Mi a membrán célja az üzemanyagcellában? Különféle üzemanyagcellás modulok

1. rész

Ez a cikk részletesebben tárgyalja az üzemanyagcellák működési elvét, kialakításukat, osztályozásukat, előnyeit és hátrányait, terjedelmét, hatékonyságát, a keletkezés történetét és a modern felhasználási lehetőségeket. A cikk második részében, amely az ABOK magazin következő számában jelenik meg, példákat mutat be olyan létesítményekre, ahol különféle típusú üzemanyagcellákat használtak hő- és villamosenergia-forrásként (vagy csak elektromosságként).

Bevezetés

Az üzemanyagcellák nagyon hatékony, megbízható, tartós és környezetbarát módja az energiatermelésnek.

A kezdetben csak az űriparban használt tüzelőanyag-cellákat ma már egyre gyakrabban használják különféle területeken - helyhez kötött erőművekként, épületek autonóm hő- és áramellátásaként, motorokként Jármű, tápegységek laptopokhoz és mobiltelefonokhoz. Ezeknek az eszközöknek egy része laboratóriumi prototípus, némelyik széria előtti tesztelés alatt áll, vagy demonstrációs célokra használják, de sok modellt sorozatgyártásban és kereskedelmi projektekben használnak.

Az üzemanyagcella (elektrokémiai generátor) olyan eszköz, amely egy tüzelőanyag (hidrogén) kémiai energiáját elektrokémiai reakció során közvetlenül elektromos energiává alakítja, ellentétben a hagyományos technológiákkal, amelyek szilárd, folyékony és gáznemű tüzelőanyagok elégetését használják fel. Az üzemanyag közvetlen elektrokémiai átalakítása környezetvédelmi szempontból nagyon hatékony és vonzó, mivel az üzemelés során minimális mennyiségű szennyezőanyag szabadul fel, nincs erős zaj és rezgés.

Gyakorlati szempontból az üzemanyagcella egy hagyományos galvanikus akkumulátorhoz hasonlít. A különbség abban rejlik, hogy az akkumulátor kezdetben fel van töltve, azaz „üzemanyaggal” van feltöltve. Működés közben az "üzemanyag" elfogy, és az akkumulátor lemerül. Az akkumulátorral ellentétben az üzemanyagcella külső forrásból származó üzemanyagot használ elektromos energia előállítására (1. ábra).

Az elektromos energia előállításához nem csak a tiszta hidrogén használható, hanem más hidrogéntartalmú nyersanyagok is, például földgáz, ammónia, metanol vagy benzin. A közönséges levegőt használják oxigénforrásként, amely szintén szükséges a reakcióhoz.

Tiszta hidrogén tüzelőanyagként történő felhasználása esetén a reakciótermékek az elektromos energia mellett hő és víz (vagy vízgőz), azaz nem kerülnek a légkörbe légszennyezést okozó vagy üvegházhatást okozó gázok. Ha hidrogén tartalmú alapanyagot, például földgázt használunk tüzelőanyagként, más gázok, például szén- és nitrogén-oxidok lesznek a reakció melléktermékei, de mennyiségük jóval kisebb, mint ugyanezen égetéskor. földgáz mennyisége.

Az üzemanyag kémiai átalakításának folyamatát hidrogén előállítására reformálásnak, a megfelelő eszközt reformernek nevezik.

Az üzemanyagcellák előnyei és hátrányai

Az üzemanyagcellák energiahatékonyabbak, mint a belső égésű motorok, mivel az üzemanyagcellák energiahatékonyságának nincs termodinamikai korlátja. Az üzemanyagcellák hatásfoka 50%, míg a belső égésű motoroké 12-15%, a gőzturbinás erőművek hatásfoka pedig nem haladja meg a 40%-ot. Hő és víz felhasználásával tovább nő az üzemanyagcellák hatásfoka.

Ellentétben például a belső motorokkal égési hatékonyság Az üzemanyagcellák még akkor is nagyon magasak maradnak, ha nem működnek teljes teljesítménnyel. Ráadásul az üzemanyagcellák teljesítménye egyszerűen külön blokkok hozzáadásával növelhető, miközben a hatásfok nem változik, vagyis a nagy telepítések ugyanolyan hatékonyak, mint a kicsik. Ezek a körülmények lehetővé teszik a berendezés összetételének nagyon rugalmas kiválasztását az ügyfél kívánságai szerint, és végső soron a berendezés költségeinek csökkenéséhez vezetnek.

Az üzemanyagcellák fontos előnye a környezetbarátság. Az üzemanyagcellákból származó szennyezőanyag-kibocsátás olyan alacsony, hogy az Egyesült Államok egyes területein nincs szükség külön engedélyre. kormányzati szervek a levegő környezet minőségének ellenőrzése.

Az üzemanyagcellák közvetlenül az épületben helyezhetők el, ezzel csökkentve az energiaátviteli veszteségeket, a reakció eredményeként keletkező hő pedig felhasználható az épület hő- vagy melegvízellátására. Az autonóm hő- és áramforrások nagyon előnyösek lehetnek a távoli területeken és azokban a régiókban, ahol a villamosenergia-hiány és annak magas költsége jellemző, ugyanakkor vannak hidrogéntartalmú nyersanyagok (olaj, földgáz) tartalékai. .

Az üzemanyagcellák előnye még az üzemanyag elérhetősége, a megbízhatóság (nincs mozgó alkatrész az üzemanyagcellában), a tartósság és a könnyű kezelhetőség.

Az üzemanyagcellák egyik fő hiányossága manapság a viszonylag magas ára, de ez a hiányosság hamarosan kiküszöbölhető - egyre több cég gyárt kereskedelmi forgalomban lévő üzemanyagcella mintákat, ezeket folyamatosan fejlesztik, és költségük is csökken.

A tiszta hidrogén tüzelőanyagként való leghatékonyabb felhasználása azonban speciális infrastruktúra létrehozását kívánja meg annak előállításához és szállításához. Jelenleg minden kereskedelmi terv földgázt és hasonló tüzelőanyagokat használ. A gépjárművek közönséges benzint használhatnak, ami lehetővé teszi a meglévő, fejlett benzinkutak hálózatának fenntartását. Az ilyen tüzelőanyag használata azonban káros kibocsátáshoz vezet a légkörbe (bár nagyon alacsony), és bonyolítja (és ezért növeli a költségeket) az üzemanyagcellát. A jövőben lehetőség nyílik a környezetbarát megújuló energiaforrások alkalmazására (pl. napenergia vagy szélenergia) a vizet elektrolízissel hidrogénre és oxigénre bontani, majd a kapott tüzelőanyagot üzemanyagcellában alakítani. Az ilyen, zárt ciklusban működő kombinált üzemek teljesen környezetbarát, megbízható, tartós és hatékony energiaforrást jelenthetnek.

Az üzemanyagcellák másik jellemzője, hogy a leghatékonyabbak, ha egyszerre használnak elektromos és hőenergiát. A hőenergia felhasználásának lehetősége azonban nem minden létesítményben áll rendelkezésre. Abban az esetben, ha az üzemanyagcellákat csak elektromos energia előállítására használjuk, azok hatásfoka csökken, bár meghaladja a „hagyományos” berendezések hatásfokát.

Az üzemanyagcellák története és modern felhasználása

Az üzemanyagcellák működési elvét 1839-ben fedezték fel. William Robert Grove (1811-1896) angol tudós felfedezte, hogy az elektrolízis folyamata - a víz elektromos áram hatására hidrogénné és oxigénné bomlása - reverzibilis, vagyis a hidrogén és az oxigén égés nélkül egyesülhet vízmolekulákká, de hő és elektromos áram felszabadulásával. Grove „gáz akkumulátornak” nevezte azt az eszközt, amelyben az ilyen reakciót végrehajtották, amely az első üzemanyagcella volt.

Az üzemanyagcellás technológiák aktív fejlesztése a második világháború után kezdődött, és az űriparhoz kötődik. Akkoriban hatékony és megbízható, ugyanakkor meglehetősen kompakt energiaforrást kerestek. Az 1960-as években a NASA szakértői (National Aeronautics and Space Administration, NASA) az üzemanyagcellákat választották energiaforrásként az Apollo (emberes repülések a Holdra), az Apollo-Soyuz, a Gemini és a Skylab programok űrhajóihoz. Az Apollo három 1,5 kW-os egységet (2,2 kW csúcsteljesítmény) használt kriogén hidrogén és oxigén felhasználásával elektromos áram, hő és víz előállítására. Az egyes berendezések tömege 113 kg volt. Ez a három cella párhuzamosan működött, de az egy egység által termelt energia elegendő volt a biztonságos visszatéréshez. 18 repülés során az üzemanyagcellák összesen 10 000 órát halmoztak fel hiba nélkül. Jelenleg üzemanyagcellákat használnak a "Space Shuttle" űrsiklóban, amely három, 12 W teljesítményű egységet használ, amelyek az űrhajó fedélzetén lévő összes elektromos energiát termelik (2. ábra). Az elektrokémiai reakció eredményeként kapott vizet ivóvízként, valamint hűtőberendezésként használják.

Hazánkban is folytak a munkálatok az űrhajózásban használható üzemanyagcellák létrehozásán. Például üzemanyagcellákat használtak az áramellátáshoz szovjet hajóújrafelhasználható "Buran".

Az 1960-as évek közepén kezdődtek meg az üzemanyagcellák kereskedelmi felhasználásának módszerei. Ezeket a fejlesztéseket részben állami szervezetek finanszírozták.

Jelenleg az üzemanyagcellák felhasználási technológiáinak fejlesztése több irányba halad. Ez a tüzelőanyagcellás helyhez kötött erőművek (központosított és decentralizált energiaellátásra egyaránt), a járművek erőművei (az üzemanyagcellás személygépkocsik és buszok mintái készültek, hazánkban is) (3. ábra), ill. valamint különféle áramforrások mobil eszközök(laptopok, mobiltelefonok stb.) (4. ábra).

A táblázatban találhatók példák az üzemanyagcellák különféle területeken történő felhasználására. egy.

Az épületek autonóm hő- és áramellátására tervezett üzemanyagcellák egyik első kereskedelmi modellje az ONSI Corporation (ma United Technologies, Inc.) által gyártott PC25 Model A volt. Ez a 200 kW névleges teljesítményű tüzelőanyag-cella a foszforsav alapú elektrolitos cellákhoz tartozik (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC). A modell nevében szereplő „25” szám azt jelenti sorozatszám tervez. A legtöbb korábbi modell kísérleti vagy próbadarab volt, mint például a 12,5 kW-os "PC11" modell, amely az 1970-es években jelent meg. Az új modellek megnövelték az egyetlen üzemanyagcellából felvett teljesítményt, és csökkentették a megtermelt energia kilowattra eső költségét is. Jelenleg az egyik leghatékonyabb kereskedelmi modell a PC25 Model C üzemanyagcellás. Az „A” modellhez hasonlóan ez egy teljesen automatikus, 200 kW-os PAFC típusú üzemanyagcella, amelyet közvetlenül a szervizelt objektumra szereltek fel független hő- és villamosenergia-forrásként. Egy ilyen üzemanyagcella az épületen kívül is telepíthető. Külsőleg 5,5 m hosszú, 3 m széles és 3 m magas paralelcső, súlya 18 140 kg. A különbség a korábbi modellekhez képest a továbbfejlesztett reformer és a nagyobb áramsűrűség.

Az üzemanyagcellák egyes típusaiban a kémiai folyamat megfordítható: potenciálkülönbséget alkalmazva az elektródákra a víz hidrogénre és oxigénre bontható, amelyek porózus elektródákra gyűlnek össze. Amikor egy terhelést csatlakoztatnak, egy ilyen regeneratív üzemanyagcella elkezd elektromos energiát termelni.

Az üzemanyagcellák felhasználásának ígéretes iránya a megújuló energiaforrásokkal, például a fotovoltaikus panelekkel vagy a szélturbinákkal való együttes felhasználásuk. Ez a technológia lehetővé teszi a légszennyezés teljes elkerülését. Hasonló rendszert terveznek létrehozni például az oberlini Adam Joseph Lewis Training Centerben (lásd ABOK, 2002, 5. szám, 10. o.). Jelenleg a napelemek az egyik energiaforrás az épületben. A NASA szakembereivel közösen kidolgoztak egy projektet, amelynek célja fotovoltaikus panelek felhasználásával hidrogént és oxigént állítanak elő vízből elektrolízissel. A hidrogént ezután üzemanyagcellákban használják fel elektromos energia előállítására és forró víz. Ez lehetővé teszi, hogy az épület fenntartsa az összes rendszer teljesítményét felhős napokon és éjszaka is.

Az üzemanyagcellák működési elve

Példaként tekintsük az üzemanyagcella működési elvét a legegyszerűbb protoncserélő membránnal (Proton Exchange Membrane, PEM) tartalmazó elem használatával. Az ilyen elem egy polimer membránból áll, amely az anód (pozitív elektróda) ​​és a katód (negatív elektród) közé van elhelyezve, az anód- és katódkatalizátorokkal együtt. Elektrolitként polimer membránt használnak. A PEM elem diagramja az ábrán látható. 5.

A protoncserélő membrán (PEM) egy vékony (körülbelül 2-7 lapnyi sima papír vastagságú) szilárd szerves vegyület. Ez a membrán elektrolitként működik: víz jelenlétében az anyagot pozitív és negatív töltésű ionokra választja szét.

Az anódon oxidatív folyamat, a katódon redukciós folyamat megy végbe. A PEM cellában található anód és katód porózus anyagból készül, amely szén és platina részecskék keveréke. A platina katalizátorként működik, amely elősegíti a disszociációs reakciót. Az anód és a katód porózussá válik, hogy a hidrogén és az oxigén szabadon áthaladhasson rajtuk.

Az anód és a katód kettő között van elhelyezve fémlemezek, amelyek hidrogénnel és oxigénnel látják el az anódot és a katódot, valamint eltávolítják a hőt és a vizet, valamint az elektromos energiát.

A hidrogénmolekulák a lemezben lévő csatornákon át az anódhoz jutnak, ahol a molekulák egyedi atomokra bomlanak (6. ábra).

Ezután katalizátor jelenlétében végzett kemiszorpció eredményeként a hidrogénatomok, amelyek mindegyike egy elektront adnak át e - , pozitív töltésű H + hidrogénionokká, azaz protonokká alakulnak (7. ábra).

A pozitív töltésű hidrogénionok (protonok) a membránon keresztül a katódra diffundálnak, az elektronáramot pedig egy külső elektromos áramkörön keresztül irányítják a katódra, amelyre a terhelés (elektromos energiafogyasztó) csatlakozik (8. ábra).

A katódra juttatott oxigén katalizátor jelenlétében kémiai reakcióba lép a protoncserélő membránból származó hidrogénionokkal (protonokkal), a külső elektromos áramkörből pedig elektronokkal (9. ábra). Egy kémiai reakció eredményeként víz képződik.

A kémiai reakció más típusú üzemanyagcellában (például savas elektrolittal, amely H 3 PO 4 foszforsav oldata) teljesen azonos a protoncserélő membránnal rendelkező üzemanyagcellában végbemenő kémiai reakcióval.

Bármely üzemanyagcellában a kémiai reakció energiájának egy része hőként szabadul fel.

Az elektronok áramlása egy külső áramkörben egyenáram, amelyet munkavégzésre használnak. A külső áramkör kinyitása vagy a hidrogénionok mozgásának leállítása leállítja a kémiai reakciót.

Az üzemanyagcella által termelt elektromos energia mennyisége az üzemanyagcella típusától függ, geometriai méretek, hőmérséklet, gáznyomás. Egyetlen tüzelőanyag-cella 1,16 V-nál kisebb EMF-t biztosít. Lehetséges az üzemanyagcellák méretének növelése, de a gyakorlatban több cellát használnak, akkumulátorokba kapcsolva (10. ábra).

Üzemanyagcellás készülék

Tekintsük az üzemanyagcellás eszközt a PC25 Model C modell példáján. Az üzemanyagcella sémája az ábrán látható. tizenegy.

A "PC25 Model C" üzemanyagcella három fő részből áll: az üzemanyag-feldolgozóból, a tényleges energiatermelő részből és a feszültségátalakítóból.

Az üzemanyagcella fő része - az energiatermelő rész - egy köteg, amely 256 különálló üzemanyagcellából áll. Az üzemanyagcellás elektródák összetétele platina katalizátort tartalmaz. Ezeken a cellákon keresztül 155 voltos feszültség mellett 1400 amperes egyenáram keletkezik. Az akkumulátor mérete körülbelül 2,9 m hosszú és 0,9 m szélesség és magasság.

Mivel az elektrokémiai folyamat 177 ° C hőmérsékleten megy végbe, az akkumulátort az indításkor fel kell melegíteni, és működés közben hőt kell eltávolítani belőle. Ehhez az üzemanyagcella külön vízkört tartalmaz, az akkumulátor pedig speciális hűtőlemezekkel van felszerelve.

Az üzemanyag-feldolgozó lehetővé teszi a földgáz hidrogénné alakítását, amely szükséges az elektrokémiai reakcióhoz. Ezt a folyamatot reformálásnak nevezik. Az üzemanyag-feldolgozó fő eleme a reformer. A reformerben a földgáz (vagy más hidrogéntartalmú üzemanyag) magas hőmérsékleten (900 °C) és nagy nyomáson nikkelkatalizátor jelenlétében reagál a gőzzel. A következő kémiai reakciók játszódnak le:

CH 4 (metán) + H 2 O 3H 2 + CO

(endoterm reakció, hőelnyeléssel);

CO + H 2 O H 2 + CO 2

(a reakció exoterm, hő szabadul fel).

Az általános reakciót a következő egyenlet fejezi ki:

CH 4 (metán) + 2H 2 O 4H 2 + CO 2

(endoterm reakció, hőelnyeléssel).

A földgázátalakításhoz szükséges magas hőmérséklet biztosítása érdekében az üzemanyagcella-kötegből a kiégett üzemanyag egy részét egy égőbe küldik, amely a reformátort a kívánt hőmérsékleten tartja.

A reformáláshoz szükséges gőz az üzemanyagcella működése során keletkező kondenzátumból keletkezik. Ebben az esetben az üzemanyagcella-kötegből eltávolított hő kerül felhasználásra (12. ábra).

Az üzemanyagcella szakaszos egyenáramot állít elő, amelyet alacsony feszültség és nagy áramerősség jellemez. Feszültségátalakítót használnak az ipari szabványos váltakozó áramra való átalakításához. Ezenkívül a feszültségátalakító egység különféle vezérlőeszközöket és biztonsági reteszelő áramköröket tartalmaz, amelyek lehetővé teszik az üzemanyagcella kikapcsolását különféle meghibásodások esetén.

Egy ilyen üzemanyagcellában a tüzelőanyagban lévő energiának körülbelül 40%-a alakítható elektromos energiává. Körülbelül ugyanennyi, az üzemanyag energiájának körülbelül 40%-a alakítható át hőenergia, amelyet aztán hőforrásként használnak fűtésre, melegvízellátásra és hasonló célokra. Így egy ilyen üzem teljes hatékonysága elérheti a 80%-ot.

Egy ilyen hő- és villamosenergia-forrás fontos előnye annak lehetősége automatikus működés. A karbantartáshoz annak a létesítménynek a tulajdonosainak, amelyre az üzemanyagcella fel van szerelve, nem kell speciálisan képzett személyzetet fenntartania - az időszakos karbantartást az üzemeltető szervezet alkalmazottai végezhetik.

Üzemanyagcella típusok

Jelenleg többféle üzemanyagcella ismert, amelyek a felhasznált elektrolit összetételében különböznek egymástól. A következő négy típus a legelterjedtebb (2. táblázat):

1. Üzemanyagcellák protoncserélő membránnal (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC).

2. Ortofoszforsav (foszforsav) alapú üzemanyagcellák (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC).

3. Olvadt karbonát alapú üzemanyagcellák (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).

4. Szilárd oxid üzemanyagcellák (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC). Jelenleg a legnagyobb üzemanyagcella-flotta PAFC technológia alapján épül fel.

Az egyik Főbb jellemzők különböző típusok az üzemanyagcella üzemi hőmérséklete. Sok szempontból a hőmérséklet határozza meg az üzemanyagcellák hatókörét. Például a magas hőmérséklet kritikus a laptopok számára, ezért alacsony üzemi hőmérsékletű protoncserélő membrán üzemanyagcellákat fejlesztenek erre a piaci szegmensre.

Az épületek autonóm energiaellátásához nagy beépített kapacitású tüzelőanyagcellák szükségesek, ugyanakkor lehetőség van hőenergia felhasználására, ezért más típusú tüzelőanyag-cellák is használhatók erre a célra.

Protoncserélő membrán üzemanyagcellák (PEMFC)

Ezek az üzemanyagcellák viszonylag alacsony üzemi hőmérsékleten (60-160°C) működnek. Nagy teljesítménysűrűség jellemzi őket, lehetővé teszik a kimeneti teljesítmény gyors beállítását, és gyorsan bekapcsolhatók. Az ilyen típusú elemek hátránya a magas üzemanyag-minőségi követelmények, mivel a szennyezett üzemanyag károsíthatja a membránt. Az ilyen típusú üzemanyagcellák névleges teljesítménye 1-100 kW.

A protoncserélő membrán üzemanyagcellákat eredetileg a General Electric Corporation fejlesztette ki az 1960-as években a NASA számára. Az ilyen típusú üzemanyagcellák szilárd fázisú polimer elektrolitot használnak, amelyet protoncserélő membránnak (PEM) neveznek. A protonok áthaladhatnak a protoncserélő membránon, de az elektronok nem tudnak áthaladni rajta, ami potenciálkülönbséget eredményez a katód és az anód között. Egyszerűségük és megbízhatóságuk miatt az ilyen üzemanyagcellákat energiaforrásként használták a Gemini emberes űrhajókon.

Az ilyen típusú üzemanyagcellákat sokféle eszköz energiaforrásaként használják, beleértve a prototípusokat és prototípusokat is, a mobiltelefonoktól a buszokig és a helyhez kötött energiarendszerekig. Az alacsony üzemi hőmérséklet lehetővé teszi, hogy az ilyen cellákat különféle típusú komplexek táplálására használják elektronikus eszközök. Kevésbé hatékony hő- és áramforrásként való felhasználásuk köz- és ipari épületek számára, ahol nagy mennyiségű hőenergia szükséges. Ugyanakkor az ilyen elemek ígéretesek autonóm energiaforrásként kis lakóépületek, például meleg éghajlatú régiókban épült nyaralók számára.

Foszforsavas üzemanyagcellák (PAFC)

Az ilyen típusú üzemanyagcellák tesztelését már az 1970-es évek elején végezték. Működési hőmérséklet tartomány - 150-200 °C. A fő alkalmazási terület a közepes teljesítményű (kb. 200 kW) autonóm hő- és áramforrások.

Az ezekben az üzemanyagcellákban használt elektrolit foszforsav oldat. Az elektródák szénnel bevont papírból készülnek, amelyben platina katalizátor van diszpergálva.

A PAFC üzemanyagcellák elektromos hatásfoka 37-42%. Mivel azonban ezek az üzemanyagcellák kellően magas hőmérsékleten működnek, lehetőség van a működés során keletkező gőz felhasználására. Ebben az esetben általános hatékonyságot elérheti a 80%-ot.

Az energia előállításához a hidrogéntartalmú nyersanyagot tiszta hidrogénné kell alakítani reformálási eljárással. Például, ha benzint használnak üzemanyagként, akkor a kénvegyületeket el kell távolítani, mivel a kén károsíthatja a platina katalizátort.

A PAFC üzemanyagcellák voltak az első olyan kereskedelmi üzemanyagcellák, amelyek gazdaságilag indokoltak voltak. A legelterjedtebb modell az ONSI Corporation (ma United Technologies, Inc.) által gyártott 200 kW-os PC25 üzemanyagcella volt (13. ábra). Ezeket az elemeket például hő- és áramforrásként használják a New York-i Central Park egyik rendőrőrsén, vagy kiegészítő energiaforrásként a Conde Nast Building és a Four Times Square számára. A legtöbb kamion Ezt a típust 11 MW-os erőműként tesztelik Japánban.

A foszforsav alapú üzemanyagcellákat a járművek energiaforrásaként is használják. Például 1994-ben a H-Power Corp., a Georgetown Egyetem és az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma egy buszt szerelt fel 50 kW-os erőművel.

Olvadt karbonát üzemanyagcellák (MCFC)

Az ilyen típusú üzemanyagcellák nagyon magas - 600-700 °C - hőmérsékleten működnek. Ezek az üzemi hőmérsékletek lehetővé teszik az üzemanyag közvetlenül a cellában történő felhasználását, külön reformátor nélkül. Ezt a folyamatot "belső reformációnak" nevezik. Lehetővé teszi az üzemanyagcella kialakításának jelentős egyszerűsítését.

Az olvadt karbonát alapú üzemanyagcellák jelentős indítási időt igényelnek, és nem teszik lehetővé a kimenő teljesítmény gyors beállítását, ezért fő alkalmazási területük a nagy, helyhez kötött hő- és villamosenergia-források. Megkülönböztetik azonban a magas üzemanyag-átalakítási hatékonysággal – 60%-os elektromos hatásfokkal és akár 85%-os általános hatásfokkal.

Az ilyen típusú üzemanyagcellákban az elektrolit körülbelül 650 °C-ra hevített kálium-karbonátból és lítium-karbonát sóból áll. Ilyen körülmények között a sók olvadt állapotban vannak, és elektrolitot képeznek. Az anódon a hidrogén kölcsönhatásba lép a CO 3 ionokkal, víz, szén-dioxid képződik és elektronok szabadulnak fel, amelyek a külső áramkörbe kerülnek, a katódon pedig az oxigén a szén-dioxiddal és a külső kör elektronjaival lép kölcsönhatásba, ismét CO 3 ionokat képezve.

Az ilyen típusú üzemanyagcellák laboratóriumi mintáit az 1950-es évek végén G. H. J. Broers és J. A. A. Ketelaar holland tudósok készítettek. Az 1960-as években Francis T. Bacon mérnök, egy híres 17. századi angol író és tudós leszármazottja ezekkel az elemekkel dolgozott, ezért az MCFC üzemanyagcellákat néha Bacon elemeknek is nevezik. A NASA Apollo, Apollo-Soyuz és Scylab programjai éppen ilyen üzemanyagcellákat használtak áramforrásként (14. ábra). Ugyanebben az években az Egyesült Államok katonai osztálya több mintát tesztelt a Texas Instruments által gyártott MCFC üzemanyagcellákból, amelyekben hadsereg minőségű benzint használtak üzemanyagként. Az 1970-es évek közepén az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma kutatásba kezdett egy olyan helyhez kötött, olvadt karbonát üzemanyagcella kifejlesztésére, amely alkalmas gyakorlati alkalmazásokra. Az 1990-es években számos, legfeljebb 250 kW teljesítményű kereskedelmi egységet helyeztek üzembe, például a kaliforniai Miramar amerikai haditengerészeti légiállomáson. 1996-ban a FuelCell Energy, Inc. üzembe helyezett egy 2 MW-os előszériás erőművet a kaliforniai Santa Clarában.

Szilárdtest-oxid üzemanyagcellák (SOFC)

A szilárdtest-oxid tüzelőanyag-cellák egyszerű felépítésűek, és nagyon magas - 700-1000 °C - hőmérsékleten működnek. Az ilyen magas hőmérséklet lehetővé teszi viszonylag "piszkos", finomítatlan üzemanyag használatát. Az olvadt karbonáton alapuló üzemanyagcellák jellemzői hasonló alkalmazási területet határoznak meg - nagy, helyhez kötött hő- és villamosenergia-források.

A szilárd oxid üzemanyagcellák szerkezetileg különböznek a PAFC és MCFC technológiákon alapuló üzemanyagcelláktól. Az anód, a katód és az elektrolit speciális kerámiából készül. Leggyakrabban cirkónium-oxid és kalcium-oxid keverékét használják elektrolitként, de más oxidok is használhatók. Az elektrolit kristályrácsot képez, amely mindkét oldalán porózus elektródaanyaggal van bevonva. Szerkezetileg az ilyen elemek csövek vagy lapos táblák formájában készülnek, ami lehetővé teszi az elektronikai iparban széles körben használt technológiák alkalmazását a gyártás során. Ennek eredményeként a szilárdtest-oxid üzemanyagcellák nagyon magas hőmérsékleten is működhetnek, így elektromos és hőenergia előállítására egyaránt felhasználhatók.

Magas üzemi hőmérsékleten a katódon oxigénionok képződnek, amelyek a kristályrácson keresztül az anódhoz vándorolnak, ahol kölcsönhatásba lépnek a hidrogénionokkal, vizet képezve és szabad elektronokat szabadítanak fel. Ilyenkor a földgázból közvetlenül a cellában szabadul fel a hidrogén, vagyis nincs szükség külön reformátorra.

A szilárdtest-oxid-üzemanyagcellák létrehozásának elméleti alapjait az 1930-as évek végén fektették le, amikor Bauer (Emil Bauer) és Preis (H. Preis) svájci tudósok cirkóniummal, ittriummal, cériummal, lantánnal és volfrámmal kísérleteztek, ezek felhasználásával. mint elektrolitok.

Az ilyen üzemanyagcellák első prototípusait az 1950-es évek végén számos amerikai és holland cég készítette el. Ezeknek a cégeknek a többsége technológiai nehézségek miatt hamarosan felhagyott a további kutatással, de egyikük, a Westinghouse Electric Corp. (ma "Siemens Westinghouse Power Corporation"), folytatta a munkát. A cég jelenleg is fogadja a csőszerű topológiájú szilárd oxid üzemanyagcella kereskedelmi modelljére vonatkozó előrendeléseket, amelyek idén várhatóak (15. ábra). Az ilyen elemek piaci szegmense a 250 kW és 5 MW közötti kapacitású, hő- és villamosenergia-termelésre szolgáló helyhez kötött létesítmények.

A SOFC típusú üzemanyagcellák nagyon nagy megbízhatóságot mutattak. Például a Siemens Westinghouse üzemanyagcellás prototípusa 16 600 üzemórát írt le, és továbbra is működik, így ez a világ leghosszabb folyamatos élettartama.

A SOFC tüzelőanyagcellák magas hőmérsékletű, nagynyomású üzemmódja lehetővé teszi hibrid üzemek létrehozását, amelyekben az üzemanyagcella-kibocsátás az elektromos áram előállítására használt gázturbinákat hajtja. Az első ilyen hibrid üzem a kaliforniai Irvine-ben működik. Ennek az erőműnek a névleges teljesítménye 220 kW, ebből 200 kW az üzemanyagcellától és 20 kW a mikroturbinás generátortól.

A főszereplő hamarosan (pontosabban izgalmas kalandja elején) belebotlik a Forerunner bunkerbe, amely nagyon közel található a Nora törzs földjeihez. Ebben az ősi bunkerben a páncélok egy erős és csúcstechnológiás ajtó mögé záródnak, és messziről nem csak méltóságteljesnek, de nagyon vonzónak is tűnnek. A páncélt "Shield Weaver"-nek hívják, és valójában a játék legjobb felszerelése. Ezért azonnal felmerül egy csomó kérdés: „Hogyan lehet megtalálni és beszerezni a Shield Weaver páncélt?”, „Hol találunk üzemanyagot?”, „Hogyan lehet kinyitni a bunker ajtaját?” és sok más, ugyanahhoz a témához kapcsolódó kérdés. Tehát ahhoz, hogy kinyissa a bunker ajtaját és megkapja az áhított páncélt, öt üzemanyagcellát kell találnia, amelyek viszont szétszóródnak a játék világában. Az alábbiakban elmondom, hol és hogyan találhat fűtőelemeket a rejtvények megoldásához a keresés során és az Ősi fegyvertárban.

: A bemutatott útmutató nem csak egy részletes szöveges áttekintést tartalmaz, hanem minden fűtőelemhez képernyőképeket is csatolnak, a végén pedig egy videó is található. Mindezt a keresés megkönnyítése érdekében hoztuk létre, ezért ha a szöveges áttekintés egy pontja nem egyértelmű, akkor javaslom, hogy nézze meg a képernyőképeket és a videót.

. Az első üzemanyag az "Anya szíve"

Hol és hogyan találja meg az első üzemanyagcellát - üzemanyag helyét.

Tehát a legelső fűtőelemet (vagy egyszerűbben az üzemanyagot) Aloy már jóval azelőtt megtalálhatja, hogy belépne a nyílt világba az „Anyaméh” feladattal. A lényeg az, hogy a „Beavatás” feladat után (ami egyébként a történetszálra is vonatkozik) a főszereplő egy „Anyaszív” nevű helyen lesz, ami a Nóra törzs szent helye és a a matriarchák lakhelye.

Amint a lány kikel az ágyból, menjen át egymás után több szobán (szobán), ahol az egyikben egy lezárt ajtóba botlik, amit nem lehet csak úgy kinyitni. Ebben a pillanatban erősen ajánlom, hogy nézzen körül, mert a hősnő mellett (vagy az ajtó közelében - ahogy kényelmesebb) van egy szellőzőakna, ráadásul égő gyertyákkal díszítve (általában erre van szüksége).

Miután áthaladt az út egy bizonyos szakaszán a szellőzőaknán, a hősnő egy zárt ajtó mögött lesz. Nézze meg a padlót a falblokk és a rejtélyes célú gyertyák mellett - ezen a helyen fekszik az első fűtőelem.

: Ügyeljen arra, hogy ha nem veszi fel az első fűtőelemet a nyitott világba lépés előtt, akkor ezt követően csak az áthaladás későbbi szakaszaiban tud eljutni erre a helyre. De pontosabban, a "Nóra szíve" feladat elvégzése után, ezért javaslom, hogy most vegye fel az üzemanyagot.

. Második üzemanyag - "Romok"

Hol és hogyan találja meg a második üzemanyagcellát - az üzemanyag helyét.

Az első dolog, amit tudnod kell, ha második üzemanyagot keresel, hogy a főszereplő már régen ezen a helyen volt, amikor gyerekként a romok közé esett (a játék legelején). Tehát a „Beavatás” feladat elvégzése után emlékeznie kell mély gyermekkorára, és még egyszer le kell mennie erre a helyre, hogy megszerezze a második fűtőelemet.

Az alábbiakban néhány kép (screenshot) található. A romok bejárata az első képen (pirossal) van jelölve. A romokon belül el kell jutnia az első szintre - ez a jobb alsó terület, amely kiemelve lesz lila a térképen. Ezen kívül lesz egy ajtó is, amit a lány a lándzsájával nyithat ki.

Amint Aloy áthalad az ajtókon, menjen fel a lépcsőn, és az első adandó alkalommal forduljon jobbra: fiatalkorában Aloy nem tudott átmászni a cseppköveken, de most hasznos "játékai" vannak, amelyek bármilyen feladattal megbirkóznak. Tehát vegyél elő egy lándzsát, és törd meg vele a cseppköveket. Hamarosan felszabadul az út, így hátra kell venni az asztalon heverő üzemanyag-elemet, és menni a következőért. Ha az átmenet egy pillanata nem tiszta, akkor lentebb sorrendben mellékeljük a képernyőképeket.

. Harmadik üzemanyag - "Master's Limit"

Hol és hogyan találja meg a harmadik tüzelőanyag-elemet - az üzemanyag helyét.

Ideje észak felé indulni. A "Master's Limit" küldetés során Aloynak gondosan fel kell fedeznie és tanulmányoznia kell az Elődök óriási romjait. Tehát ezekben a tizenkettedik szinten lévő romokban a következő, harmadik fűtőelem el lesz rejtve.

Ezért nem csak a romok felső szintjére kell felmásznia, hanem ott egy kicsit feljebb is. Ne pazarolja az értékes időt, és másszon feljebb az épület fennmaradt részén. Mássz fel, amíg egy kis platformon nem találod magad, amely minden szélnek nyitott. Akkor minden egyszerű, mert az üzemanyag harmadik eleme a csúcson fog feküdni: nincsenek rejtvények, rejtvények és titkok. Tehát vegyen üzemanyagot, szálljon le és menjen tovább.

. A negyedik üzemanyag - "A halál kincse"

Hol és hogyan találja meg a negyedik tüzelőanyag-elemet - az üzemanyag helyét.

A jó hír az, hogy ez az üzemanyagcella is a Horizon: Zero Dawn térkép északi részén található, de egy kicsit közelebb a Nora törzs földjeihez. A főszereplő ismét beleesik a térkép ebbe a részébe a következő történetküldetés során. Mielőtt azonban eljutna az utolsó előtti üzemanyagcellához, Aloynak vissza kell állítania az áramellátást a lezárt ajtóhoz, amely a hely harmadik szintjén található. És ehhez meg kell oldania egy kis és nem túl nehéz rejtvényt. A rejtvény blokkokhoz és szabályozókhoz kapcsolódik (az ajtók alatti szinten két négy szabályozóból álló blokk található). Kezdetnek tehát azt javaslom, hogy a szabályozók bal oldali blokkjával foglalkozzon: az első szabályozót felfelé kell emelni (nézni), a másodikat - jobbra, a harmadikat - balra, a negyediket - lefelé.

Ezután menjen a jobb oldalon lévő blokkhoz. Ne érintse meg az első két gombot, de a harmadik és negyedik gombot le kell forgatni. Ezért menjen feljebb egy szinttel - itt a szabályozók utolsó blokkja. A helyes sorrend így néz ki: 1 - fel, 2 - le, 3 - balra, 4 - jobbra.

A helyes végrehajtás után a kezelőszervek fehérről türkizre változnak. Így az áramellátás helyreáll. Ezért emelkedj vissza az ajtókhoz, és nyisd ki. Az ajtók mögött a hősnőt az utolsó előtti fűtőelem „köszönti”, így mehet a következő, utolsó üzemanyag.

. Ötödik üzemanyag - "GAYA Prime"

Hol és hogyan találja meg az ötödik tüzelőanyag-elemet - az üzemanyag helyét.

Végül az utolsó üzemanyagcella. És megint csak a történet menete közben kaphatja meg. Ezúttal a főszereplőnek a "GAYA Prime" nevű romokhoz kell mennie. Ezen a helyen különös figyelmet kell fordítania, amikor a harmadik szint közelében találja magát. A lényeg az, hogy egy adott pillanatban egy vonzó szakadék jelenik meg a lány előtt, amelybe egy kötélen keresztül le lehet ereszkedni, bár oda nem szabad menni.

A szakadék előtt érdemes balra fordulni, és először a szem elől elrejtett barlangot fedezni: a hegyoldalon óvatosan lefelé lehet bejutni. Menj be és menj előre a legvégéig. A jobb oldali szoba utolsó helyiségében lesz egy állvány, amelyen végre az utolsó üzemanyagcella is fekszik. Vele együtt most már biztonságosan visszatérhet a bunkerbe, és kinyithatja az összes zárat, hogy elegáns felszerelést szerezzen.

. Hogyan lehet bejutni az Ősi Arzenálba?

Nos, most már csak vissza kell térni az Ősi Arzenálba, hogy megkapja a régóta várt jutalmat. Ha nem emlékszik az arzenál folyosóira, nézze meg az alábbi képernyőképeket, amelyek segítenek emlékezni az egész útra.

Amikor a megfelelő helyre ér, és elindul lefelé, helyezze be az üzemanyagelemeket az üres cellákba. Ennek eredményeként a szabályozók világítanak, így egy új rejtvényt kell megoldani az ajtók kinyitásához. Tehát az első gombot felfelé kell irányítani, a másodikat jobbra, a harmadikat lefelé, a negyediket balra, az ötödiket felfelé. Amint mindent jól csinálsz, kinyílnak az ajtók, de ez még messze van a végétől.

A következő lépés a páncél zárjának (vagy tartásának) feloldása - ez egy másik egyszerű, szabályozóval kapcsolatos rejtvény, amelyben a maradék üzemanyagcellákat kell felhasználnia. Az első gombot jobbra, a másodikat balra, a harmadikat felfelé, a negyediket jobbra, az ötödik gombot ismét balra kell fordítani.

Végül ennyi hosszú kínlódás után lehetőség lesz páncélt venni. A "Shield Weaver" egy nagyon jó felszerelés, amely egy ideig szinte sebezhetetlenné teszi a főszereplőt. A legfontosabb az, hogy folyamatosan figyeljük a páncél színét: ha a páncél fehéren villog, akkor minden rendben van. Ha piros, a pajzs nincs többé.

Az üzemanyagcella olyan eszköz, amely hatékonyan termel hőt és egyenáramot elektrokémiai reakció révén, és hidrogénben gazdag üzemanyagot használ. Működési elve szerint hasonló az akkumulátorhoz. Szerkezetileg az üzemanyagcellát elektrolit képviseli. Miért figyelemre méltó? Az akkumulátorokkal ellentétben a hidrogén üzemanyagcellák nem tárolnak elektromos energiát, nincs szükségük elektromos áramra az újratöltéshez, és nem merítenek. A sejtek mindaddig termelnek áramot, amíg rendelkeznek levegővel és üzemanyaggal.

Sajátosságok

Az üzemanyagcellák és az egyéb áramfejlesztők közötti különbség az, hogy működés közben nem égetnek el üzemanyagot. Ennek a tulajdonságnak köszönhetően nincs szükségük rotorokra. magas nyomású, ne bocsátanak ki hangos zajt és rezgést. Az üzemanyagcellákban a villamos energia csendes elektrokémiai reakcióval keletkezik. Az ilyen berendezésekben lévő üzemanyag kémiai energiája közvetlenül vízzé, hővé és elektromos árammá alakul.

Az üzemanyagcellák nagyon hatékonyak és nem termelnek egy nagy számüvegházhatású gázok. A cellák működése során kis mennyiségű vizet bocsátanak ki gőz és szén-dioxid formájában, amely nem szabadul fel, ha tiszta hidrogént használnak üzemanyagként.

Megjelenés története

Az 1950-es és 1960-as években a NASA energiaforrások iránti igénye a hosszú távú űrmissziókhoz az egyik legigényesebb feladatot váltotta ki az üzemanyagcellák számára akkoriban. Az alkáli cellák oxigént és hidrogént használnak üzemanyagként, amelyek egy elektrokémiai reakció során hasznos melléktermékekké alakulnak. űrrepülés- villany, víz és hő.

Az üzemanyagcellákat először a 19. század elején fedezték fel - 1838-ban. Ezzel egy időben megjelentek az első információk a hatékonyságukról.

A lúgos elektrolitokat használó üzemanyagcellákon az 1930-as évek végén kezdõdtek. A nagynyomású nikkelezett elektródacellákat csak 1939-ben találták fel. A második világháború alatt a brit tengeralattjárókhoz üzemanyagcellákat fejlesztettek ki, amelyek körülbelül 25 centiméter átmérőjű lúgos cellákból álltak.

Az 1950-80-as években megnőtt az érdeklődés irántuk, amelyet a kőolaj-üzemanyag hiány jellemez. A világ országai elkezdtek foglalkozni a légszennyezés kérdéseivel és környezet környezetbarát villamosenergia-termelési módok kidolgozása érdekében. Az üzemanyagcellák gyártásának technológiája jelenleg aktív fejlesztés alatt áll.

Működés elve

Az üzemanyagcellák hőt és villamos energiát termelnek katód, anód és elektrolit felhasználásával végbemenő elektrokémiai reakció eredményeként.

A katódot és az anódot protonvezető elektrolit választja el. A katód oxigén, az anód hidrogén ellátása után kémiai reakció indul meg, ami hőt, áramot és vizet eredményez.

Az anódkatalizátoron disszociál, ami elektronvesztéshez vezet. A hidrogénionok az elektroliton keresztül jutnak be a katódba, míg az elektronok a külsőn elektromos hálózatés hozzon létre egyenáramot, amelyet a berendezés táplálására használnak. A katódkatalizátoron lévő oxigénmolekula egyesül egy elektronnal és egy bejövő protonnal, végül víz keletkezik, amely az egyetlen reakciótermék.

Típusok

Egy adott típusú üzemanyagcella kiválasztása az alkalmazási területtől függ. Minden üzemanyagcella két fő kategóriába sorolható - magas hőmérséklet és alacsony hőmérséklet. Ez utóbbiak tiszta hidrogént használnak üzemanyagként. Az ilyen eszközök általában megkövetelik az elsődleges tüzelőanyag tiszta hidrogénné történő feldolgozását. Az eljárást speciális berendezéssel hajtják végre.

A magas hőmérsékletű üzemanyagcellákra nincs szükségük, mivel átalakítják az üzemanyagot emelkedett hőmérsékletek, ami szükségtelenné teszi a hidrogén infrastruktúra létrehozását.

A hidrogén üzemanyagcellák működési elve a kémiai energia elektromos energiává történő átalakításán alapul, nem hatékony égési folyamatok nélkül, és a hőenergiát mechanikai energiává alakítják.

Általános fogalmak

A hidrogén üzemanyagcellák olyan elektrokémiai berendezések, amelyek nagy hatékonyságú „hideg” tüzelőanyag elégetésével villamos energiát termelnek. Többféle ilyen eszköz létezik. A legígéretesebb technológiának a PEMFC protoncserélő membránnal felszerelt hidrogén-levegő üzemanyagcellákat tartják.

A protonvezető polimer membránt két elektróda - katód és anód - elválasztására tervezték. Mindegyiket egy katalizátorral bevont szénmátrix képviseli. az anódkatalizátoron disszociál, elektronokat adva. A kationokat a membránon keresztül vezetik a katódra, azonban az elektronok a külső áramkörbe kerülnek, mivel a membrán nem elektronok átvitelére van kialakítva.

A katódkatalizátoron lévő oxigénmolekula egyesül az elektromos áramkörből származó elektronnal és egy bejövő protonnal, végül vizet képezve, amely az egyetlen reakciótermék.

A hidrogén üzemanyagcellákat membrán-elektróda blokkok gyártására használják, amelyek az energiarendszer fő generáló elemeiként működnek.

A hidrogén üzemanyagcellák előnyei

Közülük ki kell emelni:

• Megnövekedett fajlagos hő.
• Széles üzemi hőmérséklet tartomány.
• Nincs vibráció, zaj és hőfolt.
• Hidegindítási megbízhatóság.
• Az önkisülés hiánya, ami hosszú energiatárolási élettartamot biztosít.
• Korlátlan autonómia az energiaintenzitás beállításának köszönhetően az üzemanyagpatronok számának változtatásával.
• Szinte bármilyen energiaintenzitás biztosítása a hidrogéntároló kapacitásának változtatásával.
• Hosszú élettartam.
• Zajmentes és környezetbarát működés.
• Magas szintű energiaintenzitás.
• Tolerancia a hidrogénben lévő idegen szennyeződésekkel szemben.

Alkalmazási terület

A nagy hatásfok miatt a hidrogén üzemanyagcellákat különféle területeken használják:

• Hordozható töltők.
• Tápellátási rendszerek UAV-khoz.
• Szünetmentes tápegységek.
• Egyéb eszközök és felszerelések.

A hidrogénenergia kilátásai

A hidrogén-peroxid üzemanyagcellák széles körű alkalmazása csak a létrehozása után lesz lehetséges hatékony mód hidrogén kinyerése. Új ötletekre van szükség a technológia aktív használatba vételéhez, nagy reményeket fűzve a bioüzemanyag-cellák és a nanotechnológia koncepciójához. Egyes vállalatok viszonylag nemrégiben bocsátottak ki különféle fémeken alapuló hatékony katalizátorokat, ugyanakkor információk jelentek meg a membrán nélküli üzemanyagcellák létrehozásáról, amelyek lehetővé tették a gyártási költségek jelentős csökkentését és az ilyen eszközök tervezésének egyszerűsítését. A hidrogén üzemanyagcellák előnyei és jellemzői nem haladják meg fő hátrányukat - magas ár, különösen a szénhidrogénes eszközökkel összehasonlítva. Egy hidrogénerőmű létrehozásához minimum 500 ezer dollárra van szükség.

Hogyan építsünk hidrogén üzemanyagcellát?

Egy kis teljesítményű üzemanyagcella önállóan létrehozható egy közönséges otthoni vagy iskolai laboratórium körülményei között. A felhasznált anyagok egy régi gázálarc, plexidarabok, vizes oldat etilalkoholés lúg.

A barkácsolt hidrogén üzemanyagcellás test legalább öt milliméter vastagságú plexiből készül. A rekeszek közötti válaszfalak vékonyabbak lehetnek - körülbelül 3 milliméter. A plexit speciális kloroformból vagy diklór-etánból és plexiforgácsból készült ragasztóval ragasztják össze. Minden munkát csak akkor kell elvégezni, ha a motorháztető jár.

A tok külső falába 5-6 centiméter átmérőjű lyukat fúrnak, amelybe gumidugót és lefolyó üvegcsövet helyeznek. Aktív szén gázálarcból az üzemanyagcella házának második és negyedik rekeszébe öntik - elektródaként fogják használni.

Az első kamrában az üzemanyagot keringetik, míg az ötödik kamrát levegővel töltik meg, amelyből oxigént szállítanak. Az elektródák közé öntött elektrolitot paraffin és benzin oldattal impregnálják, hogy megakadályozzák, hogy bejusson a légkamrába. A rézlemezeket szénrétegre helyezik, hozzájuk forrasztott vezetékekkel, amelyeken keresztül az áramot elvezetik.

Az összeszerelt hidrogén üzemanyagcellát vízzel hígított vodkával töltik fel 1:1 arányban. A kapott keverékhez óvatosan lúgos káliumot adunk: 70 gramm kálium feloldódik 200 gramm vízben.

Az üzemanyagcella hidrogénnel történő tesztelése előtt az üzemanyagot az első kamrába, az elektrolitot a harmadik kamrába öntik. Az elektródákhoz csatlakoztatott voltmérőnek 0,7 és 0,9 volt között kell lennie. Az elem folyamatos működése érdekében a kiégett üzemanyagot el kell távolítani, és a gumicsövön keresztül új üzemanyagot kell önteni. A cső összenyomásával szabályozható az üzemanyag-szállítási sebesség. Az ilyen, otthon összeszerelt hidrogén üzemanyagcellák kis teljesítményűek.

Az Egyesült Államok számos kezdeményezést tett a hidrogénüzemanyagcellák, az infrastruktúra és a technológiák fejlesztése érdekében, hogy az üzemanyagcellás járműveket 2020-ra praktikussá és gazdaságossá tegye. Több mint egymilliárd dollárt különítettek el ezekre a célokra.

Az üzemanyagcellák csendesen és hatékonyan termelnek áramot a környezet szennyezése nélkül. A fosszilis tüzelőanyagokkal ellentétben az üzemanyagcellák melléktermékei a hő és a víz. Hogyan működik?

Ebben a cikkben röviden áttekintjük az egyes meglévőket üzemanyag technológiák ma, valamint beszélni az üzemanyagcellák tervezéséről és működéséről, összehasonlítani őket más energiatermelési formákkal. Megvitatjuk azokat az akadályokat is, amelyekkel a kutatók szembesülnek az üzemanyagcellák praktikus és a fogyasztók számára megfizethetővé tétele terén.

Az üzemanyagcellák azok elektrokémiai energiaátalakító eszközök. Az üzemanyagcella a vegyi anyagokat, a hidrogént és az oxigént vízzé alakítja, miközben elektromos áramot termel.

Egy másik elektrokémiai eszköz, amelyet mindannyian nagyon ismerünk, az akkumulátor. Az akkumulátor minden szükséges kémiai elemet tartalmaz, és ezeket az anyagokat elektromossággá alakítja. Ez azt jelenti, hogy az akkumulátor végül "meghal", és vagy kidobod, vagy újratöltöd.

Az üzemanyagcellában folyamatosan vegyszereket adagolnak bele, hogy soha ne "haljon meg". Az áramot addig termelik, amíg van áramlás vegyi anyagok az elembe. A legtöbb manapság használt üzemanyagcella hidrogént és oxigént használ.

A hidrogén a leggyakoribb elem galaxisunkban. A hidrogén azonban gyakorlatilag nem létezik a Földön elemi formájában. A mérnököknek és tudósoknak tiszta hidrogént kell kivonniuk a hidrogénvegyületekből, beleértve a fosszilis tüzelőanyagokat vagy a vizet. A hidrogén kinyeréséhez ezekből a vegyületekből energiát kell felhasználnia hő vagy elektromosság formájában.

Az üzemanyagcellák feltalálása

Sir William Grove 1839-ben találta fel az első üzemanyagcellát. Grove tudta, hogy a vizet hidrogénre és oxigénre lehet osztani, ha elektromos áramot vezetnek át rajta (ezt a folyamatot ún elektrolízis). Azt javasolta, hogy be fordított sorrendben villany és víz biztosítható. Létrehozott egy primitív üzemanyagcellát, és elnevezte gáz galvanikus akkumulátor . Miután kísérletezett új találmányával, Grove bebizonyította hipotézisét. Ötven évvel később Ludwig Mond és Charles Langer tudósok alkották meg a kifejezést üzemanyagcellák amikor az energiatermelés gyakorlati modelljét próbálják felépíteni.

Az üzemanyagcella sok más energiaátalakító eszközzel versenyez majd, beleértve a városi erőművek gázturbináit, az autók belső égésű motorjait és mindenféle akkumulátort. A belső égésű motorok, mint a gázturbinák, égnek különböző fajták tüzelőanyagot és a gázok tágulása következtében létrejövő nyomást mechanikai munkák elvégzésére használja fel. Az akkumulátorok szükség esetén a kémiai energiát elektromos energiává alakítják át. Az üzemanyagcelláknak hatékonyabban kell ellátniuk ezeket a feladatokat.

Az üzemanyagcella egyenáramú (egyenáramú) feszültséget biztosít, amely elektromos motorok, világítás és más elektromos készülékek táplálására használható.

Számos különböző típusú üzemanyagcella létezik, mindegyik mást használ kémiai folyamatok. Az üzemanyagcellákat általában aszerint osztályozzák Üzemi hőmérsékletés típuselektrolit, amelyeket használnak. Az üzemanyagcellák bizonyos típusai jól használhatók helyhez kötött erőművekben. Mások hasznosak lehetnek kis hordozható eszközökhöz vagy autók meghajtásához. Az üzemanyagcellák fő típusai a következők:

Polimercserélő membrán üzemanyagcella (PEMFC)

A PEMFC-t tartják a legvalószínűbb jelöltnek a közlekedési alkalmazásokban. A PEMFC nagy teljesítményű és viszonylag alacsony üzemi hőmérséklettel rendelkezik (60-80 Celsius fok között). Az alacsony üzemi hőmérséklet azt jelenti, hogy az üzemanyagcellák gyorsan felmelegedhetnek, és megkezdhetik az áramtermelést.

Szilárd oxid üzemanyagcella (SOFC)

Ezek az üzemanyagcellák a legalkalmasabbak a nagyméretű, helyhez kötött áramtermelőkhöz, amelyek gyárakat vagy városokat szolgáltathatnak árammal. Az ilyen típusú üzemanyagcellák nagyon magas hőmérsékleten (700-1000 Celsius fok) működnek. A magas hőmérséklet megbízhatósági problémát jelent, mivel néhány üzemanyagcella több be- és kikapcsolás után meghibásodhat. A szilárd oxid üzemanyagcellák azonban nagyon stabilak folyamatos üzemben. Valójában a SOFC-k bizonyították az üzemanyagcellák leghosszabb élettartamát bizonyos feltételek mellett. A magas hőmérsékletnek megvan az az előnye is, hogy az üzemanyagcellák által termelt gőzt a turbinákba lehet irányítani, és több villamos energiát lehet termelni. Ezt a folyamatot ún kapcsolt hő- és villamosenergia-termelésés javítja a rendszer általános hatékonyságát.

Alkáli üzemanyagcellás (AFC)

Ez az egyik legrégebbi üzemanyagcellás kivitel, amelyet az 1960-as évek óta használnak. Az AFC-k nagyon érzékenyek a szennyezésre, mivel tiszta hidrogént és oxigént igényelnek. Ráadásul nagyon drágák, így az ilyen típusú üzemanyagcellákat nem valószínű, hogy tömeggyártásba kezdik.

Olvadt karbonát üzemanyagcella (MCFC)

A SOFC-khoz hasonlóan ezek az üzemanyagcellák is a legjobban alkalmasak nagy, helyhez kötött erőművekhez és generátorokhoz. 600 Celsius fokon működnek, így gőzt tudnak termelni, amivel viszont még több energiát lehet termelni. Alacsonyabb üzemi hőmérsékletük van, mint a szilárd oxid üzemanyagcelláknak, ami azt jelenti, hogy nincs szükségük ilyen hőálló anyagokra. Ez egy kicsit olcsóbbá teszi őket.

Foszforsav üzemanyagcella (PAFC)

Foszforsav üzemanyagcella kis helyhez kötött villamosenergia-rendszerekben is használható. Magasabb hőmérsékleten működik, mint a polimercserélő membrán üzemanyagcella, így tovább tart a felmelegedése, így autóipari használatra alkalmatlan.

Metanol üzemanyagcellák Közvetlen metanol üzemanyagcella (DMFC)

A metanolos üzemanyagcellák működési hőmérsékletüket tekintve a PEMFC-hez hasonlíthatók, de nem olyan hatékonyak. Ezenkívül a DMFC-k katalizátorként meglehetősen sok platinát igényelnek, ami drágává teszi ezeket az üzemanyagcellákat.

Üzemanyagcella polimer cserélő membránnal

A polimercserélő membrán üzemanyagcella (PEMFC) az egyik legígéretesebb üzemanyagcellás technológia. A PEMFC az üzemanyagcellák közül az egyik legegyszerűbb reakciót alkalmazza. Fontolja meg, miből áll.

1. DE csomópont – Az üzemanyagcella negatív pólusa. A hidrogénmolekulákból felszabaduló elektronokat vezeti, ami után külső áramkörben használhatók fel. Csatornákkal van gravírozva, amelyeken keresztül a hidrogéngáz egyenletesen oszlik el a katalizátor felületén.

2.Nak nek atom - az üzemanyagcella pozitív pólusán is vannak csatornák az oxigén elosztására a katalizátor felületén. Ezenkívül visszavezeti az elektronokat a katalizátor külső láncából, ahol hidrogén- és oxigénionokkal egyesülve vizet képezhetnek.

3.Elektrolit-proton cserélő membrán. Ez egy speciálisan kezelt anyag, amely csak pozitív töltésű ionokat vezet, és blokkolja az elektronokat. A PEMFC-ben a membránt hidratálni kell, hogy megfelelően működjön és stabil maradjon.

4. Katalizátor- ez speciális anyag, amely elősegíti az oxigén és a hidrogén reakcióját. Általában szénpapírra vagy szövetre nagyon vékonyan lerakott platina nanorészecskékből készül. A katalizátor felületi szerkezete olyan, hogy maximális terület a platina felülete hidrogénnek vagy oxigénnek lehet kitéve.

Az ábrán a hidrogéngáz (H2) látható, amely nyomás alatt belép az üzemanyagcellába az anód felől. Amikor egy H2 molekula érintkezésbe kerül a katalizátoron lévő platinával, két H+ ionra és két elektronra bomlik. Az elektronok áthaladnak az anódon, ahol külső áramkörökben használják őket (hasznos munkát végeznek, például motort forgatnak), és visszakerülnek az üzemanyagcella katódoldalára.

Eközben az üzemanyagcella katód oldalán a levegőből származó oxigén (O2) áthalad a katalizátoron, ahol két oxigénatomot képez. Ezen atomok mindegyike erős negatív töltéssel rendelkezik. Ez a negatív töltés vonz két H+ iont a membránon keresztül, ahol egyesülnek egy oxigénatommal és két elektronnal. külső áramkör hogy vízmolekulát (H2O) hozzunk létre.

Ez a reakció egyetlen üzemanyagcellában csak körülbelül 0,7 voltot termel. A feszültség ésszerű szintre emelése érdekében sok egyedi tüzelőanyag-cellát kell kombinálni egy tüzelőanyag-cella köteggé. A bipoláris lemezeket arra használják, hogy az egyik üzemanyagcellát összekapcsolják a másikkal, és csökkenő potenciállal oxidálódnak. A bipoláris lemezekkel a nagy probléma a stabilitásuk. A fém bipoláris lemezek korrodálódhatnak, és a melléktermékek (vas- és krómionok) csökkentik az üzemanyagcella membránok és elektródák hatékonyságát. Ezért az alacsony hőmérsékletű üzemanyagcellákban könnyűfémeket, grafitot, valamint szén és hőre keményedő anyag (a hőre keményedő anyag egyfajta műanyag, amely magas hőmérsékletnek kitéve is szilárd marad) kompozit vegyületeit használnak, bipoláris lemezanyag formájában.

Üzemanyagcella-hatékonyság

A szennyezés csökkentése az üzemanyagcellák egyik fő célja. Ha összehasonlít egy üzemanyagcellás autót egy benzinmotorral és egy akkumulátorral hajtott autóval, láthatja, hogyan javíthatják az üzemanyagcellák az autók hatékonyságát.

Mivel mindhárom típusú autónak sok azonos alkatrésze van, figyelmen kívül hagyjuk az autó ezen részét, és összehasonlítjuk a hatékonyságot egészen addig a pontig, amíg a mechanikus energia. Kezdjük az üzemanyagcellás autóval.

Ha egy üzemanyagcella tiszta hidrogénnel működik, hatásfoka akár 80 százalék is lehet. Így a hidrogén energiatartalmának 80 százalékát alakítja át elektromos árammá. Az elektromos energiát azonban még mechanikai munkává kell alakítanunk. Ezt elektromos motorral és inverterrel érik el. A motor + inverter hatásfoka is megközelítőleg 80 százalék. Ez körülbelül 80*80/100=64 százalékos összhatékonyságot ad. A Honda FCX koncepcióautójának energiahatékonysága 60 százalékos.

Ha az üzemanyagforrás nem tiszta hidrogén, akkor a járműnek reformátorra is szüksége lesz. A reformátorok a szénhidrogént vagy alkoholt hidrogénné alakítják át. Hőt termelnek, és a hidrogén mellett CO-t és CO2-t is termelnek. Különféle eszközöket használnak a keletkező hidrogén tisztítására, de ez a tisztítás nem elegendő, és csökkenti az üzemanyagcella hatékonyságát. Ezért a kutatók úgy döntöttek, hogy a tiszta hidrogénnel üzemelő járművek üzemanyagcelláira összpontosítanak, a hidrogén előállításával és tárolásával kapcsolatos problémák ellenére.

A benzinmotor és az autó hatékonysága elektromos akkumulátorokon

A benzinnel hajtott autók hatásfoka meglepően alacsony. Minden hő, amely kipufogógáz formájában távozik vagy a radiátor elnyeli, elpazarolt energia. A motor sok energiát használ fel a különféle szivattyúk, ventilátorok és generátorok forgatására is, amelyek folyamatosan működnek. Így az autó benzinmotorjának általános hatásfoka megközelítőleg 20 százalék. Így a benzin hőenergia-tartalmának csak megközelítőleg 20 százaléka válik mechanikai munkává.

Az akkumulátorral hajtott elektromos járműnek meglehetősen magas a hatásfoka. Az akkumulátor körülbelül 90 százalékos hatásfokú (a legtöbb akkumulátor némi hőt termel, vagy fűtést igényel), a motor + inverter pedig körülbelül 80 százalékos. Ez körülbelül 72 százalékos összhatékonyságot ad.

De ez még nem minden. Ahhoz, hogy egy elektromos autó mozogni tudjon, valahol először áramot kell termelni. Ha olyan erőműről van szó, amely fosszilis tüzelőanyagok égetési folyamatát használta (nem pedig atom-, víz-, nap- vagy szélenergiát), akkor az erőmű által fogyasztott tüzelőanyagnak csak körülbelül 40 százalékát alakították át villamos energiává. Ráadásul az autók töltésének folyamatához a váltakozó áramú (AC) teljesítményt egyenárammá (DC) kell átalakítani. Ennek az eljárásnak a hatékonysága körülbelül 90 százalék.

Most, ha a teljes ciklust nézzük, egy elektromos jármű hatásfoka magának az autónak 72 százaléka, az erőműnek 40 százalék, az autó töltésének pedig 90 százaléka. Ez összesen 26 százalékos hatékonyságot ad. Az általános hatásfok jelentősen változik attól függően, hogy melyik erőművet használják az akkumulátor töltésére. Ha egy autó elektromos áramát például egy vízerőmű állítja elő, akkor egy elektromos autó hatásfoka körülbelül 65 százalék lesz.

A tudósok a terveket kutatják és finomítják az üzemanyagcellák hatékonyságának továbbfejlesztése érdekében. Az egyik új megközelítés az üzemanyagcellás és akkumulátoros járművek kombinálása. Egy üzemanyagcellás hibrid hajtáslánccal hajtott koncepció járművet fejlesztenek. Lítium akkumulátorral táplálja az autót, miközben az üzemanyagcella tölti az akkumulátort.

Az üzemanyagcellás járművek potenciálisan olyan hatékonyak, mint az akkumulátoros autók, amelyeket fosszilis tüzelőanyag-mentes erőműből töltenek fel. De egy ilyen lehetőség megvalósítása gyakorlati és hozzáférhető módon nehéznek bizonyulhat.

Miért használjunk üzemanyagcellákat?

A fő ok az olajjal kapcsolatos minden. Amerikának olajának közel 60 százalékát importálnia kell. 2025-re az import várhatóan 68%-ra emelkedik. Az amerikaiak az olaj kétharmadát napi szállításra használják fel. Még ha az utcán minden autó hibrid autó lenne, 2025-re az Egyesült Államoknak még mindig ugyanannyi olajat kellene felhasználnia, mint amennyit az amerikaiaknak 2000-ben fogyasztottak. Valójában Amerika fogyasztja el a világ összes megtermelt olajának negyedét, bár a világ lakosságának mindössze 4,6%-a él itt.

Szakértők arra számítanak, hogy a következő néhány évtizedben az olajárak tovább emelkednek, mivel az olcsóbb források elfogynak. Az olajcégeknek egyre nehezebb körülmények között kell olajmezőket fejleszteniük, ami felfelé fogja hajtani az olajárakat.

A félelmek messze túlmutatnak a gazdasági biztonságon. Az olajeladásból származó bevétel nagy részét a nemzetközi terrorizmus támogatására fordítják, radikális politikai pártok, instabil helyzet az olajtermelő régiókban.

Az olaj és más fosszilis tüzelőanyagok energiatermelése szennyezést okoz. Azt a legjobb mód alkalmas arra, hogy mindenki találjon alternatívát - fosszilis tüzelőanyagok égetését energiaforrásként.

Az üzemanyagcellák vonzó alternatívája az olajfüggőségnek. Az üzemanyagcellák a környezetszennyezés helyett termelnek tiszta víz melléktermékként. Míg a mérnökök átmenetileg a hidrogén különféle fosszilis forrásokból, például benzinből vagy földgázból történő előállítására összpontosítottak, a jövőben a hidrogén előállításának megújuló, környezetbarát módjait kutatják. A legígéretesebb természetesen a hidrogén vízből történő kinyerésének folyamata lesz.

Az olajfüggőség és a globális felmelegedés nemzetközi probléma. Több ország közösen vesz részt az üzemanyagcellás technológia kutatás-fejlesztésében.

Nyilvánvaló, hogy a tudósoknak és a gyártóknak sok munkájuk van, mielőtt az üzemanyagcellák alternatívává válnának. modern módszerek energiatermelés. Pedig az egész világ támogatásával és globális összefogással pár évtizeden belül valósággá válhat egy, az üzemanyagcellákon alapuló, életképes energiarendszer.

A különböző típusú belső égésű motorokhoz hasonlóan különböző típusú üzemanyagcellák is léteznek – a megfelelő típusú üzemanyagcella kiválasztása annak alkalmazásától függ.

Az üzemanyagcellákat magas hőmérsékletre és alacsony hőmérsékletre osztják. Alacsony hőmérsékletű üzemanyagcellák tüzelőanyagként viszonylag tiszta hidrogént igényelnek. Ez gyakran azt jelenti, hogy üzemanyag-feldolgozásra van szükség ahhoz, hogy az elsődleges tüzelőanyagot (például földgázt) tiszta hidrogénné alakítsák. Ez a folyamat további energiát fogyaszt, és speciális felszerelést igényel. Magas hőmérsékletű üzemanyagcellák nincs szükségük erre a további eljárásra, mivel magas hőmérsékleten "belsőleg átalakíthatják" az üzemanyagot, ami azt jelenti, hogy nincs szükség a hidrogén-infrastruktúrába való beruházásra.

Üzemanyagcellák olvadt karbonáton (MCFC)

Az olvadt karbonát elektrolit üzemanyagcellák magas hőmérsékletű üzemanyagcellák. A magas üzemi hőmérséklet lehetővé teszi a földgáz közvetlen felhasználását üzemanyag-feldolgozó és alacsony fűtőértékű tüzelőgáz nélkül termelési folyamatokés más forrásokból. Ezt a folyamatot az 1960-as évek közepén fejlesztették ki. Azóta a gyártási technológia, a teljesítmény és a megbízhatóság javult.

Az RCFC működése eltér a többi üzemanyagcellától. Ezek a cellák olvadt karbonátsók keverékéből származó elektrolitot használnak. Jelenleg kétféle keveréket használnak: lítium-karbonátot és kálium-karbonátot vagy lítium-karbonátot és nátrium-karbonátot. A karbonátsók megolvasztásához és az ionok nagyfokú mobilitásának eléréséhez az elektrolitban az olvadt karbonát-elektrolittal rendelkező üzemanyagcellák magas hőmérsékleten (650 °C) működnek. A hatásfok 60-80% között változik.

650°C-ra hevítve a sók a karbonátionok (CO 3 2-) vezetőjévé válnak. Ezek az ionok a katódról az anódra jutnak, ahol hidrogénnel egyesülve vizet, szén-dioxidot és szabad elektronokat képeznek. Ezeket az elektronokat egy külső elektromos áramkörön keresztül visszaküldik a katódra, és melléktermékként elektromos áramot és hőt állítanak elő.

Anód reakció: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Reakció a katódon: CO 2 + 1 / 2 O 2 + 2e - => CO 3 2-
Általános elemreakció: H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) + CO 2 (katód) => H 2 O (g) + CO 2 (anód)

Az olvadt karbonát elektrolit üzemanyagcellák magas üzemi hőmérséklete bizonyos előnyökkel jár. Magas hőmérsékleten a földgáz belülről megreformálódik, így nincs szükség üzemanyag-feldolgozóra. Emellett az egyik előnye a felhasználás lehetősége szabványos anyagok szerkezetek, például lap rozsdamentes acélés nikkel katalizátor az elektródákon. A hulladékhőt nagynyomású gőz előállítására lehet felhasználni különféle ipari és kereskedelmi célokra.

Az elektrolit magas reakcióhőmérsékletének is megvannak a maga előnyei. A magas hőmérséklet alkalmazása hosszú ideig tart az optimális működési feltételek eléréséhez, és a rendszer lassabban reagál az energiafogyasztás változásaira. Ezek a jellemzők lehetővé teszik az olvadt karbonát elektrolitot tartalmazó üzemanyagcellás rendszerek használatát állandó teljesítmény mellett. A magas hőmérséklet megakadályozza az üzemanyagcellák szén-monoxid okozta károsodását, "mérgezést" stb.

Az olvadt karbonát üzemanyagcellák alkalmasak nagyméretű használatra helyhez kötött létesítmények. A 2,8 MW kimenő villamos teljesítményű hőerőműveket iparilag gyártják. Legfeljebb 100 MW kimenő teljesítményű erőművek fejlesztése folyik.

Foszforsavas üzemanyagcellák (PFC)

A foszforsav (ortofoszforsav) alapú üzemanyagcellák voltak az első üzemanyagcellák kereskedelmi használatra. Ezt az eljárást az 1960-as évek közepén fejlesztették ki, és az 1970-es évek óta tesztelik. Azóta nőtt a stabilitás, a teljesítmény és a költségek.

A foszforsav (ortofoszforsav) alapú üzemanyagcellák ortofoszforsav (H 3 PO 4) alapú elektrolitot használnak, amelynek koncentrációja akár 100%. A foszforsav ionvezetőképessége alacsony alacsony hőmérsékletek Emiatt ezeket az üzemanyagcellákat 150-220°C-ig terjedő hőmérsékleten használják.

Az ilyen típusú üzemanyagcellák töltéshordozója a hidrogén (H + , proton). Hasonló folyamat megy végbe a protoncserélő membrán üzemanyagcellákban (MEFC), amelyek során az anódhoz juttatott hidrogén protonokra és elektronokra bomlik. A protonok áthaladnak az elektroliton, és a katódon a levegőből származó oxigénnel egyesülve vizet képeznek. Az elektronokat egy külső elektromos áramkör mentén irányítják, és elektromos áram keletkezik. Az alábbiakban bemutatjuk azokat a reakciókat, amelyek elektromosságot és hőt termelnek.

Reakció az anódon: 2H 2 => 4H + + 4e -
Reakció a katódon: O 2 (g) + 4H + + 4e - \u003d\u003e 2H 2 O
Általános elemreakció: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

A foszforsav (ortofoszforsav) alapú üzemanyagcellák hatékonysága több mint 40% elektromos energia előállítása során. A kombinált hő- és villamosenergia-termelésben a teljes hatásfok körülbelül 85%. Ezenkívül adott üzemi hőmérsékleten a hulladékhő felhasználható víz melegítésére és légköri nyomású gőz előállítására.

Az ilyen típusú tüzelőanyagcellák egyik előnye a foszforsav (ortofoszforsav) alapú tüzelőanyag-cellás hőerőművek nagy teljesítménye a kombinált hő- és villamosenergia-termelésben. Az üzemek körülbelül 1,5%-os koncentrációban használnak szén-monoxidot, ami nagymértékben bővíti az üzemanyag választékot. Ezenkívül a CO 2 nem befolyásolja az elektrolitot és az üzemanyagcella működését, ez a típusú cella reformált természetes üzemanyaggal működik. egyszerű kialakítás, alacsony fokú Az elektrolit illékonysága és a megnövekedett stabilitás szintén az ilyen típusú üzemanyagcellák előnyei.

A 400 kW-ig terjedő villamos teljesítményű hőerőműveket iparilag gyártják. A 11 MW-os létesítmények megfeleltek a vonatkozó teszteknek. Legfeljebb 100 MW kimenő teljesítményű erőművek fejlesztése folyik.

Üzemanyagcellák protoncserélő membránnal (PME)

A protoncserélő membránnal ellátott üzemanyagcellákat tekintik leginkább legjobb típusüzemanyagcellák a jármű teljesítményének előállítására, amely helyettesítheti a benzines és dízel belső égésű motorokat. Ezeket az üzemanyagcellákat először a NASA használta a Gemini programhoz. Napjainkban 1 W és 2 kW közötti teljesítményű MOPFC berendezéseket fejlesztenek és mutatnak be.

Ezek az üzemanyagcellák szilárd polimer membránt (vékony műanyag fóliát) használnak elektrolitként. Vízzel impregnálva ez a polimer áthalad a protonokon, de nem vezet elektronokat.

Az üzemanyag hidrogén, a töltéshordozó pedig egy hidrogénion (proton). Az anódnál a hidrogénmolekula hidrogénionra (protonra) és elektronokra válik szét. A hidrogénionok az elektroliton keresztül a katódhoz jutnak, míg az elektronok a külső kör körül mozogva elektromos energiát termelnek. A levegőből vett oxigént a katódra táplálják, és elektronokkal és hidrogénionokkal egyesülve vizet képeznek. Az elektródákon a következő reakciók mennek végbe:

Reakció az anódon: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reakció a katódon: O 2 + 2H 2 O + 4e - \u003d\u003e 4OH -
Általános elemreakció: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Más típusú üzemanyagcellákhoz képest a protoncserélő membrán üzemanyagcellák adott térfogathoz vagy tömeghez képest több energiát termelnek. Ez a funkció lehetővé teszi, hogy kompaktak és könnyűek legyenek. Ezenkívül az üzemi hőmérséklet 100 °C alatt van, ami lehetővé teszi a működés gyors elindítását. Ezek a jellemzők, valamint a kibocsátott energia gyors megváltoztatásának képessége csak néhány azon jellemzők közül, amelyek miatt ezek az üzemanyagcellák a járművekben való felhasználás első számú jelöltjei.

További előny, hogy az elektrolit szilárd, nem pedig folyékony anyag. Szilárd elektrolittal könnyebb a gázokat a katódon és az anódon tartani, ezért olcsóbb az ilyen üzemanyagcellák előállítása. Más elektrolitokhoz képest szilárd elektrolit használatakor nincsenek olyan nehézségek, mint az orientáció, kevesebb probléma a korrózió megjelenése miatt, ami az elem és alkatrészeinek hosszabb élettartamához vezet.

Szilárd oxid üzemanyagcellák (SOFC)

A szilárd oxid üzemanyagcellák a legmagasabb üzemi hőmérsékletű üzemanyagcellák. Üzemhőmérséklet 600°C és 1000°C között változhat, ami lehetővé teszi különféle típusú üzemanyagok használatát speciális előkezelés. E magas hőmérsékletek kezelésére az elektrolitként vékony, kerámia alapú szilárd fém-oxidot használnak, amely gyakran ittrium és cirkónium ötvözete, amely oxigén (O 2 -) ionok vezetője. A szilárd oxid üzemanyagcellák alkalmazásának technológiája az 1950-es évek vége óta fejlődik. és két konfigurációja van: sík és cső alakú.

A szilárd elektrolit hermetikus gázátmenetet biztosít egyik elektródáról a másikra, míg a folyékony elektrolitok porózus hordozóban helyezkednek el. Az ilyen típusú üzemanyagcellák töltéshordozója az oxigénion (O 2 -). A katódon az oxigénmolekulák a levegőtől egy oxigénionra és négy elektronra válnak el. Az oxigénionok áthaladnak az elektroliton, és a hidrogénnel egyesülve négy szabad elektront képeznek. Az elektronokat egy külső elektromos áramkörön keresztül irányítják, elektromos áramot és hulladékhőt termelve.

Reakció az anódon: 2H 2 + 2O 2 - => 2H 2 O + 4e -
Reakció a katódon: O 2 + 4e - => 2O 2 -
Általános elemreakció: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

A megtermelt elektromos energia hatásfoka az összes tüzelőanyagcella közül a legmagasabb - körülbelül 60%. Ezenkívül a magas üzemi hőmérséklet lehetővé teszi a kombinált hő- és villamosenergia-termelést nagynyomású gőz előállítására. A magas hőmérsékletű tüzelőanyag-cella és a turbina kombinálása egy hibrid üzemanyagcellát hoz létre, amely akár 70%-kal növeli az elektromos energiatermelés hatékonyságát.

A szilárd oxid üzemanyagcellák nagyon magas hőmérsékleten (600°C - 1000°C) működnek, így hosszú időre van szükség az optimális működési feltételek eléréséhez, és a rendszer lassabban reagál az energiafogyasztás változásaira. Ilyen magas üzemi hőmérsékleten nincs szükség konverterre a hidrogén visszanyeréséhez a tüzelőanyagból, ami lehetővé teszi, hogy a hőerőmű viszonylag szennyezett tüzelőanyaggal működjön a szénelgázosításból vagy a füstgázokból és hasonlókból. Ezenkívül ez az üzemanyagcella kiválóan alkalmas a munkavégzéshez nagy teljesítményű, beleértve az ipari és nagy központi erőműveket. Iparilag gyártott modulok 100 kW kimenő elektromos teljesítménnyel.

Üzemanyagcellák közvetlen metanol-oxidációval (DOMTE)

A metanol közvetlen oxidációjával működő üzemanyagcellák alkalmazásának technológiája aktív fejlesztési időszakon megy keresztül. Sikeresen megállja a helyét a mobiltelefonok, laptopok táplálása, valamint a hordozható áramforrások létrehozása terén. mire irányul ezen elemek jövőbeni alkalmazása.

A metanol direkt oxidációjával rendelkező üzemanyagcellák szerkezete hasonló a protoncserélő membránnal (MOFEC) rendelkező üzemanyagcellákhoz, pl. elektrolitként polimert, töltéshordozóként hidrogéniont (protont) használnak. A folyékony metanol (CH 3 OH) azonban az anódnál víz jelenlétében oxidálódik, CO 2 , hidrogénionok és elektronok szabadulnak fel, amelyeket egy külső elektromos áramkörön keresztül vezetnek, és elektromos áram keletkezik. A hidrogénionok áthaladnak az elektroliton, és reakcióba lépnek a levegő oxigénjével és a külső áramkör elektronjaival, hogy vizet képezzenek az anódon.

Reakció az anódon: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Reakció a katódon: 3/2 O 2 + 6H + + 6e - => 3H 2 O
Általános elemreakció: CH 3 OH + 3/2 O 2 => CO 2 + 2H 2 O

Ezeknek az üzemanyagcelláknak a fejlesztése az 1990-es évek elején kezdődött. A továbbfejlesztett katalizátorok kifejlesztése után, valamint a közelmúlt egyéb újításainak köszönhetően a teljesítménysűrűség és a hatásfok 40%-ra nőtt.

Ezeket az elemeket 50-120°C hőmérséklet-tartományban tesztelték. Alacsony üzemi hőmérsékletük és konverterre nincs szükségük miatt a közvetlen metanol üzemanyagcellák a legjobb jelöltek a mobiltelefonoktól és egyéb fogyasztói termékektől az autómotorokig. Az ilyen típusú tüzelőanyag-cellák előnye a kis méretük a folyékony tüzelőanyag használatából adódóan, valamint a konverter használatának hiánya.

Alkáli üzemanyagcellák (AFC)

Az alkáli üzemanyagcellák (ALFC) az egyik legtöbbet tanulmányozott technológia, és az 1960-as évek közepe óta használják őket. a NASA az Apollo és Space Shuttle programban. Ezeken az űrhajókon az üzemanyagcellák termelnek áramot és ivóvizet. Az alkáli tüzelőanyagcellák a villamosenergia-termelés leghatékonyabb cellái közé tartoznak, az energiatermelés hatékonysága eléri a 70%-ot.

Az alkáli tüzelőanyag-cellák elektrolitot, azaz kálium-hidroxid vizes oldatát használnak, amely porózus, stabilizált mátrixban található. A kálium-hidroxid koncentrációja az üzemanyagcella üzemi hőmérsékletétől függően változhat, amely 65°C és 220°C között van. Az SFC töltéshordozója egy hidroxidion (OH-), amely a katódról az anódra mozog, ahol hidrogénnel reagálva vizet és elektronokat termel. Az anódon keletkező víz visszakerül a katódra, és ott ismét hidroxidionokat generál. Az üzemanyagcellában lezajló reakciósorozat eredményeként villamos energia és melléktermékként hő keletkezik:

Reakció az anódon: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reakció a katódon: O 2 + 2H 2 O + 4e - \u003d\u003e 4OH -
A rendszer általános reakciója: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Az SFC-k előnye, hogy ezeket az üzemanyagcellákat a legolcsóbban gyártani, mivel az elektródákon szükséges katalizátor bármely olyan anyag lehet, amely olcsóbb, mint a többi üzemanyagcella katalizátora. Ezenkívül az SCFC-k viszonylag alacsony hőmérsékleten működnek, és a leghatékonyabb üzemanyagcellák közé tartoznak – ezek a jellemzők rendre hozzájárulhatnak a gyorsabb energiatermeléshez és a magas üzemanyag-hatékonysághoz.

Az SHTE egyik jellemző tulajdonsága a nagy érzékenysége a CO 2 -re, amelyet az üzemanyag vagy a levegő tartalmazhat. A CO 2 reakcióba lép az elektrolittal, gyorsan megmérgezi, és nagymértékben csökkenti az üzemanyagcella hatékonyságát. Ezért az SFC-k használata zárt terekre korlátozódik, például űr- és víz alatti járművekre, tiszta hidrogénnel és oxigénnel kell működniük. Ezenkívül az olyan molekulák, mint a CO, a H 2 O és a CH 4 , amelyek biztonságosak más tüzelőanyag-cellák számára, sőt némelyikük üzemanyaga is, károsak az SFC-re.

Polimer elektrolit üzemanyagcellák (PETE)

A polimer elektrolit üzemanyagcellák esetében a polimer membrán polimer szálakból áll, vizes régiókkal, amelyekben a vízmolekulához kapcsolódó H 2 O + (proton, vörös) vízionok vezetése van. A vízmolekulák problémát jelentenek a lassú ioncsere miatt. Ezért mind az üzemanyagban, mind a kipufogóelektródákon magas vízkoncentrációra van szükség, ami az üzemi hőmérsékletet 100°C-ra korlátozza.

Szilárd savas üzemanyagcellák (SCFC)

A szilárd savas üzemanyagcellákban az elektrolit (C s HSO 4 ) nem tartalmaz vizet. Az üzemi hőmérséklet tehát 100-300°C. Az SO 4 2-oxi-anionok forgása lehetővé teszi a protonok (vörös) mozgását az ábrán látható módon. A szilárd savas tüzelőanyag-cella általában olyan szendvics, amelyben nagyon sok van vékonyréteg A szilárd savvegyületet két szorosan összenyomott elektróda közé helyezzük a jó érintkezés biztosítása érdekében. Melegítéskor a szerves komponens elpárolog, az elektródák pórusain keresztül távozik, megtartva az üzemanyag (vagy a cella másik végén lévő oxigén), az elektrolit és az elektródák közötti számos érintkezési képességet.