Aký je účel membrány v palivovom článku? Rôzne moduly palivových článkov

Časť 1

Tento článok podrobnejšie rozoberá princíp fungovania palivových článkov, ich konštrukciu, klasifikáciu, výhody a nevýhody, rozsah, účinnosť, históriu vzniku a moderné vyhliadky na použitie. V druhej časti článku, ktorý vyjde v budúcom čísle časopisu ABOK, uvádza príklady zariadení, kde sa ako zdroje tepla a elektriny (alebo len elektriny) používali rôzne typy palivových článkov.

Úvod

Palivové články predstavujú veľmi efektívny, spoľahlivý, odolný a ekologický spôsob výroby energie.

Palivové články, ktoré sa pôvodne používali len vo vesmírnom priemysle, sa dnes čoraz viac využívajú v rôznych oblastiach – ako stacionárne elektrárne, autonómne zdroje tepla a energie do budov, motory Vozidlo, napájacie zdroje pre notebooky a mobilné telefóny. Niektoré z týchto zariadení sú laboratórne prototypy, niektoré sa podrobujú predsériovému testovaniu alebo sa používajú na demonštračné účely, no mnohé modely sú sériovo vyrábané a používané v komerčných projektoch.

Palivový článok (elektrochemický generátor) je zariadenie, ktoré premieňa chemickú energiu paliva (vodíka) na elektrickú energiu počas elektrochemickej reakcie priamo, na rozdiel od tradičných technológií, ktoré využívajú spaľovanie tuhých, kvapalných a plynných palív. Priama elektrochemická premena paliva je veľmi efektívna a atraktívna z hľadiska životného prostredia, keďže pri prevádzke sa uvoľňuje minimálne množstvo škodlivín a nevznikajú žiadne silné zvuky a vibrácie.

Z praktického hľadiska palivový článok pripomína klasickú galvanickú batériu. Rozdiel spočíva v tom, že na začiatku je batéria nabitá, t.j. naplnená „palivom“. Počas prevádzky sa spotrebúva „palivo“ a batéria sa vybíja. Na rozdiel od batérie palivový článok využíva na výrobu elektrickej energie palivo dodávané z externého zdroja (obr. 1).

Na výrobu elektrickej energie možno využiť nielen čistý vodík, ale aj ďalšie suroviny s obsahom vodíka, ako je zemný plyn, čpavok, metanol či benzín. Ako zdroj kyslíka, ktorý je tiež potrebný na reakciu, sa používa obyčajný vzduch.

Pri použití čistého vodíka ako paliva sú produktmi reakcie okrem elektrickej energie aj teplo a voda (alebo vodná para), t. j. do atmosféry sa neuvoľňujú žiadne plyny, ktoré spôsobujú znečistenie ovzdušia alebo spôsobujú skleníkový efekt. Ak sa ako palivo použije surovina obsahujúca vodík, napríklad zemný plyn, vedľajšie plyny, ako oxidy uhlíka a dusíka, budú vedľajším produktom reakcie, ale ich množstvo je oveľa nižšie ako pri ich spaľovaní. množstvo zemného plynu.

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

Výhody a nevýhody palivových článkov

Palivové články sú energeticky účinnejšie ako spaľovacie motory, pretože neexistuje žiadne termodynamické obmedzenie energetickej účinnosti palivových článkov. Účinnosť palivových článkov je 50%, účinnosť spaľovacích motorov je 12-15% a účinnosť elektrární s parnými turbínami nepresahuje 40%. Využitím tepla a vody sa ďalej zvyšuje účinnosť palivových článkov.

Na rozdiel napríklad od vnútorných motorov účinnosť spaľovania palivové články zostávajú veľmi vysoké, aj keď nepracujú na plný výkon. Výkon palivových článkov je navyše možné zvýšiť jednoduchým pridaním samostatných blokov, pričom účinnosť sa nemení, t.j. veľké inštalácie sú rovnako efektívne ako malé. Tieto okolnosti umožňujú veľmi flexibilný výber zloženia zariadení v súlade s prianím zákazníka a v konečnom dôsledku vedú k zníženiu nákladov na zariadenie.

Dôležitou výhodou palivových článkov je ich šetrnosť k životnému prostrediu. Emisie znečisťujúcich látok do ovzdušia z prevádzky palivových článkov sú také nízke, že v niektorých oblastiach Spojených štátov amerických nevyžadujú špeciálne povolenie od vládne agentúry kontrola kvality ovzdušia.

Palivové články môžu byť umiestnené priamo v budove, čím sa znížia straty pri preprave energie a teplo vzniknuté reakciou sa môže využiť na dodávku tepla alebo teplej vody do budovy. Autonómne zdroje tepla a elektriny môžu byť veľmi prospešné v odľahlých oblastiach a regiónoch, ktoré sa vyznačujú nedostatkom elektriny a jej vysokou cenou, no zároveň sú tu zásoby surovín s obsahom vodíka (ropa, zemný plyn) .

Výhodou palivových článkov je aj dostupnosť paliva, spoľahlivosť (v palivovom článku nie sú žiadne pohyblivé časti), odolnosť a jednoduchosť obsluhy.

Jedným z hlavných nedostatkov palivových článkov v súčasnosti je ich relatívne vysoká cena, ale tento nedostatok sa dá čoskoro prekonať – stále viac spoločností vyrába komerčné vzorky palivových článkov, neustále sa zdokonaľujú a ich cena klesá.

Čo najefektívnejšie využitie čistého vodíka ako paliva si však vyžiada vytvorenie špeciálnej infraštruktúry na jeho výrobu a prepravu. V súčasnosti všetky komerčné konštrukcie využívajú zemný plyn a podobné palivá. Motorové vozidlá môžu používať bežný benzín, čo umožní zachovať existujúcu rozvinutú sieť čerpacích staníc. Používanie takéhoto paliva však vedie k škodlivým emisiám do atmosféry (hoci veľmi nízkym) a komplikuje (a teda zvyšuje cenu) palivový článok. Do budúcna pribudne možnosť využívania obnoviteľných zdrojov energie šetrných k životnému prostrediu (napr. solárna energia alebo veterná energia), aby sa voda rozložila na vodík a kyslík elektrolýzou a potom sa výsledné palivo premenilo v palivovom článku. Takéto kombinované zariadenia pracujúce v uzavretom cykle môžu byť úplne ekologickým, spoľahlivým, odolným a efektívnym zdrojom energie.

Ďalšou vlastnosťou palivových článkov je, že sú najúčinnejšie pri súčasnom využívaní elektrickej aj tepelnej energie. Možnosť využitia tepelnej energie však nie je dostupná v každom zariadení. V prípade použitia palivových článkov len na výrobu elektrickej energie ich účinnosť klesá, hoci prevyšuje účinnosť „tradičných“ inštalácií.

História a moderné využitie palivových článkov

Princíp fungovania palivových článkov bol objavený v roku 1839. Anglický vedec William Robert Grove (1811-1896) zistil, že proces elektrolýzy - rozklad vody na vodík a kyslík pomocou elektrického prúdu - je reverzibilný, t.j. vodík a kyslík sa môžu spájať do molekúl vody bez horenia, ale s uvoľňovaním tepla a elektrického prúdu. Grove nazval zariadenie, v ktorom sa takáto reakcia uskutočnila, „plynová batéria“, ktorá bola prvým palivovým článkom.

Aktívny vývoj technológií palivových článkov sa začal po druhej svetovej vojne a je spojený s leteckým priemyslom. V tom čase sa hľadal účinný a spoľahlivý, no zároveň celkom kompaktný zdroj energie. V 60-tych rokoch si experti NASA (Národný úrad pre letectvo a vesmír, NASA) vybrali palivové články ako zdroj energie pre kozmické lode programov Apollo (lietadlá s ľudskou posádkou na Mesiac), Apollo-Sojuz, Gemini a Skylab. Apollo využívalo tri 1,5 kW jednotky (2,2 kW špičkový výkon) využívajúce kryogénny vodík a kyslík na výrobu elektriny, tepla a vody. Hmotnosť každého zariadenia bola 113 kg. Tieto tri články fungovali paralelne, ale energia generovaná jednou jednotkou stačila na bezpečný návrat. Počas 18 letov nazbierali palivové články celkovo 10 000 hodín bez akýchkoľvek porúch. V súčasnosti sa palivové články využívajú v raketopláne „Space Shuttle“, ktorý využíva tri jednotky s výkonom 12 W, ktoré generujú všetku elektrickú energiu na palube kozmickej lode (obr. 2). Voda získaná ako výsledok elektrochemickej reakcie sa používa ako pitná voda, ako aj na chladiace zariadenia.

Aj u nás sa pracovalo na vytvorení palivových článkov pre využitie v kozmonautike. Na pohon sa použili napríklad palivové články Sovietska loď opakovane použiteľný "Buran".

Vývoj metód na komerčné využitie palivových článkov sa začal v polovici 60. rokov 20. storočia. Tento vývoj bol čiastočne financovaný vládnymi organizáciami.

V súčasnosti sa vývoj technológií na využitie palivových článkov uberá viacerými smermi. Ide o vytvorenie stacionárnych elektrární na palivové články (pre centralizované aj decentralizované zásobovanie energiou), elektrární vozidiel (vznikli vzorky áut a autobusov na palivové články aj u nás) (obr. 3), resp. ako aj napájacie zdroje rôznych mobilné zariadenia(notebooky, mobilné telefóny a pod.) (obr. 4).

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

Jedným z prvých komerčných modelov palivových článkov určených na autonómne zásobovanie teplom a energiou v budovách bol PC25 Model A vyrobený spoločnosťou ONSI Corporation (teraz United Technologies, Inc.). Tento palivový článok s nominálnym výkonom 200 kW patrí k typu článkov s elektrolytom na báze kyseliny fosforečnej (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC). Číslo "25" v názve modelu znamená sériové číslo dizajnov. Väčšina predchádzajúcich modelov boli experimentálne alebo testovacie kusy, ako napríklad model „PC11“ s výkonom 12,5 kW, ktorý sa objavil v 70. rokoch. Nové modely zvýšili energiu odoberanú z jedného palivového článku a tiež znížili náklady na kilowatt vyrobenej energie. V súčasnosti je jedným z najefektívnejších komerčných modelov palivový článok PC25 Model C. Rovnako ako model „A“ ide o plne automatický 200 kW palivový článok typu PAFC určený pre inštaláciu priamo na obsluhovaný objekt ako nezávislý zdroj tepla a elektrickej energie. Takýto palivový článok môže byť inštalovaný mimo budovy. Navonok je to rovnobežnosten s dĺžkou 5,5 m, šírkou 3 m a výškou 3 m, s hmotnosťou 18 140 kg. Rozdiel oproti predchádzajúcim modelom je vylepšený reformátor a vyššia prúdová hustota.

V niektorých typoch palivových článkov môže byť chemický proces obrátený: aplikáciou rozdielu potenciálov na elektródy sa voda môže rozložiť na vodík a kyslík, ktoré sa zhromažďujú na poréznych elektródach. Keď je pripojená záťaž, takýto regeneračný palivový článok začne generovať elektrickú energiu.

Sľubným smerom využitia palivových článkov je ich využitie v spojení s obnoviteľnými zdrojmi energie, akými sú fotovoltické panely či veterné turbíny. Táto technológia vám umožňuje úplne sa vyhnúť znečisteniu ovzdušia. Podobný systém plánujú vytvoriť napríklad v školiacom stredisku Adama Josepha Lewisa v Oberline (pozri ABOK, 2002, č. 5, s. 10). V súčasnosti sa v tejto budove ako jeden zo zdrojov energie využívajú solárne panely. Spolu so špecialistami NASA bol vyvinutý projekt využitia fotovoltaických panelov na výrobu vodíka a kyslíka z vody elektrolýzou. Vodík sa potom používa v palivových článkoch na výrobu elektrickej energie a horúca voda. To umožní budove zachovať výkon všetkých systémov počas zamračených dní a v noci.

Princíp činnosti palivových článkov

Uvažujme ako príklad princíp fungovania palivového článku s použitím najjednoduchšieho prvku s protónovou výmennou membránou (Proton Exchange Membrane, PEM). Takýto prvok pozostáva z polymérnej membrány umiestnenej medzi anódou (kladná elektróda) ​​a katódou (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 (približne 2-7 hárkov hrubého obyčajného papiera) tuhá organická zlúčenina. Táto membrána funguje ako elektrolyt: v prítomnosti vody rozdeľuje hmotu na kladne a záporne nabité ióny.

Na anóde prebieha oxidačný proces a na katóde proces redukcie. Anóda a katóda v PEM článku sú vyrobené z porézneho materiálu, ktorý je zmesou častíc uhlíka a platiny. Platina pôsobí ako katalyzátor, ktorý podporuje disociačnú reakciu. Anóda a katóda sú vyrobené porézne na voľný priechod vodíka a kyslíka cez ne.

Anóda a katóda sú umiestnené medzi dvoma kovové platne, ktoré dodávajú vodík a kyslík na anódu a katódu a odvádzajú teplo a vodu, ako aj elektrickú energiu.

Molekuly vodíka prechádzajú kanálikmi v platni k anóde, kde sa molekuly rozkladajú na jednotlivé atómy (obr. 6).

Potom, ako výsledok chemisorpcie v prítomnosti katalyzátora, sa atómy vodíka, z ktorých každý daruje jeden elektrón e -, premenia na kladne nabité vodíkové ióny H +, t.j. protóny (obr. 7).

Kladne nabité vodíkové ióny (protóny) difundujú cez membránu ku katóde a tok elektrónov smeruje ku katóde cez vonkajší elektrický obvod, na ktorý je pripojená záťaž (spotrebiteľ elektrickej energie) (obr. 8).

Kyslík privádzaný na katódu v prítomnosti katalyzátora vstupuje do chemickej reakcie s vodíkovými iónmi (protónmi) z protónovej výmennej membrány 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 absolútne identická s chemickou reakciou v palivovom článku s protónovou výmennou membránou.

V každom palivovom článku sa časť energie chemickej reakcie uvoľňuje vo forme tepla.

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

Množstvo elektrickej energie produkovanej palivovým článkom závisí od typu palivového článku, geometrické rozmery, teplota, tlak plynu. Jediný palivový článok poskytuje EMF menšie ako 1,16 V. Je možné zväčšiť veľkosť palivových článkov, ale v praxi sa používa niekoľko článkov spojených v batériách (obr. 10).

Zariadenie na palivové články

Zoberme si zariadenie palivových článkov na príklade modelu PC25 Model C. Schéma palivového článku je znázornená na obr. jedenásť.

Palivový článok „PC25 Model C“ pozostáva z troch hlavných častí: palivového procesora, skutočnej časti na výrobu energie a meniča napätia.

Hlavná časť palivového článku - časť na výrobu energie - je zostava zložená z 256 jednotlivých palivových článkov. Zloženie elektród palivových článkov zahŕňa platinový katalyzátor. Prostredníctvom týchto článkov vzniká jednosmerný elektrický prúd 1 400 ampérov pri napätí 155 voltov. Rozmery batérie sú približne 2,9 m na dĺžku a 0,9 m na šírku a výšku.

Keďže elektrochemický proces prebieha pri teplote 177 °C, je potrebné batériu v čase spustenia zahriať a počas prevádzky z nej odoberať teplo. Na tento účel obsahuje palivový článok samostatný vodný okruh a batéria je vybavená špeciálnymi chladiacimi doskami.

Palivový procesor umožňuje premeniť zemný plyn na vodík, ktorý je nevyhnutný pre elektrochemickú reakciu. Tento proces sa nazýva reformácia. Hlavným prvkom procesora paliva je reformátor. V reformátore zemný plyn (alebo iné palivo obsahujúce vodík) reaguje s parou pri vysokej teplote (900 °C) a vysokom tlaku v prítomnosti niklového katalyzátora. Prebiehajú nasledujúce chemické reakcie:

CH4 (metán) + H20 3H2 + CO

(endotermická reakcia s absorpciou tepla);

CO + H20 H2 + CO2

(reakcia je exotermická, s uvoľňovaním tepla).

Celková reakcia je vyjadrená rovnicou:

CH4 (metán) + 2H204H2 + C02

(endotermická reakcia s absorpciou tepla).

Na zabezpečenie vysokej teploty potrebnej na konverziu zemného plynu sa časť vyhoreného paliva zo zásobníka palivových článkov posiela do horáka, ktorý udržiava reformátor na požadovanej teplote.

Para potrebná na reformovanie sa vytvára z kondenzátu vznikajúceho počas prevádzky palivového článku. V tomto prípade sa využíva teplo odvádzané zo zásobníka palivových článkov (obr. 12).

Zostava palivových článkov generuje prerušovaný jednosmerný prúd, ktorý sa vyznačuje nízkym napätím a vysokým prúdom. Na premenu na priemyselný štandard AC sa používa menič napätia. Okrem toho jednotka meniča napätia obsahuje rôzne ovládacie zariadenia a bezpečnostné blokovacie obvody, ktoré umožňujú vypnutie palivového článku v prípade rôznych porúch.

V takomto palivovom článku je možné premeniť približne 40 % energie v palive na elektrickú energiu. Približne rovnaké množstvo, asi 40 % energie paliva, možno premeniť na termálna energia, ktorý sa následne využíva ako zdroj tepla na vykurovanie, zásobovanie teplou vodou a podobné účely. Celková účinnosť takéhoto zariadenia teda môže dosiahnuť 80%.

Dôležitou výhodou takéhoto zdroja tepla a elektriny je možnosť jeho automatická prevádzka. Pri údržbe nemusia majitelia zariadenia, na ktorom je palivový článok nainštalovaný, udržiavať špeciálne vyškolený personál - pravidelnú údržbu môžu vykonávať zamestnanci prevádzkovej organizácie.

Typy palivových článkov

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

1. Palivové články s membránou na výmenu protónov (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC).

2. Palivové články na báze kyseliny ortofosforečnej (fosforečnej) (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC).

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

4. Palivové články s pevným oxidom (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC). V súčasnosti je najväčšia flotila palivových článkov postavená na báze technológie PAFC.

Jeden z kľúčové vlastnosti odlišné typy prevádzková teplota palivového článku. V mnohých ohľadoch je to teplota, ktorá určuje rozsah palivových článkov. Napríklad vysoké teploty sú kritické pre notebooky, preto sa pre tento segment trhu vyvíjajú palivové články s protónovou výmennou membránou s nízkymi prevádzkovými teplotami.

Pre autonómne napájanie budov sú potrebné palivové články s vysokým inštalovaným výkonom a zároveň je možné využívať tepelnú energiu, preto je možné na tieto účely použiť aj palivové články iných typov.

Protónové výmenné membránové palivové články (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 znečistené palivo môže poškodiť membránu. Nominálny výkon palivových článkov tohto typu je 1-100 kW.

Palivové články s protónovou výmennou membránou boli pôvodne vyvinuté spoločnosťou General Electric Corporation v 60. rokoch minulého storočia pre NASA. Tento typ palivového článku využíva polymérny elektrolyt v tuhom stave nazývaný protónová výmenná membrána (PEM). Protóny sa môžu pohybovať cez membránu na výmenu protónov, ale elektróny cez ňu nemôžu prechádzať, čo vedie k potenciálnemu rozdielu medzi katódou a anódou. Vďaka svojej jednoduchosti a spoľahlivosti boli takéto palivové články použité ako zdroj energie na kozmickej lodi Gemini s posádkou.

Tento typ palivových článkov 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 komplexov elektronické zariadenia. Menej efektívne je ich využitie ako zdroja tepla a elektrickej energie pre verejné a priemyselné budovy, kde je potrebné veľké množstvo tepelnej energie. Zároveň sú takéto prvky perspektívne ako autonómny zdroj napájania pre malé obytné budovy, ako sú chaty postavené v regiónoch s horúcou klímou.

Palivové články s kyselinou fosforečnou (PAFC)

Testy palivových článkov tohto typu sa uskutočnili už začiatkom 70. rokov 20. storočia. Rozsah prevádzkových teplôt - 150-200 °C. Hlavnou oblasťou použitia sú autonómne zdroje tepla a napájanie stredného výkonu (cca 200 kW).

Elektrolytom používaným v týchto palivových článkoch je roztok kyseliny fosforečnej. Elektródy sú vyrobené z papiera potiahnutého uhlíkom, v ktorom je rozptýlený platinový katalyzátor.

Elektrická účinnosť palivových článkov PAFC je 37-42%. Pretože však tieto palivové články pracujú pri dostatočne vysokej teplote, je možné využiť paru, ktorá vzniká ako výsledok prevádzky. V tomto prípade celková účinnosť môže dosiahnuť 80 %.

Na výrobu energie sa musí surovina obsahujúca vodík premeniť na čistý vodík prostredníctvom procesu reformovania. Napríklad, ak sa ako palivo používa benzín, zlúčeniny síry sa musia odstrániť, pretože síra môže poškodiť platinový katalyzátor.

Palivové články PAFC boli prvé komerčné palivové články, ktoré boli ekonomicky opodstatnené. Najbežnejším modelom bol 200 kW palivový článok PC25 vyrábaný spoločnosťou ONSI Corporation (teraz United Technologies, Inc.) (obr. 13). Tieto prvky sa napríklad používajú ako zdroj tepla a elektriny na policajnej stanici v newyorskom Central Parku alebo ako doplnkový zdroj energie pre Conde Nast Building & Four Times Square. Najviac veľká súprava tohto typu sa testuje ako 11 MW elektráreň umiestnená v Japonsku.

Ako zdroj energie vo vozidlách sa používajú aj palivové články na báze kyseliny fosforečnej. Napríklad v roku 1994 H-Power Corp., Georgetown University a Ministerstvo energetiky USA vybavili autobus 50 kW elektrárňou.

Roztavené karbonátové palivové články (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“. Umožňuje výrazne zjednodušiť konštrukciu palivového článku.

Palivové články na báze roztaveného uhličitanu vyžadujú značný čas nábehu a neumožňujú rýchle nastavenie výstupného výkonu, takže ich hlavnou oblasťou použitia sú veľké stacionárne zdroje tepla a elektriny. Vyznačujú sa však vysokou účinnosťou premeny paliva - 60% elektrická účinnosť a až 85% celková účinnosť.

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

Laboratórne vzorky palivových článkov tohto typu vytvorili koncom 50. rokov 20. storočia holandskí vedci G. H. J. Broers a J. A. A. Ketelaar. V 60. rokoch 20. storočia s týmito prvkami pracoval inžinier Francis T. Bacon, potomok slávneho anglického spisovateľa a vedca zo 17. storočia, a preto sa palivové články MCFC niekedy označujú ako prvky Bacon. Programy NASA Apollo, Apollo-Soyuz a Scylab používali ako zdroj energie práve takéto palivové články (obr. 14). V tých istých rokoch americké vojenské oddelenie testovalo niekoľko vzoriek palivových článkov MCFC vyrobených spoločnosťou Texas Instruments, v ktorých sa ako palivo používali armádne benzíny. V polovici 70. rokov minulého storočia začalo Ministerstvo energetiky USA s výskumom vývoja stacionárneho palivového článku z roztaveného uhličitanu vhodného pre praktické aplikácie. V 90. rokoch bolo do prevádzky uvedené množstvo komerčných jednotiek s výkonom až 250 kW, ako napríklad na americkej námornej leteckej stanici Miramar v Kalifornii. V roku 1996 spoločnosť FuelCell Energy, Inc. uviedla do prevádzky predsériový závod s výkonom 2 MW v Santa Clare v Kalifornii.

Oxidové palivové články v tuhom stave (SOFC)

Oxidové palivové články v tuhom stave majú jednoduchú konštrukciu a pracujú pri veľmi vysokých teplotách - 700-1000 °C. Takéto vysoké teploty umožňujú použitie pomerne „špinavého“, nerafinovaného paliva. Rovnaké vlastnosti ako v palivových článkoch na báze roztaveného uhličitanu určujú podobnú oblasť použitia - veľké stacionárne zdroje tepla a elektriny.

Palivové články s pevným oxidom sa štrukturálne líšia od palivových článkov založených na technológiách PAFC a MCFC. Anóda, katóda a elektrolyt sú vyrobené zo špeciálnej keramiky. Najčastejšie sa ako elektrolyt používa zmes oxidu zirkoničitého a oxidu vápenatého, ale možno použiť aj iné oxidy. Elektrolyt tvorí kryštálovú mriežku potiahnutú na oboch stranách poréznym elektródovým materiálom. Štrukturálne sú takéto prvky vyrobené vo forme rúrok alebo plochých dosiek, čo umožňuje pri ich výrobe použiť technológie široko používané v elektronickom priemysle. V dôsledku toho môžu palivové články s oxidom v tuhom stave pracovať pri veľmi vysokých teplotách, takže ich možno použiť na výrobu elektrickej aj tepelnej energie.

Pri vysokých prevádzkových teplotách sa na katóde vytvárajú kyslíkové ióny, ktoré migrujú cez kryštálovú mriežku na anódu, kde interagujú s vodíkovými iónmi, tvoria 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 vytvorenie palivových článkov s oxidom v tuhom stave boli položené koncom 30. rokov 20. storočia, keď švajčiarski vedci Bauer (Emil Bauer) a Preis (H. Preis) experimentovali so zirkónom, ytriom, cérom, lantánom a volfrámom. ako elektrolyty.

Prvé prototypy takýchto palivových článkov boli vytvorené koncom 50. rokov 20. storočia množstvom amerických a holandských spoločností. Väčšina z 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 súčasnosti prijíma predbežné objednávky na komerčný model rúrkového topologického palivového článku s tuhým oxidom, ktorý sa očakáva tento rok (obrázok 15). Trhovým segmentom takýchto prvkov sú stacionárne zariadenia na výrobu tepla a elektrickej energie s výkonom od 250 kW do 5 MW.

Palivové články typu SOFC preukázali veľmi vysokú spoľahlivosť. Napríklad prototyp palivového článku Siemens Westinghouse zaznamenal 16 600 hodín a pokračuje v prevádzke, čo z neho robí najdlhšiu nepretržitú životnosť palivového článku na svete.

Vysokoteplotný a vysokotlakový prevádzkový režim palivových článkov SOFC umožňuje vytváranie hybridných zariadení, v ktorých emisie palivových článkov poháňajú plynové turbíny používané na výrobu elektriny. Prvý takýto hybridný závod je v prevádzke v Irvine v Kalifornii. Menovitý výkon tohto zariadenia je 220 kW, z toho 200 kW z palivového článku a 20 kW z generátora mikroturbíny.

Hlavná postava veľmi skoro (presnejšie na začiatku svojho vzrušujúceho dobrodružstva) narazí na bunker Forerunner, ktorý sa nachádza veľmi blízko krajín kmeňa Nora. Vo vnútri tohto starobylého bunkra bude brnenie zatvorené za mocnými a špičkovými dverami, ktoré z diaľky vyzerajú nielen dôstojne, ale aj veľmi atraktívne. Brnenie sa nazýva „Shield Weaver“ a je to vlastne najlepšia časť vybavenia 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 rovnakej 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. Nižšie vám poviem, kde a ako nájsť palivové prvky na riešenie hádaniek počas hľadania a v starovekej zbrojnici.

: Prezentovaný sprievodca má nielen podrobný textový návod, ale ku každému palivovému článku sú pripojené aj snímky obrazovky a na konci je video. Toto všetko bolo vytvorené s cieľom uľahčiť vám vyhľadávanie, takže ak niektorý bod v textovom návode nie je jasný, odporúčam vám pozrieť si screenshoty a video.

. Prvým palivom je "Materské srdce"

Kde a ako nájsť prvý palivový článok - umiestnenie paliva.

Takže úplne prvý palivový prvok (alebo jednoduchšie palivo) Aloy bude môcť nájsť dlho predtým, ako vstúpi do otvoreného sveta pri zadaní „materského lona“. Podstatou je, že po úlohe „Zasvätenie“ (ktorá sa mimochodom vzťahuje aj na dejovú líniu) bude hlavná postava na mieste zvanom „Srdce matky“, ktoré je posvätným miestom kmeňa Nora a tzv. sídlo matičiarov.

Hneď ako dievča vstane z postele, prejdite postupne niekoľkými miestnosťami (izbami), kde v jednej narazíte na zapečatené dvere, ktoré sa nedajú len tak otvoriť. V tejto chvíli dôrazne odporúčam rozhliadnuť sa, pretože vedľa hrdinky (alebo pri dverách - ako je to pohodlnejšie) je ventilačná šachta, navyše zdobená horiacimi sviečkami (vo všeobecnosti ju tu potrebujete).

Keď prejdete určitým úsekom cesty ventilačnou šachtou, hrdinka bude za zamknutými dverami. Pozrite sa na podlahu vedľa nástenného bloku a sviečok tajomného účelu - na tomto mieste leží prvý palivový prvok.

: Nezabudnite, že ak nezoberiete prvý palivový prvok pred vstupom do otvoreného sveta, potom sa na toto miesto budete môcť dostať až v neskorších fázach prechodu. Ale aby som bol presnejší, po splnení úlohy „Srdce Nory“ odporúčam nabrať palivo už teraz.

. Druhé palivo - "Ruiny"

Kde a ako nájsť druhý palivový článok - umiestnenie paliva.

Prvá vec, ktorú potrebujete vedieť pri hľadaní druhého paliva, je, že hlavná postava sa už v tejto lokalite nachádzala, keď ako dieťa spadla do ruín, kedysi dávno (na samom začiatku hry). Takže po dokončení úlohy „Zasvätenie“ si budete musieť spomenúť na svoje hlboké detstvo a zísť na toto miesto ešte raz, aby ste získali druhý palivový element.

Nižšie je niekoľko obrázkov (screenshotov). Vchod do ruín je označený na prvom obrázku (červenou farbou). Vo vnútri ruín sa budete musieť dostať na prvú úroveň - toto je oblasť vpravo dole, ktorá bude zvýraznená Fialová na mape. Okrem toho tam budú aj dvierka, ktoré môže dievča otvárať oštepom.

Hneď ako Aloy prejde dverami, vylezte hore po schodoch a pri prvej príležitosti odbočte doprava: v mladosti Aloy nevedela preliezť stalaktitom, ale teraz má užitočné „hračky“, ktoré si poradia s akoukoľvek úlohou. Takže vytiahnite oštep a rozbite ním stalaktity. Čoskoro bude cesta voľná, takže zostáva vziať palivový prvok, ktorý leží na stole, a ísť po ďalší. Ak niektorý moment pasáže nie je jasný, nižšie sú v poradí priložené snímky obrazovky.

. Tretie palivo - "Master's Limit"

Kde a ako nájsť tretí palivový článok - umiestnenie paliva.

Je čas vydať sa na sever. Počas úlohy „Master's Limit“ bude musieť Aloy dôkladne preskúmať a preštudovať obrovské ruiny Forerunnerov. Takže v týchto ruinách na dvanástej úrovni bude skrytý ďalší, tretí palivový prvok.

Preto budete musieť vyliezť nielen na hornú úroveň týchto ruín, ale tam vyliezť aj o niečo vyššie. Nestrácajte drahocenný čas a vyšplhajte sa vyššie pozdĺž prežívajúcej časti budovy. Vylezte hore, kým sa neocitnete na malej plošine otvorenej všetkým vetrom. Potom je všetko jednoduché, pretože tretí prvok paliva bude ležať na vrchu: žiadne hádanky, žiadne hádanky a tajomstvá. Tak naber palivo, zlez a choď ďalej.

. Štvrté palivo - "Poklad smrti"

Kde a ako nájsť štvrtý palivový prvok - umiestnenie paliva.

Dobrou správou je, že tento palivový článok sa nachádza aj v severnej časti mapy Horizon: Zero Dawn, no o niečo bližšie k krajinám kmeňa Nora. Hlavná postava opäť spadne do tejto časti mapy počas prechodu ďalšej príbehovej misie. Ale predtým, ako sa Aloy dostane k predposlednému palivovému článku, bude musieť obnoviť napájanie zapečatených dverí, ktoré sa nachádzajú na tretej úrovni miesta. A na to budete musieť vyriešiť malú a nie príliš náročnú hádanku. Hádanka súvisí s blokmi a regulátormi (na úrovni pod dverami sú dva bloky po štyroch regulátoroch). Takže pre začiatočníkov odporúčam zaoberať sa ľavým blokom regulátorov: prvý regulátor by mal byť zdvihnutý (pozrieť sa) hore, druhý - doprava, tretí - doľava, štvrtý - dole.

Potom choďte do bloku na pravej strane. Nedotýkajte sa prvých dvoch gombíkov, ale tretí a štvrtý gombík bude potrebné sklopiť. Choďte preto o úroveň vyššie – tu je posledný blok regulátorov. Správne poradie by vyzeralo takto: 1 – hore, 2 – dole, 3 – doľava, 4 – doprava.

Po správnom vykonaní sa ovládacie prvky zmenia z bielej na tyrkysovú. Tým sa obnoví dodávka energie. Preto vstúpte späť k dverám a otvorte ich. Za dverami hrdinku „privíta“ predposledný palivový element, takže môžete ísť po ďalšie, posledné palivo.

. Piate palivo - "GAYA Prime"

Kde a ako nájsť piaty palivový článok - umiestnenie paliva.

Konečne posledný palivový článok. A opäť ho môžete získať iba počas plynutia dejovej línie. Tentoraz sa hlavná postava bude musieť vydať do ruín s názvom „GAYA Prime“. Na tomto mieste musíte venovať osobitnú pozornosť, keď sa ocitnete blízko tretej úrovne. Základom je, že v určitom momente sa pred dievčaťom objaví atraktívna priepasť, do ktorej sa bude dať zostúpiť po lane, hoci by ste tam ísť nemali.

Pred priepasťou by ste mali odbočiť doľava a najprv preskúmať jaskyňu skrytú pred očami: môžete sa do nej dostať, ak opatrne zídete po úbočí hory. Choďte dovnútra a pokračujte vpred až do úplného konca. V poslednej miestnosti v miestnosti na pravej strane bude stojan, na ktorom napokon leží posledný palivový článok. Spolu s ním sa teraz môžete bezpečne vrátiť späť do bunkra a otvoriť všetky zámky, aby ste získali elegantné vybavenie.

. Ako sa dostať do starovekého arzenálu?

Teraz zostáva vrátiť sa do Starovekého arzenálu, aby ste dostali dlho očakávanú odmenu. Ak si nepamätáte chodby arzenálu, pozrite sa na nižšie uvedené snímky obrazovky, ktoré vám pomôžu zapamätať si celú cestu.

Keď sa dostanete na správne miesto a naštartujete, vložte palivové články do prázdnych článkov. V dôsledku toho sa regulátory rozsvietia, takže je potrebné vyriešiť novú hádanku, aby ste otvorili dvere. Takže prvý gombík by mal smerovať nahor, druhý - doprava, tretí - dole, štvrtý - doľava, piaty - hore. Akonáhle urobíte všetko správne, dvere sa otvoria, ale to zďaleka nie je koniec.

Ďalším krokom je odomknutie zámku (alebo držiakov) brnenia - toto je ďalšia jednoduchá hádanka súvisiaca s regulátorom, v ktorej musíte použiť zostávajúce 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 dobrá výbava, vďaka ktorej je hlavná postava na chvíľu takmer nezraniteľná. Najdôležitejšie je neustále sledovať farbu brnenia: ak brnenie bliká na bielo, potom je všetko v poriadku. Ak je červený, štít už nie je.

Palivový článok je zariadenie, ktoré efektívne generuje teplo a jednosmerný prúd prostredníctvom elektrochemickej reakcie a využíva palivo bohaté na vodík. Princípom činnosti je podobný batérii. Štrukturálne je palivový článok reprezentovaný elektrolytom. Prečo je pozoruhodný? Na rozdiel od batérií vodíkové palivové články neukladajú elektrickú energiu, nepotrebujú elektrinu na dobíjanie a nevybíjajú sa. Články pokračujú vo výrobe elektriny, pokiaľ majú zásobu vzduchu a paliva.

Zvláštnosti

Rozdiel medzi palivovými článkami a inými generátormi energie je v tom, že počas prevádzky nespaľujú palivo. Vďaka tejto vlastnosti nepotrebujú rotory. vysoký tlak, nevydávajú silný hluk a vibrácie. Elektrina v palivových článkoch vzniká tichou elektrochemickou reakciou. Chemická energia paliva sa v takýchto zariadeniach premieňa priamo na vodu, teplo a elektrinu.

Palivové články sú vysoko účinné a neprodukujú Vysoké číslo skleníkové plyny. Výstupom článkov pri prevádzke je malé množstvo vody vo forme pary a oxidu uhličitého, ktoré sa pri použití čistého vodíka ako paliva neuvoľňuje.

História vzhľadu

V 50. a 60. rokoch minulého storočia vyvolala potreba zdrojov energie v NASA pre dlhodobé vesmírne misie jednu z najnáročnejších úloh pre palivové články, aké v tom čase existovali. Alkalické články využívajú ako palivo kyslík a vodík, ktoré sa v priebehu elektrochemickej reakcie premieňajú na vedľajšie produkty užitočné pri vesmírny let- elektrina, voda a teplo.

Palivové články boli prvýkrát objavené začiatkom 19. storočia - v roku 1838. Zároveň sa objavili prvé informácie o ich účinnosti.

Práce na palivových článkoch s použitím alkalických elektrolytov sa začali koncom tridsiatych rokov minulého storočia. Vysokotlakové poniklované elektródové články boli vynájdené až v roku 1939. Počas druhej svetovej vojny boli pre britské ponorky vyvinuté palivové články, ktoré pozostávali z alkalických článkov s priemerom asi 25 centimetrov.

Záujem o ne vzrástol v 50. – 80. rokoch 20. storočia, charakterizovaný nedostatkom ropného paliva. Krajiny sveta sa začali zaoberať problematikou znečistenia ovzdušia a životné prostredie v snahe vyvinúť spôsoby výroby elektriny šetrné k životnému prostrediu. Technológia výroby palivových článkov v súčasnosti prechádza aktívnym vývojom.

Princíp činnosti

Teplo a elektrina sa vyrábajú v palivových článkoch ako výsledok elektrochemickej reakcie, ktorá prebieha pomocou katódy, anódy a elektrolytu.

Katóda a anóda sú oddelené protónom vodivým elektrolytom. Po privedení kyslíka ku katóde a vodíka k anóde sa spustí chemická reakcia, ktorej výsledkom je teplo, prúd a voda.

Disociuje na anódovom katalyzátore, čo vedie k jeho strate elektrónov. Vodíkové ióny vstupujú do katódy cez elektrolyt, zatiaľ čo elektróny prechádzajú cez vonkajšiu elektrickej siete a vytvoriť jednosmerný prúd, ktorý sa používa na napájanie zariadenia. Molekula kyslíka na katódovom katalyzátore sa spojí s elektrónom a prichádzajúcim protónom, pričom nakoniec vytvorí vodu, ktorá je jediným reakčným produktom.

Typy

Výber konkrétneho typu palivového článku závisí od oblasti jeho použitia. Všetky palivové články sú rozdelené do dvoch hlavných kategórií – vysokoteplotné a nízkoteplotné. Tie posledné využívajú ako palivo čistý vodík. Takéto zariadenia spravidla vyžadujú spracovanie primárneho paliva na čistý vodík. Proces sa vykonáva pomocou špeciálneho zariadenia.

Vysokoteplotné palivové články to nepotrebujú, pretože premieňajú palivo pri zvýšené teploty, čo eliminuje potrebu vytvorenia vodíkovej infraštruktúry.

Princíp činnosti vodíkových palivových článkov je založený na premene chemickej energie na elektrickú energiu bez neefektívnych spaľovacích procesov a premene tepelnej energie na mechanickú energiu.

Všeobecné pojmy

Vodíkové palivové články sú elektrochemické zariadenia, ktoré vyrábajú elektrickú energiu vysoko účinným spaľovaním „studeného“ paliva. Existuje niekoľko typov takýchto zariadení. Za najsľubnejšiu technológiu sa považujú palivové články vodík-vzduch vybavené membránou na výmenu protónov PEMFC.

Protónovo vodivá polymérová membrána je určená na oddelenie dvoch elektród – katódy a anódy. Každý z nich je reprezentovaný uhlíkovou matricou potiahnutou katalyzátorom. disociuje na anódovom katalyzátore a daruje elektróny. Katióny sú vedené ku katóde cez membránu, avšak elektróny sa prenášajú do vonkajšieho okruhu, keďže membrána nie je navrhnutá na prenos elektrónov.

Molekula kyslíka na katódovom katalyzátore sa zlúči s elektrónom z elektrického obvodu a prichádzajúcim protónom, prípadne vytvorí vodu, ktorá je jediným reakčným produktom.

Vodíkové palivové články sa používajú na výrobu blokov membránových elektród, ktoré pôsobia ako hlavné generujúce prvky energetického systému.

Výhody vodíkových palivových článkov

Medzi nimi treba zdôrazniť:

• Zvýšená špecifické teplo.
• Široký rozsah prevádzkových teplôt.
• Žiadne vibrácie, hluk a tepelné škvrny.
• Spoľahlivosť studeného štartu.
• Nedostatok samovybíjania, čo zaisťuje dlhú životnosť energie.
• Neobmedzená autonómia vďaka možnosti nastavenia energetickej náročnosti zmenou počtu palivových kaziet.
• Zabezpečenie takmer akejkoľvek energetickej náročnosti zmenou kapacity zásobníka vodíka.
• Dlhá životnosť.
• Bezhlučná a ekologická prevádzka.
• Vysoká úroveň energetickej náročnosti.
• Tolerancia voči cudzím nečistotám vo vodíku.

Oblasť použitia

Vďaka vysokej účinnosti sa vodíkové palivové články používajú v rôznych oblastiach:

• Prenosné nabíjačky.
• Napájacie systémy pre UAV.
• Neprerušiteľné zdroje napájania.
• Ostatné zariadenia a vybavenie.

Perspektívy vodíkovej energie

Široké používanie palivových článkov na báze peroxidu vodíka bude možné až po vytvorení efektívnym spôsobom získavanie vodíka. Na aktívne využitie technológie sú potrebné nové nápady, pričom veľké nádeje sa vkladajú do koncepcie biopalivových článkov a nanotechnológie. Niektoré spoločnosti pomerne nedávno vydali účinné katalyzátory na báze rôznych kovov, zároveň sa objavili informácie o vytvorení palivových článkov bez membrán, čo umožnilo výrazne znížiť náklady na výrobu a zjednodušiť konštrukciu takýchto zariadení. Výhody a vlastnosti vodíkových palivových článkov neprevažujú nad ich hlavnou nevýhodou - vysoká cena, najmä v porovnaní s uhľovodíkovými zariadeniami. Vytvorenie jednej vodíkovej elektrárne si vyžaduje minimálne 500-tisíc dolárov.

Ako postaviť vodíkový palivový článok?

Nízkoenergetický palivový článok môže byť vytvorený samostatne v podmienkach bežného domáceho alebo školského laboratória. Použité materiály sú stará plynová maska, kúsky plexiskla, vodný roztok etylalkohol a alkálie.

Urob si sám telo vodíkového palivového článku je vyrobené z plexiskla s hrúbkou minimálne päť milimetrov. Priečky medzi priehradkami môžu byť tenšie – asi 3 milimetre. Plexisklo sa lepí špeciálnym lepidlom z chloroformu alebo dichlóretánu a hoblín z plexiskla. Všetky práce sa vykonávajú iba vtedy, keď je digestor v prevádzke.

Vo vonkajšej stene puzdra je vyvŕtaný otvor s priemerom 5-6 centimetrov, do ktorého je vložená gumená zátka a odtoková sklenená trubica. Aktívne uhlie z plynovej masky sa naleje do druhého a štvrtého oddelenia krytu palivového článku - použije sa ako elektróda.

Palivo bude cirkulovať v prvej komore, zatiaľ čo piata je naplnená vzduchom, z ktorého bude privádzaný kyslík. Elektrolyt naliaty medzi elektródy je impregnovaný roztokom parafínu a benzínu, aby sa zabránilo vniknutiu do vzduchovej komory. Medené platne sú umiestnené na vrstve uhlia s prispájkovanými drôtmi, cez ktoré bude prúd odvádzaný.

Zostavený vodíkový palivový článok je nabitý vodkou zriedenou vodou v pomere 1:1. Do výslednej zmesi sa opatrne pridá hydroxid draselný: 70 gramov draslíka sa rozpustí v 200 gramoch vody.

Pred testovaním palivového článku na vodík sa palivo naleje do prvej komory a elektrolyt do tretej komory. Voltmeter pripojený k elektródam by mal ukazovať 0,7 až 0,9 voltu. Aby sa zabezpečila nepretržitá prevádzka prvku, vyhorené palivo sa musí odstrániť a cez gumovú hadicu sa musí naliať nové palivo. Stláčaním trubice sa reguluje rýchlosť dodávky paliva. Takéto vodíkové palivové články, zostavené doma, majú malý výkon.

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

Palivové články vyrábajú elektrinu ticho a efektívne bez znečisťovania životného prostredia. Na rozdiel od zdrojov energie z fosílnych palív sú vedľajšími produktmi palivových článkov teplo a voda. Ako to funguje?

V tomto článku stručne preskúmame každý z existujúcich palivové technológie dnes, rovnako ako hovoriť o konštrukcii a prevádzke palivových článkov, porovnávať ich s inými formami výroby energie. Budeme tiež diskutovať o niektorých prekážkach, ktorým čelia výskumníci pri vytváraní palivových článkov praktickými a cenovo dostupnými pre spotrebiteľov.

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

Ďalším elektrochemickým zariadením, ktoré všetci dobre poznáme, je batéria. Batéria má v sebe všetky potrebné chemické prvky a premieňa tieto látky na elektrinu. To znamená, že batéria nakoniec „odumrie“ a buď ju vyhodíte, alebo dobijete.

V palivovom článku sa do neho neustále privádzajú chemikálie, aby nikdy „nezomrel“. Elektrina sa bude vyrábať dovtedy, kým bude prúdiť chemických látok do prvku. Väčšina palivových článkov, ktoré sa dnes používajú, využíva vodík a kyslík.

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

Vynález palivových článkov

Sir William Grove vynašiel prvý palivový článok v roku 1839. Grove vedel, že vodu možno rozdeliť na vodík a kyslík tak, že cez ňu prejde elektrický prúd (proces tzv elektrolýza). Navrhol, že v opačné poradie mohla by byť poskytnutá elektrina a voda. Vytvoril primitívny palivový článok a nazval ho plynu galvanická batéria . Po experimentovaní so svojím novým vynálezom Grove svoju hypotézu potvrdil. O päťdesiat rokov neskôr tento termín vymysleli vedci Ludwig Mond a Charles Langer palivové články pri pokuse o vytvorenie praktického modelu na výrobu energie.

Palivový článok bude konkurovať mnohým ďalším zariadeniam na premenu energie, vrátane plynových turbín v mestských elektrárňach, spaľovacích motorov v autách a batérií všetkých druhov. Spaľovacie motory, podobne ako plynové turbíny, horia rôzne druhy palivo a využívajú tlak vytvorený expanziou plynov na vykonávanie mechanickej práce. Batérie v prípade potreby premieňajú chemickú energiu na elektrickú energiu. Palivové články musia tieto úlohy vykonávať efektívnejšie.

Palivový článok poskytuje jednosmerné (jednosmerné) napätie, ktoré možno použiť na napájanie elektromotorov, osvetlenia a iných elektrických spotrebičov.

Existuje niekoľko rôznych typov palivových článkov, z ktorých každý používa iné chemické procesy. Palivové články sú zvyčajne klasifikované podľa ich Prevádzková teplota a typuelektrolyt, ktoré používajú. Niektoré typy palivových článkov sú vhodné na použitie v stacionárnych elektrárňach. Iné môžu byť užitočné pre malé prenosné zariadenia alebo na napájanie automobilov. Medzi hlavné typy palivových článkov patria:

Palivový článok s membránou na výmenu polymérov (PEMFC)

PEMFC sa považuje za najpravdepodobnejšieho kandidáta na aplikácie v doprave. PEMFC má vysoký výkon a relatívne nízku prevádzkovú teplotu (v rozmedzí 60 až 80 stupňov Celzia). Nízka prevádzková teplota znamená, že palivové články sa môžu rýchlo zahriať a začať vyrábať elektrinu.

Palivový článok s pevným oxidom (SOFC)

Tieto palivové články sú najvhodnejšie pre veľké stacionárne generátory elektrickej energie, ktoré by mohli poskytovať elektrinu továrňam alebo mestám. Tento typ palivových článkov pracuje pri veľmi vysokých teplotách (700 až 1000 stupňov Celzia). Vysoká teplota je problémom spoľahlivosti, pretože niektoré palivové články môžu zlyhať po niekoľkých cykloch zapínania a vypínania. Palivové články s pevným oxidom sú však pri nepretržitej prevádzke veľmi stabilné. SOFC skutočne preukázali najdlhšiu životnosť zo všetkých palivových článkov za určitých podmienok. Vysoká teplota má tiež tú výhodu, že para generovaná palivovými článkami môže byť smerovaná do turbín a generovať viac elektriny. Tento proces sa nazýva kogenerácia tepla a elektriny a zlepšuje celkovú efektivitu systému.

Alkalický palivový článok (AFC)

Ide o jeden z najstarších dizajnov palivových článkov, ktorý sa používa od 60. rokov minulého storočia. AFC sú veľmi náchylné na znečistenie, pretože vyžadujú čistý vodík a kyslík. Navyše sú veľmi drahé, takže tento typ palivových článkov sa pravdepodobne nedostane do sériovej výroby.

Roztavený karbonátový palivový článok (MCFC)

Podobne ako SOFC, aj tieto palivové články sa najlepšie hodia pre veľké stacionárne elektrárne a generátory. Pracujú pri 600 stupňoch Celzia, takže dokážu generovať paru, ktorú je možné využiť na výrobu ešte väčšieho výkonu. Majú nižšiu prevádzkovú teplotu ako palivové články s pevným oxidom, 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 na použitie v malých stacionárnych energetických systémoch. Funguje pri vyššej teplote ako palivový článok s polymérovou výmennou membránou, takže jeho zahriatie trvá dlhšie, a preto nie je vhodný na použitie v automobiloch.

Metanolové palivové články Priame metanolové palivové články (DMFC)

Metanolové palivové články sú z hľadiska prevádzkovej teploty porovnateľné s PEMFC, nie sú však také účinné. Okrem toho DMFC vyžadujú pomerne veľa platiny ako katalyzátora, čo robí tieto palivové články drahými.

Palivový článok s polymérovou výmennou membránou

Palivový článok s membránou na výmenu polymérov (PEMFC) je jednou z najsľubnejších technológií palivových článkov. PEMFC využíva jednu z najjednoduchších reakcií zo všetkých palivových článkov. Zvážte, z čoho pozostáva.

1. ALE uzol – Záporný pól palivového článku. Vedie elektróny, ktoré sa uvoľňujú z molekúl vodíka, a potom môžu byť použité vo vonkajšom obvode. Je vyrytý kanálikmi, cez ktoré je plynný vodík rovnomerne distribuovaný po povrchu katalyzátora.

2.Komu atóm - kladný pól palivového článku má tiež kanály na distribúciu kyslíka po povrchu katalyzátora. Tiež vedie elektróny späť z vonkajšieho reťazca katalyzátora, kde sa môžu spojiť s vodíkovými a kyslíkovými iónmi za vzniku vody.

3.Membrána na výmenu elektrolytov a protónov. Ide o špeciálne upravený materiál, ktorý vedie len kladne nabité ióny a blokuje elektróny. V PEMFC musí byť membrána hydratovaná, aby správne fungovala a zostala stabilná.

4. Katalyzátor- toto je špeciálny materiál, ktorý podporuje reakciu kyslíka a vodíka. Zvyčajne sa vyrába z platinových nanočastíc nanesených veľmi tenko na uhlíkovom papieri alebo tkanine. Katalyzátor má povrchovú štruktúru takú, že maximálna plocha platinový povrch by mohol byť vystavený vodíku alebo kyslíku.

Obrázok ukazuje plynný vodík (H2), ktorý pod tlakom vstupuje 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 cez anódu, kde sa používajú vo vonkajšom obvode (vykonávajú užitočnú prácu, ako je otáčanie motora) a vracajú sa na katódovú stranu palivového článku.

Medzitým na katódovej strane palivového článku prechádza kyslík (O2) zo vzduchu cez katalyzátor, kde vytvára dva atómy kyslíka. Každý z týchto atómov má silný záporný náboj. Tento záporný náboj priťahuje dva ióny H+ cez membránu, kde sa kombinujú s atómom kyslíka a dvoma elektrónmi, ktoré prichádzajú vonkajší obvod aby sa vytvorila molekula vody (H2O).

Táto reakcia v jedinom palivovom článku produkuje iba približne 0,7 voltu. Aby sa napätie zvýšilo na primeranú úroveň, musí sa skombinovať veľa jednotlivých palivových článkov do zostavy palivových článkov. Bipolárne platne sa používajú na spojenie jedného palivového článku s druhým a podliehajú oxidácii s klesajúcim potenciálom. Veľkým problémom bipolárnych platničiek je ich stabilita. Kovové bipolárne platne môžu korodovať a vedľajšie produkty (ióny železa a chrómu) znižujú účinnosť membrán a elektród palivových článkov. Nízkoteplotné palivové články preto využívajú ľahké kovy, grafit a kompozitné zlúčeniny uhlíka a termosetového materiálu (termosetový materiál je druh plastu, ktorý zostáva pevný, aj keď je vystavený vysokým teplotám) vo forme bipolárneho plošného materiálu.

Účinnosť palivových článkov

Zníženie znečistenia je jedným z hlavných cieľov palivového článku. Porovnaním auta poháňaného palivovým článkom s automobilom poháňaným benzínovým motorom a automobilom poháňaným batériou môžete vidieť, ako by palivové články mohli zlepšiť efektivitu áut.

Keďže všetky tri typy áut majú veľa rovnakých komponentov, budeme túto časť auta ignorovať a porovnávame účinnosti až do bodu, kedy mechanická energia. Začnime autom s palivovými článkami.

Ak je palivový článok poháňaný čistým vodíkom, jeho účinnosť môže byť až 80 percent. Takto premieňa 80 percent energetického obsahu vodíka na elektrinu. Stále však musíme premieňať elektrickú energiu na mechanickú prácu. To je dosiahnuté elektromotorom a meničom. Účinnosť motora + meniča je tiež približne 80 percent. To dáva celkovú účinnosť približne 80*80/100=64 percent. Koncepčné vozidlo FCX od Hondy má údajne 60-percentnú energetickú účinnosť.

Ak zdroj paliva nie je vo forme čistého vodíka, potom bude vozidlo potrebovať aj reformátor. Reformátori premieňajú uhľovodíkové alebo alkoholové palivá na vodík. Vyrábajú teplo a okrem vodíka produkujú aj CO a CO2. Na čistenie vznikajúceho vodíka sa používajú rôzne zariadenia, no toto čistenie je nedostatočné a znižuje účinnosť palivového článku. Vedci sa preto rozhodli zamerať na palivové články pre vozidlá poháňané čistým vodíkom aj napriek problémom spojeným s výrobou a skladovaním vodíka.

Účinnosť benzínového motora a automobilu na elektrické batérie

Účinnosť auta poháňaného benzínom je prekvapivo nízka. Všetko teplo, ktoré vychádza vo forme výfukových plynov alebo je absorbované radiátorom, je plytvanie energiou. Motor tiež spotrebuje veľa energie na otáčanie rôznych čerpadiel, ventilátorov a generátorov, ktoré ho udržujú v chode. Celková účinnosť automobilového benzínového motora je teda približne 20 percent. Na mechanickú prácu sa teda premení len približne 20 percent obsahu tepelnej energie benzínu.

Elektrické vozidlo poháňané batériou má pomerne vysokú účinnosť. Účinnosť batérie je približne 90 percent (väčšina batérií vytvára určité teplo alebo vyžaduje vykurovanie) a účinnosť motora + meniča je približne 80 percent. To dáva celkovú účinnosť približne 72 percent.

To však nie je všetko. Aby sa elektromobil mohol pohybovať, musí sa najskôr niekde vyrobiť elektrina. Ak išlo o elektráreň, ktorá využívala proces spaľovania fosílnych palív (namiesto jadrovej, vodnej, solárnej alebo veternej energie), tak len asi 40 percent paliva spotrebovaného elektrárňou sa premenilo na elektrinu. Proces nabíjania auta navyše vyžaduje konverziu striedavého prúdu (AC) na jednosmerný prúd (DC). Tento proces má účinnosť približne 90 percent.

Ak 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 značne líši v závislosti od toho, ktorá elektráreň sa používa na nabíjanie batérie. Ak elektrinu pre auto vyrába napríklad vodná elektráreň, tak účinnosť elektromobilu bude asi 65 percent.

Vedci skúmajú a zdokonaľujú návrhy, aby pokračovali v zlepšovaní účinnosti palivových článkov. Jedným z nových prístupov je kombinácia vozidiel na palivové články a batérie. Vyvíja sa koncepčné vozidlo, ktoré bude poháňané hybridným pohonom poháňaným palivovými článkami. Používa lítiovú batériu na napájanie auta, zatiaľ čo palivový článok dobíja batériu.

Vozidlá na palivové články sú potenciálne rovnako efektívne ako auto poháňané batériou, ktoré sa nabíja z elektrárne bez fosílnych palív. Ale dosiahnutie takéhoto potenciálu praktickým a prístupným spôsobom môže byť ťažké.

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 spotrebujú dve tretiny ropy denne na prepravu. Aj keby každé auto na ulici bolo hybridným autom, do roku 2025 by USA stále museli používať rovnaké množstvo ropy, aké Američania spotrebovali v roku 2000. Amerika skutočne spotrebuje štvrtinu všetkej ropy vyprodukovanej na svete, hoci tu žije len 4,6 % svetovej populácie.

Odborníci očakávajú, že ceny ropy budú v najbližších desaťročiach naďalej rásť, keďže lacnejšie zdroje sa vyčerpajú. Ropné spoločnosti musia rozvíjať ropné polia v čoraz zložitejších podmienkach, čo bude hnať ceny ropy nahor.

Obavy siahajú ďaleko za ekonomickú bezpečnosť. Veľká časť výnosov z predaja ropy sa míňa na podporu medzinárodného terorizmu, radikálneho politické strany nestabilná situácia v regiónoch produkujúcich ropu.

Využívanie ropy a iných fosílnych palív na výrobu energie spôsobuje znečistenie. to najlepšia cesta vhodné pre každého nájsť si alternatívu – spaľovanie fosílnych palív na energiu.

Palivové články sú atraktívnou alternatívou k závislosti od ropy. Palivové články produkujú namiesto znečistenia čistá voda ako vedľajší produkt. 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 bude samozrejme proces získavania 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.

Je zrejmé, že vedci a výrobcovia majú veľa práce, kým sa palivové články stanú alternatívou. moderné metódy výroba energie. A predsa, s podporou celého sveta a celosvetovou spoluprácou sa životaschopný energetický systém založený na palivových článkoch môže stať o pár desaťročí realitou.

Podobne ako pri existencii rôznych typov spaľovacích motorov existujú aj rôzne typy palivových článkov – výber vhodného typu palivového článku závisí od jeho použitia.

Palivové články sa delia na vysokoteplotné a nízkoteplotné. Nízkoteplotné palivové články vyžadujú relatívne čistý vodík ako palivo. 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 „interne premeniť“ palivo pri zvýšených teplotách, čo znamená, že nie je potrebné investovať do vodíkovej infraštruktúry.

Palivové články na roztavenom uhličitane (MCFC)

Palivové články s roztaveným uhličitanom sú vysokoteplotné palivové články. Vysoká prevádzková teplota umožňuje priame využitie zemného plynu bez palivového procesora a palivového plynu s nízkou výhrevnosťou výrobné procesy a z iných zdrojov. Tento proces bol vyvinutý v polovici 60. rokov 20. storočia. Odvtedy sa výrobná technológia, výkon a spoľahlivosť zlepšili.

Prevádzka RCFC sa líši od ostatných palivových článkov. Tieto články využívajú 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 mobility iónov v elektrolyte pracujú palivové články s roztaveným uhličitanovým elektrolytom pri vysokých teplotách (650°C). Účinnosť sa pohybuje medzi 60-80%.

Pri zahriatí na teplotu 650°C sa soli stávajú vodičmi pre uhličitanové ióny (CO 3 2-). Tieto ióny prechádzajú z katódy na anódu, kde sa spájajú s vodíkom za vzniku vody, oxidu uhličitého a voľných elektrónov. Tieto elektróny sa posielajú cez vonkajší elektrický obvod späť ku katóde, pričom ako vedľajší produkt generujú 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 prvkov: H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) + CO 2 (katóda) => H 2 O (g) + CO 2 (anóda)

Vysoké prevádzkové teploty palivových článkov s roztaveným uhličitanom majú určité výhody. Pri vysokých teplotách sa zemný plyn vnútorne reformuje, čím sa eliminuje potreba procesora paliva. Okrem toho je jednou z výhod možnosť použitia štandardné materiályštruktúry, ako je list nehrdzavejúca oceľ a niklový katalyzátor na elektródach. Odpadové teplo je možné využiť na výrobu vysokotlakovej pary na rôzne priemyselné a komerčné účely.

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

Palivové články s roztaveným uhličitanom sú vhodné na použitie vo veľkom stacionárne inštalácie. Priemyselne sa vyrábajú tepelné elektrárne s výstupným elektrickým výkonom 2,8 MW. Vyvíjajú sa elektrárne s výstupným výkonom do 100 MW.

Palivové články s kyselinou fosforečnou (PFC)

Palivové články na báze kyseliny fosforečnej (ortofosforečnej) boli prvými palivovými článkami na komerčné využitie. Tento proces bol vyvinutý v polovici 60. rokov a testovaný od 70. rokov 20. storočia. Odvtedy sa zvýšila stabilita, výkon a náklady.

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

Nosičom náboja v palivových článkoch tohto typu je vodík (H+, protón). Podobný proces prebieha v palivových článkoch s protónovou výmennou membránou (MEFC), v ktorých sa vodík dodávaný do anódy rozdeľuje na protóny a elektróny. Protóny prechádzajú cez elektrolyt a spájajú sa s kyslíkom zo vzduchu na katóde za vzniku vody. Elektróny sú nasmerované pozdĺž vonkajšieho elektrického obvodu a vytvára sa elektrický prúd. Nižšie sú uvedené reakcie, ktoré vytvárajú elektrinu a teplo.

Reakcia na anóde: 2H2 => 4H + + 4e -
Reakcia na katóde: 02 (g) + 4H + + 4e - \u003d\u003e 2H20
Všeobecná reakcia prvkov: 2H2 + 02 => 2H20

Účinnosť palivových článkov na báze kyseliny fosforečnej (ortofosforečnej) je pri výrobe elektrickej energie viac ako 40 %. Pri kombinovanej výrobe tepla a elektriny je celková účinnosť cca 85 %. Navyše pri daných prevádzkových teplotách možno odpadové teplo využiť na ohrev vody a výrobu pary pri atmosférickom tlaku.

Vysoký výkon tepelných elektrární na palivové články na báze kyseliny fosforečnej (ortofosforečnej) pri kombinovanej výrobe tepla a elektriny je jednou z výhod tohto typu palivových článkov. Závody využívajú oxid uhoľnatý v koncentrácii okolo 1,5 %, čo značne rozširuje výber paliva. Okrem toho CO 2 neovplyvňuje elektrolyt a činnosť palivového článku, tento typ článku pracuje s reformovaným prírodným palivom. jednoduchý dizajn, nízky stupeň prchavosť elektrolytu a zvýšená stabilita sú tiež výhodami tohto typu palivového článku.

Priemyselne sa vyrábajú tepelné elektrárne s výstupným elektrickým výkonom do 400 kW. Zariadenia s výkonom 11 MW prešli príslušnými skúškami. Vyvíjajú sa elektrárne s výstupným výkonom do 100 MW.

Palivové články s protónovou výmennou membránou (PME)

Najviac sa považujú palivové články s membránou na výmenu protónov najlepší typ palivové články na výrobu energie vozidla, ktorá môže nahradiť benzínové a naftové spaľovacie motory. Tieto palivové články prvýkrát použila NASA pre program Gemini. Dnes sa vyvíjajú a predvádzajú inštalácie na MOPFC s výkonom od 1 W do 2 kW.

Tieto palivové články používajú ako elektrolyt pevnú polymérnu membránu (tenký plastový film). Pri impregnácii vodou tento polymér prechádza protónmi, ale nevedie elektróny.

Palivom je vodík a nosičom náboja je vodíkový ión (protón). Na anóde sa molekula vodíka rozdelí na vodíkový ión (protón) a elektróny. Vodíkové ióny prechádzajú cez elektrolyt ku katóde, zatiaľ čo elektróny sa pohybujú po vonkajšom kruhu a produkujú elektrickú energiu. Kyslík, ktorý sa odoberá zo vzduchu, sa privádza na katódu a spája sa s elektrónmi a vodíkovými iónmi za vzniku vody. Na elektródach prebiehajú tieto reakcie:

Reakcia na anóde: 2H2 + 4OH - => 4H20 + 4e -
Reakcia na katóde: 02 + 2H20 + 4e - \u003d\u003e 4OH -
Všeobecná reakcia prvkov: 2H2 + 02 => 2H20

V porovnaní s inými typmi palivových článkov produkujú palivové články s protónovou výmennou membránou viac energie pre daný objem alebo hmotnosť palivového článku. Táto funkcia im umožňuje byť kompaktné a ľahké. Prevádzková teplota je navyše nižšia ako 100 °C, čo umožňuje rýchle spustenie prevádzky. Tieto vlastnosti, ako aj schopnosť rýchlo meniť výstup energie, sú len niektoré z vlastností, vďaka ktorým sú tieto palivové články hlavným kandidátom na použitie vo vozidlách.

Ďalšou výhodou je, že elektrolyt je skôr tuhá ako kvapalná látka. Udržanie 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 menej problémov v dôsledku prejavu korózie, čo vedie k dlhšej životnosti prvku a jeho komponentov.

Palivové články s pevným oxidom (SOFC)

Palivové články s pevným oxidom sú palivové články s najvyššou prevádzkovou teplotou. Pracovná teplota sa môže meniť od 600°C do 1000°C, čo umožňuje použitie rôznych druhov paliva bez špeciálneho predúprava. Na zvládnutie týchto vysokých teplôt sa ako elektrolyt používa tenký pevný oxid kovu na keramickej báze, často zliatina ytria a zirkónu, ktorý je vodičom kyslíkových (02-) iónov. Technológia využívania palivových článkov s pevným oxidom sa rozvíja od konca 50. rokov minulého storočia. a má dve konfigurácie: rovinnú a rúrkovú.

Pevný elektrolyt zabezpečuje hermetický prechod plynu z jednej elektródy na druhú, zatiaľ čo kvapalné elektrolyty sú umiestnené v poréznom substráte. Nosičom náboja v palivových článkoch tohto typu je kyslíkový ión (O 2 -). Na katóde sú molekuly kyslíka oddelené od vzduchu na kyslíkový ión a štyri elektróny. Kyslíkové ióny prechádzajú cez elektrolyt a spájajú sa s vodíkom za vzniku štyroch voľných elektrónov. Elektróny sú nasmerované cez vonkajší elektrický obvod, pričom generujú elektrický prúd a odpadové teplo.

Reakcia na anóde: 2H2 + 202 - => 2H20 + 4e -
Reakcia na katóde: O 2 + 4e - => 2O 2 -
Všeobecná reakcia prvkov: 2H2 + 02 => 2H20

Účinnosť vyrobenej elektrickej energie je najvyššia zo všetkých palivových článkov – okolo 60 %. Vysoké prevádzkové teploty navyše umožňujú kombinovanú výrobu tepla a elektriny na výrobu vysokotlakovej pary. Spojením vysokoteplotného palivového článku s turbínou vzniká hybridný palivový článok na zvýšenie účinnosti výroby elektrickej energie až o 70 %.

Palivové články s pevným oxidom pracujú pri veľmi vysokých teplotách (600 °C – 1 000 °C), výsledkom čoho je dlhý čas na dosiahnutie optimálnych prevádzkových podmienok a systém pomalšie reaguje na zmeny spotreby energie. Pri takýchto vysokých prevádzkových teplotách nie je potrebný žiadny konvertor na regeneráciu vodíka z paliva, čo umožňuje prevádzke tepelnej elektrárne s relatívne nečistými palivami zo splyňovania uhlia alebo odpadových plynov a podobne. Tento palivový článok je tiež vynikajúci na prácu veľká sila vrátane priemyselných a veľkých centrálnych elektrární. Priemyselne vyrábané moduly s výstupným elektrickým výkonom 100 kW.

Palivové články s priamou oxidáciou metanolu (DOMTE)

Technológia využitia palivových článkov s priamou oxidáciou metanolu prechádza obdobím aktívneho vývoja. Úspešne sa etablovala v oblasti napájania mobilných telefónov, notebookov, ako aj vytvárania prenosných zdrojov energie. na čo je zameraná budúca aplikácia týchto prvkov.

Štruktúra palivových článkov s priamou oxidáciou metanolu je podobná palivovým článkom s protónovou výmennou membránou (MOFEC), t.j. polymér sa používa ako elektrolyt a ión vodíka (protón) sa používa ako nosič náboja. Kvapalný metanol (CH 3 OH) sa však v prítomnosti vody na anóde oxiduje, pričom sa uvoľňuje CO 2, vodíkové ióny a elektróny, ktoré sú vedené cez vonkajší elektrický obvod a vzniká elektrický prúd. Vodíkové ióny prechádzajú cez elektrolyt a reagujú s kyslíkom zo vzduchu a elektrónmi z vonkajšieho okruhu za vzniku vody na anóde.

Reakcia na anóde: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Reakcia na katóde: 3/202 + 6H + + 6e - => 3H20
Všeobecná reakcia prvkov: CH 3 OH + 3/2 O 2 => CO 2 + 2H 2 O

Vývoj týchto palivových článkov sa začal začiatkom 90. rokov minulého storočia. Po vývoji vylepšených katalyzátorov a vďaka ďalším nedávnym inováciám sa hustota výkonu a účinnosť zvýšila až o 40 %.

Tieto prvky boli testované v teplotnom rozsahu 50-120°C. S nízkymi prevádzkovými teplotami a bez potreby konvertora sú priame metanolové palivové články tým najlepším kandidátom pre aplikácie od mobilných telefónov a iných spotrebných produktov až po automobilové motory. Výhodou tohto typu palivových článkov sú ich malé rozmery, vzhľadom na použitie kvapalného paliva, a absencia potreby použitia meniča.

Alkalické palivové články (AFC)

Alkalické palivové články (ALFC) sú jednou z najviac študovaných technológií a používajú sa od polovice 60. rokov minulého storočia. NASA v programoch Apollo a Space Shuttle. Na palube týchto kozmických lodí vyrábajú palivové články elektrinu a pitnú vodu. Alkalické palivové články patria medzi najefektívnejšie články používané na výrobu elektriny, pričom účinnosť výroby energie dosahuje až 70 %.

Alkalické palivové články využívajú elektrolyt, teda vodný roztok hydroxidu draselného, ​​obsiahnutý v poréznej stabilizovanej matrici. Koncentrácia hydroxidu draselného sa môže meniť v závislosti od prevádzkovej teploty palivového článku, ktorá sa pohybuje od 65 °C do 220 °C. Nosičom náboja v SFC je hydroxidový ión (OH-), ktorý sa pohybuje z katódy na anódu, kde reaguje s vodíkom za vzniku vody a elektrónov. Voda produkovaná na anóde sa vracia späť ku katóde, kde opäť vytvára hydroxidové ióny. V dôsledku tejto série reakcií prebiehajúcich v palivovom článku vzniká elektrina a ako vedľajší produkt teplo:

Reakcia na anóde: 2H2 + 4OH - => 4H20 + 4e -
Reakcia na katóde: 02 + 2H20 + 4e - \u003d\u003e 4OH -
Všeobecná reakcia systému: 2H2 + 02 => 2H20

Výhodou SFC je, že tieto palivové články sú najlacnejšie na výrobu, pretože katalyzátorom potrebným na elektródach môže byť ktorákoľvek z látok, ktoré sú lacnejšie ako tie, ktoré sa používajú ako katalyzátory pre iné palivové články. Okrem toho SCFC fungujú pri relatívne nízkej teplote a patria medzi najúčinnejšie palivové články – takéto charakteristiky môžu prispieť k rýchlejšej výrobe energie a vysokej palivovej účinnosti.

Jednou z charakteristických vlastností SHTE je vysoká citlivosť na CO 2 , ktorý môže byť obsiahnutý v palive alebo vzduchu. CO 2 reaguje s elektrolytom, rýchlo ho otravuje a výrazne znižuje účinnosť palivového článku. Preto je použitie SFC obmedzené na uzavreté priestory, ako sú vesmírne a podvodné vozidlá, musia fungovať na čistý vodík a kyslík. Navyše molekuly ako CO, H20 a CH4, ktoré sú bezpečné pre iné palivové články a dokonca palivo pre niektoré z nich, sú škodlivé pre SFC.

Polymérové ​​elektrolytické palivové články (PETE)

V prípade palivových článkov s polymérnym elektrolytom pozostáva polymérna membrána z polymérnych vlákien s vodnými oblasťami, v ktorých je vodivosť vodných iónov H 2 O + (protón, červená) naviazaných na molekulu vody. Molekuly vody predstavujú problém kvôli pomalej výmene iónov. Preto je potrebná vysoká koncentrácia vody ako v palive, tak aj na výfukových elektródach, čo obmedzuje prevádzkovú teplotu na 100°C.

Tuhé kyslé palivové články (SCFC)

V tuhých kyslých palivových článkoch elektrolyt (C s HSO 4 ) neobsahuje vodu. Prevádzková teplota je teda 100-300°C. Rotácia SO 4 2-oxy aniónov umožňuje protónom (červená) pohybovať sa, ako je znázornené na obrázku. Tuhý kyslý palivový článok je spravidla sendvič, v ktorom sú veľmi tenká vrstva Tuhá kyslá zlúčenina je umiestnená medzi dve tesne stlačené elektródy, aby sa zabezpečil dobrý kontakt. Pri zahriatí sa organická zložka vyparí, opustí póry v elektródach, pričom si zachová schopnosť početných kontaktov medzi palivom (alebo kyslíkom na druhom konci článku), elektrolytom a elektródami.