoná štandardným spôsobom v súlade s vyššie uvedenou schémou: kyslík vo vzduchu reaguje s uhlíkom na oxid uhličitý a energia sa uvoľňuje vo forme elektriny. Aj keď poznáme niekoľko rôznych typov palivových článkov, všetky fungujú podľa popísaného princípu. Jedná sa o druh kontrolovaného spaľovania. Keď zmiešame vodík s kyslíkom, dostaneme výbušnú zmes, ktorá exploduje a vytvorí vodu. Energia sa uvoľňuje ako teplo. Vodíkový palivový článok má rovnakú reakciu, produktom je tiež voda, ale energia sa uvoľňuje ako elektrina.

Proces chemickej premeny paliva na výrobu vodíka sa nazýva reformovanie a zodpovedajúce zariadenie sa nazýva reformátor.

Výhody a nevýhody palivových článkov

Palivové články sú energeticky efektívnejšie ako spaľovacie motory, pretože neexistuje žiadne termodynamické obmedzenie energetickej účinnosti palivových článkov. Účinnosť palivových článkov je 50%, zatiaľ čo účinnosť spaľovacích motorov je 12-15%a účinnosť elektrární parných turbín nepresahuje 40%. Využitím tepla a vody sa účinnosť palivových článkov ešte zvýši.

Veľkou výhodou palivového článku je, že generuje elektrickú energiu z paliva tak či onak priamo, bez prechodného tepelného zariadenia, takže emisie sú nižšie a účinnosť je vyššia. Dosahuje 70%, pričom štandardne dosahujeme 40% premenu uhlia na elektrickú energiu. Prečo namiesto elektrární nebudujeme obrovské palivové články? Palivový článok je pomerne zložité zariadenie, ktoré pracuje pri vysokých teplotách, takže požiadavky na materiály elektród a samotný elektrolyt sú vysoké.

Na rozdiel napríklad od spaľovacích motorov zostáva účinnosť palivových článkov veľmi vysoká, aj keď nepracujú na plný výkon. Okrem toho je možné zvýšiť výkonnosť palivových článkov jednoduchým pridávaním jednotlivých blokov bez zmeny účinnosti, to znamená, že veľké inštalácie sú rovnako účinné ako malé. Tieto okolnosti umožňujú veľmi flexibilný výber zloženia zariadenia v súlade s prianím zákazníka a v konečnom dôsledku vedú k zníženiu nákladov na zariadenie.

Elektrolyty zahrnujú napríklad iónomeničové membrány alebo vodivé keramické materiály, alebo skôr drahé materiály, alebo kyselinu fosforečnú, hydroxid sodný alebo roztavené uhličitany alkalických kovov, ktoré sú veľmi korozívne pre zmeny tkaniva. Bola to práve táto obtiažnosť, že po počiatočnom nadšení v dvadsiatom storočí neboli palivové články okrem vesmírneho programu významnejšie.

Záujem sa potom opäť znížil, keď sa ukázalo, že širšie využitie bolo v tej dobe nad možnosti danej technológie. Za posledných tridsať rokov sa však vývoj nezastavil, objavili sa nové materiály a koncepty a zmenili sa naše priority - ochrane životného prostredia teraz venujeme oveľa väčšiu pozornosť ako vtedy. Preto zažívame určitú renesanciu palivových článkov, ktoré sa v mnohých oblastiach stále viac používajú. Na celom svete je 200 takýchto zariadení. Slúžia napríklad ako záložné zariadenie, kde porucha siete môže spôsobiť vážne problémy - napríklad v nemocniciach alebo vojenských inštitúciách.

Dôležitou výhodou palivových článkov je ich šetrnosť k životnému prostrediu. Emisie palivových článkov prenášané vzduchom sú také nízke, že v niektorých oblastiach USA nevyžadujú na ich prevádzku špeciálne schválenie vládnymi agentúrami na kontrolu kvality ovzdušia.

Palivové články môžu byť umiestnené priamo v budove, čím sa znížia straty prenosu energie, a teplo generované reakciou sa môže použiť na dodávku tepla alebo teplej vody do budovy. Autonómne zdroje tepla a energie môžu byť veľmi prospešné v odľahlých oblastiach a v oblastiach, ktoré sa vyznačujú nedostatkom elektrickej energie a jej vysokými nákladmi, ale zároveň existujú zásoby surovín obsahujúcich vodík (ropa, zemný plyn) .

Používajú sa vo veľmi odľahlých lokalitách, kde je jednoduchšie prepravovať palivo než naťahovať kábel. Môžu začať konkurovať aj elektrárňam. Jedná sa o najvýkonnejší modul nainštalovaný na svete.

Takmer každá väčšia automobilka pracuje na projekte elektrického vozidla s palivovými článkami. Zdá sa, že je to oveľa sľubnejší koncept ako konvenčné elektrické auto na batérie, pretože nevyžaduje dlhé nabíjanie a požadované zmeny infraštruktúry nie sú také rozsiahle.

Výhody palivových článkov sú tiež dostupnosť paliva, spoľahlivosť (v palivovom článku nie sú žiadne pohyblivé časti), trvanlivosť a jednoduché použitie.

Jednou z hlavných nevýhod dnešných palivových článkov sú ich relatívne vysoké náklady, ale túto nevýhodu je možné čoskoro prekonať - stále viac spoločností vyrába komerčné palivové články, neustále sa zdokonaľujú a ich náklady sa znižujú.

Rastúci význam palivových článkov podporuje aj skutočnosť, že Bushova administratíva nedávno prehodnotila svoj prístup k vývoju automobilov a finančné prostriedky, ktoré vynaložila na vývoj automobilov s najvyšším možným počtom najazdených kilometrov, boli teraz venované na projekty palivových článkov. Financovanie rozvoja nezostáva iba na bedrách štátu.

Nový koncept pohonu sa samozrejme neobmedzuje len na osobné autá, ale nájdeme ho aj v hromadnej doprave. Autobusy s palivovými článkami prepravujú cestujúcich v uliciach niekoľkých miest. Okrem automobilových pohonov existuje na trhu množstvo menších diskov, ako sú napájané počítače, videokamery a mobilné telefóny. Na obrázku vidíme palivový článok na napájanie dopravnej signalizácie.

Najúčinnejšie využitie čistého vodíka ako paliva si však bude vyžadovať vytvorenie špeciálnej infraštruktúry na jeho výrobu a prepravu. Všetky komerčné konštrukcie v súčasnosti používajú zemný plyn a podobné palivá. Motorové vozidlá môžu používať obyčajný benzín, ktorý zachová existujúcu rozvinutú sieť čerpacích staníc. Použitie takéhoto paliva však spôsobuje škodlivé emisie do atmosféry (aj keď veľmi nízke) a komplikuje (a teda zvyšuje náklady) palivový článok. V budúcnosti sa zvažuje možnosť použitia ekologických obnoviteľných zdrojov energie (napríklad slnečnej alebo veternej) na rozklad vody na vodík a elektrolýzu a následnú premenu výsledného paliva na palivový článok. Také kombinované zariadenia pracujúce v uzavretom cykle môžu poskytovať úplne ekologický, spoľahlivý, trvanlivý a účinný zdroj energie.

Malo by sa spomenúť používanie palivových článkov na skládkach, kde môžu okrem výroby elektrickej energie spaľovať aj emisie plynov a pomáhať zlepšovať životné prostredie. V súčasnej dobe je v prevádzke niekoľko skúšobných lavičiek a na 150 skúšobných miestach v celých Spojených štátoch sa pripravuje rozsiahly inštalačný program týchto zariadení. Palivové články sú len užitočné zariadenia a sme si istí, že ich vidíme čoraz častejšie.

Chemici vyvinuli katalyzátor, ktorý môže nahradiť drahú platinu v palivových článkoch. Namiesto toho používa asi dvestotisíc lacného železa. Palivové články premieňajú chemickú energiu na elektrickú. Elektróny v rôznych molekulách majú rôzne energie. Rozdiel v energii pri premene jednej molekuly na inú môže byť použitý ako zdroj energie. Stačí nájsť reakciu, pri ktorej sa elektróny pohybujú vyššie a nižšie. Takéto reakcie sú hlavným zdrojom energie pre živé organizmy.

Ďalšou vlastnosťou palivových článkov je, že sú najefektívnejšie, keď sa súčasne používa elektrická aj tepelná energia. Možnosť využitia tepelnej energie však nie je k dispozícii v každom zariadení. V prípade použitia palivových článkov iba na výrobu elektrickej energie sa ich účinnosť znižuje, aj keď prevyšuje účinnosť „tradičných“ inštalácií.

Najslávnejšie je dýchanie, ktoré premieňa cukry na oxid uhličitý a vodu. V vodíkových palivových článkoch sa dvojatómové molekuly vodíka kombinujú s kyslíkom za vzniku vody. Energetický rozdiel medzi elektrónmi vo vodíku a vode sa používa na výrobu elektriny. Vodíkové články sú dnes pravdepodobne najčastejšie používaným dopravným prostriedkom. Ich masívne rozšírenie taktiež zabráni malému háčiku.

Na energeticky bohatú reakciu je potrebný katalyzátor. Katalyzátory sú molekuly, ktoré zvyšujú pravdepodobnosť vzniku reakcie. Mohlo by to fungovať aj bez katalyzátora, ale menej často alebo pomalšie. Vodíkové články používajú ako katalyzátor vzácnu platinu.

História a súčasné využitie palivových článkov

Princíp činnosti palivových článkov bol objavený v roku 1839. Anglický vedec William Grove (William Robert Grove, 1811-1896) zistil, že proces elektrolýzy - rozklad vody na vodík a kyslík pomocou elektrického prúdu - je reverzibilný, to znamená, že vodík a kyslík je možné kombinovať do vody. molekuly bez spaľovania, ale s uvoľňovaním tepla a elektrického prúdu. Grove nazval zariadenie schopné takejto reakcie „plynovou batériou“, čo bol prvý palivový článok.

Rovnaká reakcia ako v vodíkových článkoch sa vyskytuje aj v živých bunkách. Enzýmy sú relatívne veľké molekuly aminokyselín, ktoré je možné kombinovať a vytvárať tak kocky Lego. Každý enzým má takzvané aktívne miesto, v ktorom je reakcia urýchlená. Na aktívnom mieste sú často prítomné aj iné molekuly ako aminokyseliny.

V prípade kyseliny vodíkovej je to železo. Tím chemikov vedený Morrisom Bullockom z tichomorského laboratória amerického ministerstva energetiky dokázal napodobniť reakciu v mieste hydrogenácie. Rovnako ako enzým, aj hydrogenácia postačuje na platinu so železom. Dokáže rozdeliť 0,66 až 2 molekuly vodíka za sekundu. Rozdiel napätia je od 160 do 220 tisíc voltov. Oba sú porovnateľné so súčasnými platinovými katalyzátormi používanými vo vodíkových článkoch. Reakcia sa uskutočňuje pri teplote miestnosti.

Aktívny vývoj technológie palivových článkov sa začal po 2. svetovej vojne a je spojený s leteckým priemyslom. V tom čase sa hľadal účinný a spoľahlivý, ale zároveň dostatočne kompaktný zdroj energie. V šesťdesiatych rokoch minulého storočia odborníci NASA (Národný úrad pre letectvo a vesmír, NASA) vybrali palivové články ako zdroj energie pre vesmírne plavidlá programov Apollo (pilotované lety na Mesiac), Apollo-Sojuz, Blíženci a Skylab. ... Apollo poháňali tri 1,5 kW (vrchol 2,2 kW) využívajúce na výrobu elektriny, tepla a vody kryogénny vodík a kyslík. Hmotnosť každej inštalácie bola 113 kg. Tri články pracovali paralelne, ale výkon generovaný jednou jednotkou bol dostatočný na bezpečný návrat. Počas 18 letov palivové články celkovo prešli 10 000 hodinami bez akýchkoľvek porúch. V súčasnosti sa v raketopláne používajú palivové články, ktoré na výrobu všetkej elektrickej energie na palube kozmickej lode používajú tri 12 W jednotky (obr. 2). Voda vyrobená elektrochemickou reakciou sa používa ako pitná voda a tiež na chladenie zariadení.

Jeden kilogram železa stojí 0,5 koruny. Preto je železo 200 000 -krát lacnejšie ako platina. Palivové články môžu byť v budúcnosti lacnejšie. Drahá platina nie je jediným dôvodom, prečo by sa nemali používať, aspoň nie vo veľkom. Manipulácia s ním je náročná a nebezpečná.

Ak by sa vodíkové komory hromadne používali na riadenie automobilov, museli by vybudovať rovnakú infraštruktúru ako benzín a nafta. Okrem toho je meď potrebná na výrobu elektromotorov, ktoré poháňajú vozidlá na vodíkový pohon. To však neznamená, že palivové články sú zbytočné. Keď je ropa, možno nemáme nič iné, než jazdiť na vodík.

V našej krajine sa tiež pracovalo na vytvorení palivových článkov na použitie v kozmonautike. Palivové články slúžili napríklad na pohon sovietskeho raketoplánu Buran.

Vývoj metód na komerčné využitie palivových článkov sa začal v polovici 60. rokov minulého storočia. Tento vývoj bol čiastočne financovaný vládnymi agentúrami.

V súčasnosti sa vývoj technológií na využitie palivových článkov uberá niekoľkými smermi. Ide o vytvorenie stacionárnych elektrární na palivové články (pre centralizované aj decentralizované zásobovanie energiou), elektrární vozidiel (boli vytvorené vzorky automobilov a autobusov na palivové články, a to aj u nás) (obr. 3), a aj napájacie zdroje pre rôzne mobilné zariadenia (prenosné počítače, mobilné telefóny a pod.) (obr. 4).

Príklady použitia palivových článkov v rôznych oblastiach sú uvedené v tabuľke. 1.

Jeden z prvých komerčných modelov palivových článkov určených na autonómne vykurovanie a napájanie budov bol PC25 Model A, vyrábaný spoločnosťou ONSI Corporation (teraz United Technologies, Inc.). Tento palivový článok s výkonom 200 kW je palivovým článkom s kyselinou fosforečnou (PAFC). Číslo „25“ v názve modelu znamená sériové číslo konštrukcie. Väčšina predchádzajúcich modelov bola experimentálnymi alebo testovacími kusmi, ako napríklad 12,5 kW „PC11“, ktorý sa objavil v 70. rokoch minulého storočia. Nové modely zvýšili výkon odoberaný zo samostatného palivového článku a tiež znížili náklady na kilowatt vyrobenej energie. V súčasnosti je jedným z najúčinnejších komerčných modelov palivový článok PC25 Model C. Rovnako ako model „A“ je to plne automatický palivový článok typu PAFC s výkonom 200 kW, určený na inštaláciu priamo do servisného zariadenia ako autonómny zdroj tepla a energie. Takýto palivový článok môže byť inštalovaný mimo budovu. Navonok je rovnobežnostenný 5,5 m dlhý, 3 m široký a 3 m vysoký, s hmotnosťou 18 140 kg. Rozdiel oproti predchádzajúcim modelom je vylepšený reformátor a vyššia prúdová hustota.

stôl 1 Aplikácia palivových článkov

Región aplikácie Nominálne moc Príklady použitia Stacionárne inštalácií 5-250 kW a vyššie Autonómne zdroje tepla a energie pre obytné, verejné a priemyselné budovy, zdroje neprerušiteľného napájania, záložné a núdzové zdroje energie Prenosný inštalácií 1-50 kW Dopravné značky, nákladné a železničné chladničky, invalidné vozíky, golfové vozíky, vesmírne lode a satelity Mobilné inštalácií 25-150 kW Automobily (prototypy boli vytvorené napríklad spoločnosťami DaimlerCrysler, FIAT, Ford, General Motors, Honda, Hyundai, Nissan, Toyota, Volkswagen, VAZ), autobusy (napr. „MAN“, „Neoplan“, „Renault“) a ďalšie vozidlá , vojnové lode a ponorky Mikrozariadenia 1-500 W Mobilné telefóny, notebooky, digitálni asistenti (PDA), rôzne zariadenia spotrebnej elektroniky, moderné vojenské zariadenia

V niektorých typoch palivových článkov je možné obrátiť chemický proces: keď je na elektródy aplikovaný potenciálny rozdiel, voda sa môže rozložiť na vodík a kyslík, ktoré sa zhromažďujú na pórovitých elektródach. Keď je pripojené zaťaženie, taký regeneratívny palivový článok začne generovať elektrickú energiu.

Sľubným smerom použitia palivových článkov je ich využitie v spojení s obnoviteľnými zdrojmi energie, napríklad s fotovoltaickými panelmi alebo veternými elektrárňami. Táto technológia vám umožňuje úplne sa vyhnúť znečisteniu ovzdušia. Podobný systém sa plánuje vytvoriť napríklad v školiacom stredisku Adam Joseph Lewis v Oberline (pozri ABOK, 2002, č. 5, s. 10). V súčasnej dobe sú solárne panely ako jeden zo zdrojov energie v tejto budove. Spolu so špecialistami NASA bol vyvinutý projekt využívajúci fotovoltaické panely na získavanie vodíka a kyslíka z vody elektrolýzou. Potom sa vodík používa v palivových článkoch na výrobu elektrickej energie a. To umožní budove udržať všetky systémy v prevádzke v zamračených dňoch a v noci.

Ako fungujú palivové články

Uvažujme o princípe fungovania palivového článku na príklade najjednoduchšieho článku s membránou na výmenu protónov (Proton Exchange Membrane, PEM). Takýto prvok pozostáva z polymérovej membrány umiestnenej medzi anódou (kladná elektróda) ​​a katódy (záporná elektróda) ​​spolu s anódovým a katódovým katalyzátorom. Ako elektrolyt sa používa polymérna membrána. Schéma prvku PEM je znázornená na obr. 5.

Protónová výmenná membrána (PEM) je tenká (asi 2 až 7 listov obyčajného papiera) tuhá organická zlúčenina. Táto membrána funguje ako elektrolyt: v prítomnosti vody rozdeľuje látku na pozitívne a negatívne nabité ióny.

Na anóde prebieha oxidačný proces a na katóde redukčný proces. Anóda a katóda v článku PEM sú vyrobené z porézneho materiálu, ktorý je zmesou častíc uhlíka a platiny. Platina funguje ako katalyzátor na uľahčenie disociačnej reakcie. Anóda a katóda sú porézne, aby cez ne voľne prechádzali vodík a kyslík.

Anóda a katóda sú umiestnené medzi dvoma kovovými doskami, ktoré dodávajú vodíku a kyslíku do anódy a katódy a odoberajú teplo a vodu, ako aj elektrickú energiu.

Molekuly vodíka prechádzajú kanálmi v doske na anódu, kde sa molekuly rozložia na jednotlivé atómy (obr. 6).

	Obrázok 5. () Schéma palivového článku s membránou na výmenu protónov (článok PEM)
	Obrázok 6. () Molekuly vodíka prechádzajú kanálmi v doske k anóde, kde sa molekuly rozkladajú na jednotlivé atómy.
	Obrázok 7. () V dôsledku chemisorpcie v prítomnosti katalyzátora sa atómy vodíka premenia na protóny
	Obrázok 8. () Kladne nabité ióny vodíka difundujú cez membránu na katódu a tok elektrónov je nasmerovaný na katódu vonkajším elektrickým obvodom, ku ktorému je pripojené zaťaženie
	Obrázok 9. () Kyslík dodávaný do katódy v prítomnosti katalyzátora vstupuje do chemickej reakcie s vodíkovými iónmi z protonovej výmennej membrány a elektrónmi z vonkajšieho elektrického obvodu. Voda vzniká v dôsledku chemickej reakcie

Potom sa v dôsledku chemisorpcie v prítomnosti katalyzátora atómy vodíka, z ktorých každý daruje jeden elektrón e -, premenia na kladne nabité ióny vodíka H +, tj. Protóny (obr. 7).

Kladne nabité ióny vodíka (protóny) difundujú cez membránu na katódu a tok elektrónov je nasmerovaný na katódu vonkajším elektrickým obvodom, ku ktorému je pripojená záťaž (spotrebiteľ elektrickej energie) (obr. 8).

Kyslík dodávaný do katódy v prítomnosti katalyzátora vstupuje do chemickej reakcie s vodíkovými iónmi (protónmi) z membrány na výmenu protónov a elektrónmi z vonkajšieho elektrického obvodu (obr. 9). V dôsledku chemickej reakcie vzniká voda.

Chemická reakcia v palivovom článku iného typu (napríklad s kyslým elektrolytom, ktorým je roztok kyseliny fosforečnej H 3 PO 4), je úplne identická s chemickou reakciou v palivovom článku s membránou na výmenu protónov.

V každom palivovom článku sa časť energie chemickej reakcie uvoľní ako teplo.

Tok elektrónov vo vonkajšom obvode je jednosmerný prúd, ktorý sa používa na prácu. Otvorenie vonkajšieho obvodu alebo zastavenie pohybu vodíkových iónov zastaví chemickú reakciu.

Množstvo elektrickej energie vyrobenej palivovým článkom závisí od typu palivového článku, geometrických rozmerov, teploty a tlaku plynu. Samostatný palivový článok poskytuje EMF menej ako 1,16 V. Veľkosť palivových článkov je možné zvýšiť, v praxi sa však používa niekoľko článkov spojených v batériách (obr. 10).

Usporiadanie palivových článkov

Zoberme si príklad palivového článku pomocou modelu PC25 Model C. Schéma palivového článku je znázornená na obr. jedenásť.

Palivový článok PC25 Model C sa skladá z troch hlavných častí: palivový procesor, skutočná časť výroby energie a menič napätia.

Hlavné teleso palivového článku - časť výroby energie - je sústava 256 jednotlivých palivových článkov. Elektródy palivových článkov obsahujú platinový katalyzátor. Tieto články generujú jednosmerný prúd 1 400 ampérov pri 155 voltoch. Batéria je zhruba 2,9 m dlhá a 0,9 m široká a vysoká.

Pretože elektrochemický proces prebieha pri teplote 177 ° C, je potrebné batériu pri spustení zahriať a počas prevádzky z nej odoberať teplo. Na tento účel je v palivovom článku zahrnutý samostatný vodný okruh a batéria je vybavená špeciálnymi chladiacimi doskami.

Palivový procesor premieňa zemný plyn na vodík na elektrochemickú reakciu. Tento proces sa nazýva reformácia. Hlavným prvkom palivového procesora je reformátor. V reformátore zemný plyn (alebo iné palivo obsahujúce vodík) interaguje s vodnou parou pri vysokej teplote (900 ° C) a vysokom tlaku v prítomnosti katalyzátora - niklu. V tomto prípade dochádza k nasledujúcim chemickým reakciám:

CH4 (metán) + H203H2 + CO

(endotermická reakcia s absorpciou tepla);

CO + H20H2 + C02

(reakcia je exotermická, s uvoľňovaním tepla).

Celková odpoveď je vyjadrená rovnicou:

CH4 (metán) + 2H204H2 + C02

(reakcia je endotermická, s absorpciou tepla).

Aby sa zaistila vysoká teplota potrebná na premenu zemného plynu, časť vyhoreného paliva zo zväzku palivových článkov je smerovaná do horáka, ktorý udržuje požadovanú teplotu reformátora.

Para potrebná na reformovanie sa vytvára z kondenzátu vytvoreného počas prevádzky palivového článku. Využíva sa teplo odobraté zo sady palivových článkov (obr. 12).

V komíne palivových článkov sa vytvára nestabilný jednosmerný prúd, ktorý sa vyznačuje nízkym napätím a vysokým prúdom. Na jeho premenu na štandardný priemyselný striedavý prúd sa používa menič napätia. Jednotka meniča napätia navyše obsahuje rôzne ovládacie zariadenia a bezpečnostné blokovacie obvody, ktoré umožňujú vypnutie palivového článku v prípade rôznych porúch.

V takom palivovom článku je možné približne 40% energie z paliva premeniť na elektrickú energiu. Približne rovnako asi 40% energie paliva je možné premeniť na tepelnú energiu, ktorá sa potom používa ako zdroj tepla na vykurovanie, dodávku teplej vody a na podobné účely. Celková účinnosť takejto inštalácie teda môže dosiahnuť 80%.

Dôležitou výhodou takéhoto zdroja tepla a energie je možnosť jeho automatickej prevádzky. Z dôvodu údržby nepotrebujú majitelia zariadenia, kde sú nainštalované palivové články, udržiavať špeciálne vyškolený personál - pravidelnú údržbu môžu vykonávať zamestnanci prevádzkovej organizácie.

Druhy palivových článkov

V súčasnosti je známych niekoľko typov palivových článkov, líšiacich sa zložením použitého elektrolytu. Najrozšírenejšie sú tieto štyri typy (tabuľka 2):

1. Palivové články s membránou na výmenu protónov (Membránové palivové články s protónovou výmenou, PEMFC).

2. Palivové články na báze kyseliny fosforečnej (Fuel Cells, PFC).

3. Palivové články na báze roztaveného uhličitanu (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).

4. Palivové články z tuhého oxidu (palivové články s tuhým oxidom, SOFC). V súčasnosti je najväčšia flotila palivových článkov postavená na technológii PAFC.

Jednou z kľúčových charakteristík rôznych typov palivových článkov je prevádzková teplota. V mnohých ohľadoch je to teplota, ktorá určuje oblasť použitia palivových článkov. Napríklad pre prenosné počítače sú kritické vysoké teploty, preto sa pre tento trhový segment vyvíjajú membránové palivové články s nízkou prevádzkovou teplotou.

Na autonómne napájanie budov sú potrebné palivové články s vysokým inštalovaným výkonom a súčasne existuje možnosť využitia tepelnej energie, preto sa na tieto účely môžu použiť aj palivové články iného druhu.

Palivové články s membránou s protónovou výmenou (PEMFC)

Tieto palivové články pracujú pri relatívne nízkych prevádzkových teplotách (60-160 ° C). Vyznačujú sa vysokou hustotou výkonu, umožňujú rýchle nastavenie výstupného výkonu a dajú sa rýchlo zapnúť. Nevýhodou tohto typu prvkov sú vysoké požiadavky na kvalitu paliva, pretože kontaminované palivo môže poškodiť membránu. Menovitý výkon tohto typu palivových článkov je 1-100 kW.

Membránové palivové články s protónovou výmenou pôvodne vyvinula spoločnosť General Electric v 60. rokoch minulého storočia pre NASA. Tento typ palivového článku používa polymérny elektrolyt v pevnom stave nazývaný protónová výmenná membrána (PEM). Protóny sa môžu pohybovať cez membránu na výmenu protónov, ale elektróny cez ňu neprechádzajú, v dôsledku čoho vzniká potenciálny rozdiel medzi katódou a anódou. Vzhľadom na svoju jednoduchosť a spoľahlivosť boli tieto palivové články použité ako zdroj energie v kozmickej lodi s posádkou Gemini.

Tento typ palivového článku sa používa ako zdroj energie pre širokú škálu zariadení, vrátane prototypov a prototypov, od mobilných telefónov po autobusy a stacionárne energetické systémy. Nízka prevádzková teplota umožňuje použitie takýchto článkov na napájanie rôznych typov zložitých elektronických zariadení. Ich použitie je menej účinné ako zdroj tepla a energie pre verejné a priemyselné budovy, kde je potrebné veľké množstvo tepelnej energie. Tieto prvky sú zároveň sľubné ako autonómny zdroj napájania pre malé obytné budovy, ako sú chaty postavené v oblastiach s horúcim podnebím.

tabuľka 2 Druhy palivových článkov

Typ položky Robotníci teplota, ° C Účinnosť výstupu elektrické energia),% Celkom Účinnosť,% Palivové články s membrána na výmenu protónov (PEMFC) 60–160 30–35 50–70 Palivové články na báze ortofosforečných kyselina (fosforečná) (PAFC) 150–200 35 70–80 Palivové články na základe roztavený uhličitan (MCFC) 600–700 45–50 70–80 Pevný oxid palivové články (SOFC) 700–1 000 50–60 70–80

Palivové články s kyselinou fosforečnou (PAFC)

Palivové články tohto typu boli testované už na začiatku 70. rokov minulého storočia. Rozsah prevádzkových teplôt - 150-200 ° C. Hlavnou oblasťou použitia sú autonómne zdroje tepla a energie s priemerným výkonom (asi 200 kW).

Tieto palivové články používajú ako elektrolyt roztok kyseliny fosforečnej. Elektródy sú vyrobené z uhlíkovo potiahnutého papiera, v ktorom je dispergovaný platinový katalyzátor.

Elektrická účinnosť palivových článkov PAFC je 37-42%. Pretože však tieto palivové články pracujú pri dostatočne vysokej teplote, je možné použiť paru generovanú touto operáciou. V tomto prípade môže celková účinnosť dosiahnuť 80%.

Na výrobu energie sa suroviny obsahujúce vodík musia premeniť na čistý vodík reformovacím procesom. Ak sa napríklad ako palivo používa benzín, musia sa odstrániť zlúčeniny obsahujúce síru, pretože síra môže poškodiť platinový katalyzátor.

Palivové články typu PAFC boli prvé komerčné palivové články, ktoré boli ekonomicky opodstatnené. Najbežnejším modelom je 200 kW palivový článok PC25 vyrábaný spoločnosťou ONSI Corporation (teraz United Technologies, Inc.) (obr. 13). Tieto prvky sa napríklad používajú ako zdroj tepelnej a elektrickej energie na policajnej stanici v Central Parku v New Yorku alebo ako dodatočný zdroj energie pre výškovú budovu „Conde Nast Building & Four Times Square“. Najväčší závod tohto typu sa testuje ako 11 MW elektráreň v Japonsku.

Palivové články s kyselinou fosforečnou sa používajú aj ako zdroj energie vo vozidlách. Napríklad v roku 1994 vybavili H-Power Corp., Georgetown University a americké ministerstvo energetiky autobus s 50 kW elektrárňou.

Palivové články z roztaveného uhličitanu (MCFC)

Palivové články tohto typu pracujú pri veľmi vysokých teplotách - 600 - 700 ° C. Tieto prevádzkové teploty umožňujú použitie paliva priamo v samotnom článku, bez potreby samostatného reformátora. Tento proces sa nazýva „vnútorná reforma“. Výrazne zjednodušuje konštrukciu palivového článku.

Palivové články na báze roztaveného uhličitanu vyžadujú značný čas rozbehu a neumožňujú rýchlu reguláciu výstupného výkonu; preto sú ich hlavnou oblasťou použitia veľké stacionárne zdroje tepelnej a elektrickej energie. Vyznačujú sa však vysokou účinnosťou premeny paliva - 60% elektrickou účinnosťou a až 85% celkovou účinnosťou.

V tomto type palivového článku pozostáva elektrolyt zo solí uhličitanu draselného a uhličitanu lítneho zahriateho na približne 650 ° C. Za týchto podmienok sú soli v roztavenom stave a vytvárajú elektrolyt. Na anóde vodík interaguje s iónmi CO 3, pričom vzniká voda, oxid uhličitý a uvoľňujú sa elektróny, ktoré sú odoslané do vonkajšieho obvodu, a na katóde kyslík interaguje s oxidom uhličitým a elektrónmi z vonkajšieho obvodu, pričom opäť vzniká ióny CO 3 .

Laboratórne vzorky tohto druhu palivových článkov vytvorili koncom päťdesiatych rokov minulého storočia holandskí vedci G. H. J. Broers a J. A. A. Ketelaar. V šesťdesiatych rokoch minulého storočia inžinier Francis T. Bacon, potomok slávneho anglického spisovateľa a vedca 17. storočia, pracoval s týmito prvkami, a preto sa palivovým článkom MCFC niekedy hovorí Baconove články. Programy Apollo, Apollo-Sojuz a Scylab agentúry NASA používali ako zdroj energie práve také palivové články (obr. 14). V rovnakých rokoch americká armáda testovala niekoľko vzoriek palivových článkov MCFC od spoločnosti Texas Instruments, ktoré ako palivo používali benzín vojenskej kvality. V polovici 70. rokov 20. storočia začalo americké ministerstvo energetiky s výskumom zameraným na vytvorenie stacionárneho palivového článku roztaveného uhličitanu vhodného na praktické využitie. V deväťdesiatych rokoch minulého storočia bolo uvedených do prevádzky množstvo komerčných jednotiek s nominálnym výkonom do 250 kW, napríklad na leteckej základni amerického námorníctva Miramar v Kalifornii. V roku 1996 spoločnosť FuelCell Energy, Inc. uviedol do prevádzky nominálnu predvýrobnú jednotku 2 MW v Santa Clare v Kalifornii.

Palivové články z oxidu tuhého (SOFC)

Oxidové palivové články v tuhom stave majú jednoduchú konštrukciu a pracujú pri veľmi vysokých teplotách-700-1 000 ° C. Tieto vysoké teploty umožňujú použitie relatívne „špinavého“ surového paliva. Rovnaké vlastnosti ako palivové články na báze roztaveného uhličitanu určujú podobnú oblasť použitia - veľké stacionárne zdroje tepelnej a elektrickej energie.

Palivové články na tuhé oxidy sa štrukturálne líšia od palivových článkov PAFC a MCFC. Anóda, katóda a elektrolyt sú vyrobené zo špeciálnej keramiky. Najbežnejšie používaným elektrolytom je zmes oxidu zirkónia a oxidu vápenatého, ale je možné použiť aj iné oxidy. Elektrolyt tvorí kryštálovú mriežku pokrytú na oboch stranách poréznym materiálom elektródy. Štrukturálne sú tieto prvky vyrobené vo forme rúrok alebo plochých dosiek, čo umožňuje pri ich výrobe používať technológie široko používané v elektronickom priemysle. Výsledkom je, že palivové články z oxidu tuhého môžu pracovať pri veľmi vysokých teplotách, a sú preto výhodné na výrobu elektrickej aj tepelnej energie.

Pri vysokých prevádzkových teplotách sa na katóde vytvárajú kyslíkové ióny, ktoré migrujú kryštálovou mriežkou na anódu, kde interagujú s iónmi vodíka, pričom vytvárajú vodu a uvoľňujú voľné elektróny. V tomto prípade sa vodík uvoľňuje zo zemného plynu priamo v článku, to znamená, že nie je potrebný samostatný reformátor.

Teoretické základy pre výrobu palivových článkov z oxidu tuhého v pevnom stave boli položené koncom 30. rokov 20. storočia, keď švajčiarski vedci Emil Bauer a H. Preis experimentovali so zirkónom, ytriom, cériom, lantanom a volfrámom a používali ich ako elektrolyty.

Prvé prototypy takýchto palivových článkov vytvorilo koncom päťdesiatych rokov minulého storočia množstvo amerických a holandských spoločností. Väčšina týchto spoločností čoskoro opustila ďalší výskum kvôli technologickým ťažkostiam, ale jedna z nich, Westinghouse Electric Corp. (teraz Siemens Westinghouse Power Corporation) pokračovala v práci. Spoločnosť v súčasnej dobe prijíma predbežné objednávky na komerčný rúrkový model tuhých palivových článkov, ktorý by mal byť uvedený na trh v tomto roku (obrázok 15). Trhovým segmentom pre tieto prvky sú stacionárne zariadenia na výrobu tepla a elektriny s výkonom 250 kW až 5 MW.

Palivové články typu SOFC preukázali veľmi vysokú spoľahlivosť. Napríklad prototyp palivového článku Siemens Westinghouse má za sebou 16 600 hodín a stále beží, čo z neho robí najdlhšiu nepretržitú životnosť palivových článkov na svete.

Vysokoteplotný a vysokotlakový režim prevádzky palivových článkov SOFC umožňuje vytvorenie hybridných závodov, v ktorých emisie z palivových článkov otáčajú plynové turbíny používané na výrobu elektriny. Prvý takýto hybridný závod je v prevádzke v kalifornskom Irvine. Menovitý výkon tejto inštalácie je 220 kW, z toho 200 kW z palivového článku a 20 kW z mikroturbínového generátora.

Palivový článok Je elektrochemické zariadenie podobné galvanickému článku, ale líši sa od neho tým, že sú do neho dodávané látky na elektrochemickú reakciu zvonku - na rozdiel od obmedzeného množstva energie uloženej v galvanickom článku alebo batérii.

Ryža. 1. Niektoré palivové články

Palivové články premieňajú chemickú energiu paliva na elektrickú energiu, čím obchádzajú neúčinné spaľovacie procesy, ktoré vedú k veľkým stratám. V dôsledku chemickej reakcie premieňajú vodík a kyslík na elektrickú energiu. V dôsledku tohto procesu vzniká voda a uvoľňuje sa veľké množstvo tepla. Palivový článok je veľmi podobný batérii, ktorú je možné nabiť a potom spotrebovať uloženou elektrickou energiou. Verí sa, že vynálezcom palivového článku je William R. Grove, ktorý ho vynašiel v roku 1839. V tomto palivovom článku bol ako elektrolyt použitý roztok kyseliny sírovej a ako palivo bol použitý vodík, ktorý bol kombinovaný s kyslíkom v oxidačnom médiu. Až donedávna sa palivové články používali iba v laboratóriách a na kozmických lodiach.

Na rozdiel od iných generátorov elektrickej energie, ako sú spaľovacie motory alebo turbíny poháňané plynom, uhlím, vykurovacím olejom atď., Palivové články nespalujú palivo. To znamená žiadne hlučné vysokotlakové rotory, žiadny hlasný hluk výfuku, žiadne vibrácie. Palivové články vyrábajú elektrickú energiu tichou elektrochemickou reakciou. Ďalšou vlastnosťou palivových článkov je, že premieňajú chemickú energiu paliva priamo na elektrickú energiu, teplo a vodu.

Palivové články sú vysoko účinné a neprodukujú veľké množstvo skleníkových plynov, ako je oxid uhličitý, metán a oxid dusnatý. Jedinými emisiami produkovanými palivovými článkami sú voda vo forme pary a malé množstvo oxidu uhličitého, ktorý vôbec nevypúšťa, ak sa ako palivo používa čistý vodík. Palivové články sú zostavené do zostáv a potom do samostatných funkčných modulov.

Palivové články nemajú žiadne pohyblivé časti (aspoň v samotnom článku), a preto sa neriadia Carnotovým zákonom. To znamená, že budú mať účinnosť viac ako 50% a budú obzvlášť účinné pri nízkom zaťažení. Vozidlá s palivovými článkami teda môžu (a už boli osvedčené) v reálnych jazdných podmienkach úspornejšie než konvenčné vozidlá.

Palivový článok generuje elektrický prúd s konštantným napätím, ktorý je možné použiť na pohon elektromotora, svietidiel a ďalších elektrických systémov vo vozidle.

Existuje niekoľko typov palivových článkov, ktoré sa líšia použitými chemickými procesmi. Palivové články sú zvyčajne klasifikované podľa typu použitého elektrolytu.

Niektoré typy palivových článkov sú sľubné na použitie ako elektrárne pre elektrárne, iné pre prenosné zariadenia alebo na riadenie automobilov.

1. Alkalické palivové články (SHFC)

Alkalický palivový článok- je to jeden z úplne prvých prvkov, ktoré boli vyvinuté. Alkalické palivové články (ALFC) sú jednou z najviac študovaných technológií, ktoré používa NASA v programoch Apollo a Space Shuttle od polovice 60. rokov minulého storočia. Na palube týchto vesmírnych lodí vyrábajú palivové články elektrickú energiu a pitnú vodu.

Alkalické palivové články sú jedným z najúčinnejších prvkov používaných na výrobu elektriny, pričom účinnosť výroby energie dosahuje až 70%.

Alkalické palivové články používajú elektrolyt, to znamená vodný roztok hydroxidu draselného obsiahnutý v poréznej stabilizovanej matrici. Koncentrácia hydroxidu draselného sa môže líšiť v závislosti od prevádzkovej teploty palivového článku, ktorá sa pohybuje od 65 ° C do 220 ° C. Nosič náboja v SHFC je hydroxylový ión (OH-), ktorý sa pohybuje z katódy na anódu, kde reaguje s vodíkom a vytvára vodu a elektróny. Voda vyrobená na anóde sa vracia späť na katódu a opäť tam vytvára hydroxylové ióny. Táto séria reakcií v palivovom článku vyrába elektrickú energiu a ako vedľajší produkt teplo:

Reakcia na anóde: 2H2 + 4OH- => 4H20 + 4e

Katódová reakcia: O2 + 2H20 + 4e- => 4OH

Všeobecná odozva systému: 2H2 + O2 => 2H2O

Výhodou SHFC je, že tieto palivové články sú najlacnejšie vo výrobe, pretože katalyzátorom, ktorý je potrebný na elektródach, môže byť akákoľvek látka, ktorá je lacnejšia ako látky používané ako katalyzátory pre iné palivové články. Navyše, SCHE pracujú pri relatívne nízkych teplotách a patria medzi najúčinnejšie.

Jednou z charakteristických vlastností SHFC je jeho vysoká citlivosť na CO2, ktorý môže byť obsiahnutý v palive alebo vzduchu. CO2 reaguje s elektrolytom, rýchlo ho otrávi a výrazne znižuje účinnosť palivového článku. Používanie SHTE je preto obmedzené na uzavreté priestory, ako sú vesmírne a podvodné vozidlá, ktoré pracujú s čistým vodíkom a kyslíkom.

2. Palivové články na báze roztaveného uhličitanu (RKTE)

Palivové články z elektrolytu roztaveného uhličitanu sú vysokoteplotné palivové články. Vysoká prevádzková teplota umožňuje použitie zemného plynu priamo bez spracovateľského paliva a palivový plyn s nízkou výhrevnosťou pre priemyselné procesy a iné zdroje. Tento proces bol vyvinutý v polovici 60. rokov dvadsiateho storočia. Od tej doby sa výrobná technológia, výkon a spoľahlivosť zlepšovali.

Prevádzka RKTE je odlišná od ostatných palivových článkov. Tieto články používajú elektrolyt zo zmesi roztavených uhličitanových solí. V súčasnosti sa používajú dva typy zmesí: uhličitan lítny a uhličitan draselný alebo uhličitan lítny a uhličitan sodný. Na roztavenie uhličitanových solí a dosiahnutie vysokého stupňa pohyblivosti iónov v elektrolyte pracujú palivové články s roztaveným uhličitanovým elektrolytom pri vysokých teplotách (650 ° C). Účinnosť sa pohybuje medzi 60-80%.

Soli sa po zahriatí na 650 ° C stanú vodičom uhličitanových iónov (CO32-). Tieto ióny putujú z katódy na anódu, kde sa spoja s vodíkom za vzniku vody, oxidu uhličitého a voľných elektrónov. Tieto elektróny sú vedené späť na katódu cez vonkajší elektrický obvod, pričom ako vedľajší produkt generuje elektrický prúd a teplo.

Anódová reakcia: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e

Katódová reakcia: CO2 + 1 / 2O2 + 2e- => CO32-

Všeobecná reakcia prvku: H2 (g) + 1 / 2O2 (g) + CO2 (katóda) => H2O (g) + CO2 (anóda)

Vysoké prevádzkové teploty palivových článkov elektrolytu roztaveného uhličitanu majú určité výhody. Výhodou je možnosť použitia štandardných materiálov (plech z nehrdzavejúcej ocele a niklový katalyzátor na elektródach). Odpadové teplo je možné využiť na výrobu vysokotlakovej pary. Vysoké reakčné teploty v elektrolyte majú tiež výhody. Použitie vysokých teplôt trvá dlho, kým sa dosiahnu optimálne prevádzkové podmienky, a systém reaguje pomalšie na zmeny v spotrebe energie. Tieto charakteristiky umožňujú použitie inštalácií palivových článkov s roztaveným uhličitanovým elektrolytom za podmienok konštantného výkonu. Vysoké teploty zabraňujú poškodeniu palivového článku oxidom uhoľnatým, otravám atď.

Palivové články z elektrolytu roztaveného uhličitanu sú vhodné na použitie vo veľkých stacionárnych inštaláciách. Tepelné elektrárne s výstupným elektrickým výkonom 2,8 MW sa vyrábajú priemyselne. Vyvíjajú sa zariadenia s výstupným výkonom do 100 MW.

3. Palivové články na báze kyseliny fosforečnej (FCTE)

Palivové články na báze kyseliny fosforečnej (ortofosforečnej) sa stali prvými palivovými článkami na komerčné využitie. Tento proces bol vyvinutý v polovici 60. rokov dvadsiateho storočia, testy sa vykonávali od 70. rokov dvadsiateho storočia. Výsledkom bolo zvýšenie stability a výkonu a zníženie nákladov.

Palivové články na báze kyseliny fosforečnej (ortofosforečnej) používajú elektrolyt na báze kyseliny fosforečnej (H3PO4) s koncentráciou až 100%. Iónová vodivosť kyseliny fosforečnej je pri nízkych teplotách nízka, preto sa tieto palivové články používajú pri teplotách do 150-220 ° C.

Nosičom náboja v tomto type palivového článku je vodík (H +, protón). Podobný proces prebieha v palivových článkoch s membránou na výmenu protónov (MOPTE), v ktorej je vodík dodávaný do anódy rozdelený na protóny a elektróny. Protóny prechádzajú elektrolytom a kombinujú sa s kyslíkom zo vzduchu na katóde za vzniku vody. Elektróny sú vedené vonkajším elektrickým obvodom a generujú elektrický prúd. Nasledujú reakcie, ktoré generujú elektrinu a teplo.

Reakcia na anóde: 2H2 => 4H + + 4e

Katódová reakcia: O2 (g) + 4H + + 4e- => 2H20

Všeobecná reakcia prvku: 2H2 + O2 => 2H20

Účinnosť palivových článkov na báze kyseliny fosforečnej (ortofosforečnej) je pri výrobe elektrickej energie viac ako 40%. Pri kombinovanej výrobe tepla a energie sa celková účinnosť pohybuje okolo 85%. Navyše, vzhľadom na prevádzkové teploty, môže byť odpadové teplo použité na ohrev vody a výrobu pary pri atmosférickom tlaku.

Vysoký výkon teplární a elektrární na palivové články na báze kyseliny fosforečnej (ortofosforečnej) pri kombinovanej výrobe tepla a elektriny je jednou z výhod tohto typu palivových článkov. Rastliny používajú oxid uhoľnatý s koncentráciou asi 1,5%, čo výrazne rozširuje výber paliva. Jednoduchý dizajn, nízka prchavosť elektrolytu a zvýšená stabilita sú tiež výhody týchto palivových článkov.

Tepelné elektrárne s výstupným elektrickým výkonom až 400 kW sa vyrábajú priemyselne. Príslušne boli testované zariadenia s výkonom 11 MW. Vyvíjajú sa zariadenia s výstupným výkonom do 100 MW.

4. Palivové články s membránou na výmenu protónov (MOPTE)

Palivové články s membránou na výmenu protónov sú považované za najlepší typ palivových článkov na výrobu energie pre vozidlá, ktoré môžu nahradiť benzínové a naftové spaľovacie motory. Tieto palivové články prvýkrát použila NASA na program Gemini. Inštalácie na MOPTE boli vyvinuté a zobrazené s výkonom od 1 W do 2 kW.

Elektrolyt v týchto palivových článkoch je tuhá polymérna membrána (tenká plastová fólia). Keď je tento polymér impregnovaný vodou, umožňuje prechod protónov, ale nevedie elektróny.

Palivom je vodík a nosičom náboja je vodíkový ión (protón). Na anóde je molekula vodíka rozdelená na vodíkový ión (protón) a elektróny. Vodíkové ióny prechádzajú elektrolytom na katódu, zatiaľ čo elektróny sa pohybujú okolo vonkajšieho kruhu a produkujú elektrickú energiu. Kyslík, ktorý sa odoberá zo vzduchu, sa privádza na katódu a kombinuje sa s elektrónmi a vodíkovými iónmi za vzniku vody. Na elektródach prebiehajú nasledujúce reakcie: Reakcia na anóde: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e Reakcia na katóde: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH Celková bunková reakcia: 2H2 + O2 => 2H2O v porovnaní s inými typy palivových článkov, palivové články a protónová výmenná membrána produkuje viac energie pre daný objem alebo hmotnosť palivového článku. Vďaka tejto funkcii sú kompaktné a ľahké. Prevádzková teplota je navyše nižšia ako 100 ° C, čo umožňuje rýchle spustenie prevádzky. Tieto vlastnosti, ako aj schopnosť rýchlo meniť energetický výdaj, sú len niektoré z nich, vďaka ktorým sú tieto palivové články hlavným kandidátom na použitie vo vozidle.

Ďalšou výhodou je, že elektrolyt je pevný a nie kvapalný. Je jednoduchšie udržať plyny na katóde a anóde s pevným elektrolytom, takže výroba takýchto palivových článkov je lacnejšia. Pri použití pevného elektrolytu nie sú také ťažkosti ako orientácia a menej problémov v dôsledku výskytu korózie, čo zvyšuje životnosť článku a jeho súčastí.

5. Palivové články na tuhé oxidy (SOFC)

Palivové články z tuhého oxidu sú palivové články s najvyššou prevádzkovou teplotou. Prevádzková teplota sa môže meniť od 600 ° C do 1 000 ° C, čo umožňuje použitie rôznych typov palív bez špeciálnej predbežnej úpravy. Na zvládnutie týchto vysokých teplôt je použitým elektrolytom tenký pevný oxid kovu na keramickej báze, často zliatina yttria a zirkónia, ktorý je vodičom iónov kyslíka (O2-). Technológia využívania palivových článkov na tuhé oxidy sa vyvíja od konca päťdesiatych rokov minulého storočia a má dve konfigurácie: planárne a rúrkové.

Pevný elektrolyt poskytuje hermeticky uzavretý prechod plynu z jednej elektródy na druhú, zatiaľ čo kvapalné elektrolyty sú umiestnené v pórovitom substráte. Nosičom náboja v tomto type palivových článkov je kyslíkový ión (O2-). Na katóde sú molekuly kyslíka zo vzduchu rozdelené na kyslíkový ión a štyri elektróny. Kyslíkové ióny prechádzajú elektrolytom a kombinujú sa s vodíkom za vzniku štyroch voľných elektrónov. Elektróny sú vedené cez externý elektrický obvod, ktorý generuje elektrický prúd a odpadové teplo.

Reakcia na anóde: 2H2 + 2O2- => 2H20 + 4e

Katódová reakcia: O2 + 4e- => 2O2-

Všeobecná reakcia prvku: 2H2 + O2 => 2H20

Účinnosť výroby elektrickej energie je najvyššia zo všetkých palivových článkov - asi 60%. Vysoké prevádzkové teploty navyše umožňujú kombinovanú výrobu tepla a energie vytvárať vysokotlakovú paru. Kombinácia vysokoteplotného palivového článku s turbínou umožňuje vytvoriť hybridný palivový článok, ktorý zvýši účinnosť výroby elektrickej energie až o 70%.

Palivové články na tuhé oxidy pracujú pri veľmi vysokých teplotách (600 ° C-1 000 ° C), kým dosiahnutie optimálnych prevádzkových podmienok trvá dlho, a systém reaguje pomalšie na zmeny spotreby energie. Pri takých vysokých prevádzkových teplotách nie je potrebný konvertor na spätné získavanie vodíka z paliva, čo umožňuje tepelnej elektrárni pracovať s relatívne nečistými palivami, ktoré sú výsledkom splyňovania uhlia alebo odpadových plynov a podobne. Tento palivový článok je tiež vynikajúci pre prevádzku s vysokým výkonom vrátane priemyselných a veľkých centrálnych elektrární. Moduly s výstupným elektrickým výkonom 100 kW sa vyrábajú komerčne.

6. Palivové články s priamou oxidáciou metanolom (POMTE)

Palivové články s priamou oxidáciou metanolomÚspešne sa používajú v oblasti napájania mobilných telefónov, prenosných počítačov, ako aj pri vytváraní prenosných zdrojov energie, na čo je zamerané budúce využitie takýchto prvkov.

Konštrukcia palivových článkov s priamou oxidáciou metanolom je podobná konštrukcii palivových článkov s protónovou výmennou membránou (MOPTE), t.j. polymér sa používa ako elektrolyt a vodíkový ión (protón) sa používa ako nosič náboja. Ale kvapalný metanol (CH30H) sa oxiduje v prítomnosti vody na anóde za uvoľnenia CO2, vodíkových iónov a elektrónov, ktoré sú vedené pozdĺž vonkajšieho elektrického obvodu, pričom vzniká elektrický prúd. Vodíkové ióny prechádzajú elektrolytom a reagujú s kyslíkom zo vzduchu a elektrónmi z vonkajšieho okruhu za vzniku vody na anóde.

Reakcia na anóde: CH3OH + H2O => CO2 + 6H + + 6e Reakcia na katóde: 3 / 2O2 + 6H + + 6e- => 3H2O Všeobecná reakcia prvku: CH3OH + 3 / 2O2 => CO2 + 2H2O vývoj takýchto palivových článkov sa uskutočňoval od začiatku 90- x rokov dvadsiateho storočia a ich hustota výkonu a účinnosť sa zvýšili na 40%.

Tieto prvky boli testované v teplotnom rozmedzí 50-120 ° C. Vzhľadom na nízke prevádzkové teploty a potrebu meniča nie sú tieto palivové články najlepším kandidátom na použitie v mobilných telefónoch a inom spotrebnom tovare, ako aj v automobilových motoroch. Ich výhodou sú aj malé rozmery.

7. Palivové články z polymérneho elektrolytu (PETE)

V prípade palivových článkov z polymérneho elektrolytu sa polymérna membrána skladá z polymérnych vlákien s vodnými oblasťami, v ktorých je k molekule vody pripojená vodivosť vodných iónov H2O + (protón, červená). Molekuly vody predstavujú problém kvôli pomalej výmene iónov. Preto je v palive aj na výstupných elektródach potrebná vysoká koncentrácia vody, ktorá obmedzuje prevádzkovú teplotu na 100 ° C.

8. Palivové články na tuhé kyseliny (TKTE)

V palivových článkoch na tuhé kyseliny elektrolyt (CsHSO4) neobsahuje vodu. Prevádzková teplota je preto 100-300 ° C. Rotácia oxyaniónov SO42-umožňuje pohyb protónov (červený), ako je znázornené na obrázku. Palivový článok na tuhé kyseliny je obvykle sendvič, v ktorom je medzi dve tesne stlačené elektródy vložená veľmi tenká vrstva pevnej kyslej zlúčeniny, aby sa zaistil dobrý kontakt. Pri zahrievaní sa organická zložka odparuje a opúšťa póry v elektródach, pričom si zachováva schopnosť viacnásobných kontaktov medzi palivom (alebo kyslíkom na druhom konci článkov), elektrolytom a elektródami.

9. Porovnanie najdôležitejších charakteristík palivových článkov

Charakteristiky palivových článkov

Typ palivového článku	Pracovná teplota	Účinnosť výroby energie	Druh paliva	Pôsobnosť
				Stredné a veľké inštalácie
			Čistý vodík	inštalácií
			Čistý vodík	Malé inštalácie
			Väčšina uhľovodíkových palív	Malé, stredné a veľké inštalácie
				Prenosný inštalácií
			Čistý vodík	Vesmír vyšetrovanie
			Čistý vodík	Malé inštalácie

10. Použitie palivových článkov v automobiloch