Technológie na výrobu nízkoteplotných elektrochemických palivových článkov. Samostatný palivový článok

Palivové články na pohon automobilov sú elektrochemické prevádzače energie obsiahnutej v palive priamo na elektrickú energiu. V kyslíkovodíkovom palivovom článku prechádza vodík reakciou „studeného spaľovania“ s kyslíkom, pri ktorej vzniká voda a elektrina. Palivové články neobsahujú pohyblivé časti, fungujú bez mechanického trenia, s nízkou hlučnosťou a bez znečisťujúcich emisií.

Obsah

Princíp činnosti palivových článkov

Palivový článok pozostáva z dvoch prvkov (anódy a katódy) oddelených elektrolytom ( pozri obr. "Princíp činnosti palivového článku typu PEM"). Elektrolyt je nepriepustný pre elektróny. Elektródy sú navzájom spojené vonkajším elektrickým obvodom.

Vozidlá používajú ako elektrolyt hlavne palivové články s polymérovou membránou, ktorá sa nazýva aj výmena protónov ( REM) (pozri obr. "Štruktúra palivového článku typu PEM"). Princíp činnosti palivových článkov je opísaný nižšie na príklade článkov tohto typu.

V palivovom článku PEM je vodík nasmerovaný na anódu, kde dochádza k jeho oxidácii. To produkuje ióny H+ (protóny) a elektróny (pozri obr. 1, a).

anóda: 2 H 2 -» 4 H + + 4 e - .

Elektrolyt možno považovať za protónovo vodivú polymérnu membránu. Elektrolyt je priepustný pre protóny, ale nie pre elektróny. Protóny H+ produkované na anóde prechádzajú cez membránu a dostávajú sa ku katóde. Aby protóny prešli cez membránu, musí byť dostatočne navlhčená. Kyslík sa posiela na katódu, kde sa redukuje ( pozri obr. b, "Princíp činnosti palivového článku PEM"). K obnove dochádza v dôsledku prechodu elektrónov z anódy na katódu cez vonkajší elektrický obvod.

Katóda: O 2 + 4 e - -> 2 O 2- .

V ďalšom kroku reakcie ióny Asi 2- reagovať s protónmi za vzniku vody.

Katóda: 4H++202- -> 2H20 .

V dôsledku všeobecnej reakcie prebiehajúcej v palivovom článku vzniká voda z vodíka a kyslíka ( pozri obr. c, "Princíp činnosti palivového článku PEM"). Na rozdiel od kyslíkovodíkovej reakcie, pri ktorej vodík a kyslík navzájom výbušne reagujú, tu prebieha reakcia vo forme „studeného horenia“, pretože reakčné kroky prebiehajú oddelene na anóde a katóde.

Všeobecná reakcia: 2H2+02 -> 2H20 .

Vyššie opísané reakcie prebiehajú na katalytických povlakoch elektród. Najčastejšie používaným katalyzátorom je platina.

Teoretické napätie jedného prvku

Teoretické napätie jedného vodíkovo-kyslíkového palivového článku pri 25°C je 1,23 V. Táto hodnota je odvodená zo štandardných elektródových potenciálov. V praxi sa však počas prevádzky prvku toto napätie nedosiahne; je to 0,5-1,0 V. Stratu napätia možno vysvetliť vnútorným odporom prvku alebo obmedzeniami vyplývajúcimi z plynovej difúzie ( pozri obr. "Elektrické vlastnosti palivového článku"). Napätie v podstate závisí od teploty, stechiometrických pomerov vodíka a kyslíka k množstvu vyrobenej elektriny, parciálneho tlaku vodíka a kyslíka a prúdovej hustoty.

Vozidlá využívajú palivové články s kapacitou 5 až 100 kW. Aby sa dosiahli vysoké napätia potrebné pre technickú aplikáciu článkov, sú články zapojené do série do batérií (pozri Obr. 4 „Štruktúra zostavy palivových článkov“). Batérie môžu obsahovať od 40 do 450 článkov, t.j. ich maximálne prevádzkové napätie je medzi 40 a 450 V.

Vysoké hodnoty elektrického prúdu sa dosahujú vďaka vhodnému povrchu membrány. Výstupný prúd palivových článkov pre automobily dosahuje 500 A.

Princíp fungovania systému palivových článkov

Použitie zásobníka palivových článkov si vyžaduje subsystémy zásobovania vodíkom a kyslíkom ( pozri obr. 5 "Elektrický pohon so systémom palivových článkov"). V zásade môžu byť tieto systémy implementované rôznymi spôsobmi. Tu opísaná možnosť sa používa v mnohých prípadoch.

Systém dodávky vodíka pre palivové články

Zásoba vodíka je uložená vo vysokotlakovej fľaši (700 bar). Pomocou reduktora sa tlak vodíka zníži na približne 10 barov a vodík vstupuje do plynového vstrekovača.

Injektor je solenoidový ventil, ktorým sa nastavuje tlak vodíka na anódovej strane. Na rozdiel od vstrekovače paliva spaľovacie motory, musí vstrekovač vodíka zabezpečiť konštantný hmotnostný prietok. Typický prietok vodíka pri výkone 100 kW je 2,1 g/s. Maximálny tlak vodíka je 2,5 bar.

Prevádzka zostavy palivových článkov vyžaduje konštantný prietok vodíka na anódovej strane (miera homogenizácie). Na tento účel je v systéme organizovaná recirkulácia vodíka.

Cudzie plyny ničiace anódu na strane anódy sú nepretržite vytláčané cez solenoidový odvzdušňovací ventil. Tým sa zabráni hromadeniu cudzích plynov opúšťajúcich valec alebo difúznych plynov (dusík, vodná para) zo strany katódy. Ventil je inštalovaný na výstupe batérie, na strane anódy. Na vypustenie prebytočnej vody v anódovej dráhe sa používa ventil, ktorý je otvorený pri nulovom elektrickom prúde.

Vodík, ktorý pri odvádzaní vody nevyhnutne uniká, sa buď silno zriedi vzduchom, alebo sa katalyticky premení na vodu.

Dodávanie kyslíka do palivových článkov

Kyslík potrebný na elektrochemickú reakciu sa odoberá z okolitého vzduchu. Potrebný hmotnostný prietok kyslíka, ktorý je v závislosti od požadovaného výkonu batérie až 100 g/s, je dodávaný kompresorom. Kyslík je stlačený kompresorom na maximálne 2,5 baru a privádzaný na katódovú stranu palivového článku. Tlak palivového článku je riadený dynamickým tlakovým regulačným ventilom inštalovaným v ceste výfukových plynov za palivovým článkom.

Aby sa zabezpečilo dostatočné navlhčenie polymérnej membrány, vzduch privádzaný do článku sa zvlhčuje buď prídavnou membránou, alebo vstrekovaním kondenzovanej vody.

Tepelná rovnováha palivových článkov

Elektrická účinnosť palivových článkov je približne 50 %. Inými slovami, proces premeny chemickej energie generuje približne rovnaké množstvo tepelnej energie ako množstvo elektrickej energie. Toto teplo sa musí odviesť. Prevádzková teplota PEM palivových článkov je približne 85°C, čo je menej ako teplota spaľovacích motorov. Napriek vyššej účinnosti treba chladič a ventilátor chladiča pri použití na vozidle s palivovými článkami zväčšiť.

Pretože použitá chladiaca kvapalina je v priamom kontakte s palivovými článkami, musí byť elektricky nevodivá (deionizovaná). Cirkuláciu chladiacej kvapaliny zabezpečuje elektrické čerpadlo. Prietok chladiacej kvapaliny je až 12 000 l/h. Regulačný ventil teploty rozdeľuje tok chladiacej kvapaliny medzi chladič a obtok.

Systém využíva chladiacu kvapalinu, ktorá je zmesou deionizovanej vody a etylénglykolu. Chladiaca kvapalina musí byť na vozidle deionizovaná. Za týmto účelom prechádza cez iónomenič naplnený špeciálnou živicou a čistí sa v procese odstraňovania iónov. Vodivosť chladiacej kvapaliny musí byť menšia ako 5 µS/cm.

Účinnosť systému palivových článkov

Okrem toho, že zásobník palivových článkov je pripravený rýchlo dodávať energiu za najoptimálnejších prevádzkových podmienok, je dôležité zabezpečiť vysokú účinnosť. systémov.

Na ryža. "Efektívnosť zásobníka palivových článkov a systému palivových článkov" je uvedené porovnanie účinnosti. zásobníky palivových článkov s účinnosťou celý systém. Časť elektriny spotrebúvajú pomocné komponenty ako kompresor, čo znižuje celkovú účinnosť. systémov. Systémy palivových článkov sú však efektívnejšie ako spaľovacie motory, najmä pri prevádzke v rozsahu čiastočného zaťaženia.

Bezpečnosť palivových článkov vozidla

Pre zaistenie bezpečnosti je na vozidle nainštalovaných niekoľko snímačov koncentrácie vodíka. Vodík je bezfarebný plyn bez zápachu, ktorý pri koncentrácii asi 4 % objemu mení vzduch na horľavú zmes. Senzory dokážu detekovať koncentráciu vodíka už od 1 %.

Princíp činnosti pohonu auta s palivovými článkami

Vozidlá s palivovými článkami sú elektrické vozidlá, v ktorých elektrickú energiu na napájanie elektrického pohonu generuje systém palivových článkov.

Z viacerých dôvodov je vhodné zahrnúť do systému trakčnú batériu:

• to umožňuje akumuláciu energie počas regeneratívneho brzdenia;
• tým sa zlepšujú dynamické vlastnosti pohonu;
• zmenou rozloženia zaťaženia medzi systémom palivových článkov a trakčnou batériou možno účinnosť ešte zvýšiť. riadiť.

Keďže trakčná batéria je dodatočným zdrojom energie, takéto vozidlá sú známe ako hybridné vozidlá s palivovými článkami. Pomer výkonu trakčnej batérie k celkovému výkonu (stupeň hybridizácie) sa mení v závislosti od aplikácie systému.

Systémy palivových článkov sa zvyčajne používajú ako hlavný zdroj energie pre pohon. Takéto vozidlá sú známe ako hybridné vozidlá s palivovými článkami ( FCHV). Typicky majú systémy palivových článkov menovitý výkon 60-100 kW. Trakčné batérie majú menovitý výkon do 30 kW s kapacitou 1-2 kWh.

Alternatívne môže mať trakčná batéria výrazne vyšší výkon a kapacitu a podľa potreby sa môže dobíjať zo systému palivových článkov. V tomto prípade stačí mať zásobník palivových článkov s menovitým výkonom 10 až 30 kW. Vozidlá s touto konfiguráciou zdroja energie sú známe ako vozidlá s predĺženým dojazdom na palivové články ( FC-REX).

Rozvod elektriny medzi systémom palivových článkov, trakčnou batériou a elektrickým pohonom je realizovaný jedným alebo viacerými DC/DC meničmi. Rôzne konfigurácie takýchto prevodníkov, ktorých výber závisí od aplikácie, sú zobrazené v ryža. ". Konfigurácie meničov napätia v pohonných systémoch palivových článkov». V závislosti od konfigurácie je napájacie napätie meniča totožné s napätím jedného z dvoch zdrojov napájania ( pozri obr. a a b), alebo izolované od napätia trakčnej batérie a zásobníka palivových článkov ( pozri obr. s).

Systém elektrického pohonu

Systém elektrického pohonu zahŕňa výkonovú elektronickú jednotku (menič) a elektromotor. Elektromotor je synchrónny alebo asynchrónny elektrický stroj, ktorý je poháňaný meničom tak, aby získal požadovaný krútiaci moment. Keďže elektrický pohon má vysoký výkon (približne 100 kW), prevádzkové napätie môže byť až 450 V. V automobilovom priemysle sa používajú pojmy „vysoké napätie“ a „vysokonapäťová elektrická sústava“. Vysokonapäťový elektrický systém je izolovaný od zeme vozidla.

Počas brzdenia automobilu prejde elektromotor do režimu generátora a generuje elektrický prúd. Elektrina je uložená v trakčnej batérii.

Vysoké jednosmerné napätie sa pomocou meniča premieňa na viacfázové striedavé napätie, ktorého amplitúda sa nastavuje v závislosti od požadovaného krútiaceho momentu. Spravidla sa používajú meniče s koncovými stupňami na bipolárnych tranzistoroch s izolovaným hradlom ( IGBT).

Trakčná batéria

V závislosti od stupňa hybridizácie sa používajú vysokokapacitné alebo vysokoenergetické batérie s napätím 150 až 400 V. Vysokokapacitné batérie využívajú nikel-metal hydridové alebo lítium-iónové batérie, kým vysokoenergetické batérie len lítium-iónové batérie. Monitorovací systém trakčnej batérie monitoruje stav nabitia a kapacitu batérie.

Trakčná batéria DC/DC menič

Jednosmerný menič napätia trakčnej batérie reguluje nabíjací prúd trakčnej batérie a výstupný prúd (až 300 A ) . Niektoré konfigurácie systému umožňujú vynechať tento prevodník.

DC/DC menič zásobníka palivových článkov

Ďalším DC/DC meničom je menič napätia palivového článku, ktorý reguluje výstupný prúd až do 500 A. Niektoré konfigurácie systému tento menič nevyžadujú.

Jednosmerný menič napätia 12V

Rovnako ako bežné autá, aj vozidlá s palivovými článkami majú elektrický systém 12 V. 12 V sa premieňa z vysokého napätia. Na tento účel je medzi oba systémy zapojený jednosmerný menič napätia. Z bezpečnostných dôvodov je tento menič elektricky izolovaný. Funguje jednosmerne alebo obojsmerne a má menovitý výkon až 3 kW.

Perspektívy systému pohonu palivových článkov

Systémy pohonu na palivové články sa už osvedčili pri každodennom používaní. Pre komerčné využitie v automobilových pohonných systémoch je však potrebné zlepšiť palivové články z hľadiska hospodárnosti a hromadnej výroby.

Zjednodušenie systému má za následok nižšie náklady a vyššiu spoľahlivosť. Jedným zo smerov je vývoj nových polymérových membrán pre palivové články, ktoré nevyžadujú zvlhčovanie plynov vznikajúcich pri reakcii a zároveň umožňujú zvýšenie prevádzkovej teploty.

Okrem toho je potrebné výrazne znížiť náklady na všetky komponenty. V tomto smere existuje veľký potenciál pri znižovaní množstva platiny v katalytickej vrstve palivového článku.

V ďalšom článku budem hovoriť o .

Nikoho neprekvapia ani solárne panely, ani veterné mlyny, ktoré vyrábajú elektrinu vo všetkých regiónoch sveta. Výkon z týchto zariadení však nie je konštantný a je potrebné inštalovať záložné zdroje energie, prípadne sa pripojiť do siete pre príjem elektriny v období, keď zariadenia na výrobu obnoviteľnej energie nevyrábajú elektrinu. Existujú však zariadenia vyvinuté v 19. storočí, ktoré využívajú na výrobu elektriny „alternatívne“ palivá, teda nespaľujú plyn ani ropné produkty. Takéto zariadenia sú palivové články.

HISTÓRIA TVORBY

Palivové články (FC) alebo palivové články objavil už v rokoch 1838-1839 William Grove (Grow, Grove), keď študoval elektrolýzu vody.

Odkaz: Elektrolýza vody je proces rozkladu vody pôsobením elektrického prúdu na molekuly vodíka a kyslíka.

Po odpojení batérie od elektrolytického článku s prekvapením zistil, že elektródy začali pohlcovať uvoľnený plyn a generovať prúd. Objav procesu elektrochemického „studeného“ spaľovania vodíka sa stal významnou udalosťou v energetickom priemysle. Neskôr vytvoril akumulátor Grove. Toto zariadenie malo platinovú elektródu ponorenú do kyseliny dusičnej a zinkovú elektródu do síranu zinočnatého. Generoval prúd 12 ampérov a napätie 8 voltov. Túto stavbu nazval sám Grow "mokrá batéria". Potom vytvoril batériu pomocou dvoch platinových elektród. Jeden koniec každej elektródy bol v kyseline sírovej, zatiaľ čo druhé konce boli utesnené v nádobách s vodíkom a kyslíkom. Medzi elektródami bol stabilný prúd a množstvo vody vo vnútri nádob sa zvýšilo. Grow dokázal rozložiť a zlepšiť vodu v tomto zariadení.

"Grow's Battery"

(zdroj: Kráľovská spoločnosť Národného prírodovedného múzea)

Pojem „fuel cell“ (anglicky „Fuel Cell“) sa objavil až v roku 1889 L. Mondom a
Ch.Langer, ktorý sa pokúsil vytvoriť zariadenie na výrobu elektriny zo vzduchu a uhoľného plynu.

AKO TO FUNGUJE?

Palivový článok je pomerne jednoduché zariadenie. Má dve elektródy: anódu (záporná elektróda) ​​a katódu (kladná elektróda). Na elektródach prebieha chemická reakcia. Na jej urýchlenie je povrch elektród potiahnutý katalyzátorom. Palivové články sú vybavené ešte jedným prvkom - membrána. K premene chemickej energie paliva priamo na elektrinu dochádza v dôsledku práce membrány. Oddeľuje dve komory prvku, do ktorých sa privádza palivo a okysličovadlo. Membrána umožňuje len protónom, ktoré sa získajú v dôsledku štiepenia paliva, prechádzať z jednej komory do druhej na elektróde pokrytej katalyzátorom (elektróny potom prechádzajú vonkajším okruhom). V druhej komore sa protóny rekombinujú s elektrónmi (a atómami kyslíka) za vzniku vody.

Princíp činnosti vodíkového palivového článku

Na chemickej úrovni je proces premeny energie paliva na elektrickú energiu podobný bežnému spaľovaciemu (oxidačnému) procesu.

Pri bežnom spaľovaní v kyslíku sa organické palivo oxiduje a chemická energia paliva sa premieňa na tepelnú energiu. Pozrime sa, čo sa stane, keď sa vodík oxiduje kyslíkom v elektrolytickom médiu a v prítomnosti elektród.

Privedením vodíka do elektródy umiestnenej v alkalickom prostredí prebieha chemická reakcia:

2H2 + 4OH - → 4H20 + 4e -

Ako vidíte, dostávame elektróny, ktoré pri prechode vonkajším obvodom vstupujú do opačnej elektródy, ku ktorej vstupuje kyslík a kde prebieha reakcia:

4e- + 02 + 2H20 → 4OH -

Je vidieť, že výsledná reakcia 2H 2 + O 2 → H 2 O je rovnaká ako pri klasickom spaľovaní, ale palivový článok generuje elektrinu a trochu tepla.

TYPY PALIVOVÝCH ČLÁNKOV

FC sa klasifikuje podľa typu elektrolytu použitého na reakciu:

Treba poznamenať, že uhlie, oxid uhoľnatý, alkoholy, hydrazín a iné organické látky sa môžu použiť aj ako palivo v palivových článkoch a ako oxidačné činidlá vzduch, peroxid vodíka, chlór, bróm, kyselina dusičná atď.

Účinnosť PALIVOVÉHO ČLÁNKU

Charakteristickým znakom palivových článkov je žiadny pevný limit účinnosti ako tepelný motor.

Pomoc: efektívnosťCarnotov cyklus je maximálna možná účinnosť medzi všetkými tepelnými motormi s rovnakými minimálnymi a maximálnymi teplotami.

Účinnosť palivových článkov preto teoreticky môže byť vyššia ako 100 %. Mnohí sa usmievali a pomysleli si: „Vynájdený stroj na večný pohyb.“ Nie, oplatí sa vrátiť do školského kurzu chémie. Palivový článok je založený na premene chemickej energie na elektrickú energiu. Tu sa dejú zázraky. Niektoré chemické reakcie v procese môžu absorbovať teplo z prostredia.

Odkaz: Endotermické reakcie sú chemické reakcie sprevádzané absorpciou tepla. Pre endotermické reakcie má zmena entalpie a vnútornej energie kladné hodnoty (Δ H >0, Δ U > 0), teda produkty reakcie obsahujú viac energie ako pôvodné zložky.

Príkladom takejto reakcie je oxidácia vodíka, ktorá sa používa vo väčšine palivových článkov. Preto teoreticky môže byť účinnosť viac ako 100%. Ale dnes sa palivové články počas prevádzky zahrievajú a nedokážu absorbovať teplo z okolia.

Odkaz: Toto obmedzenie vyplýva z druhého zákona termodynamiky. Proces prenosu tepla zo „studeného“ telesa na „horúce“ nie je možný.

Navyše sú tu straty spojené s nerovnovážnymi procesmi. Ako sú: ohmické straty v dôsledku špecifickej vodivosti elektrolytu a elektród, aktivačná a koncentračná polarizácia, difúzne straty. V dôsledku toho sa časť energie vytvorenej v palivových článkoch premení na teplo. Palivové články preto nie sú strojmi na večný pohyb a ich účinnosť je nižšia ako 100 %. Ich účinnosť je však vyššia ako u iných strojov. dnes účinnosť palivových článkov dosahuje 80%.

Referencia: V štyridsiatych rokoch anglický inžinier T. Bacon navrhol a zostrojil batériu palivových článkov s celkovým výkonom 6 kW a účinnosťou 80 %, fungujúcu na čistý vodík a kyslík, ale pomer výkonu a hmotnosti batérie sa otočil príliš malé - takéto články boli nevhodné na praktické použitie a príliš drahé (zdroj: http://www.powerinfo.ru/).

PROBLÉMY S PALIVOVÝMI ČLÁNKAMI

Takmer všetky palivové články používajú ako palivo vodík, takže logická otázka znie: „Kde ho môžem získať?

Zdá sa, že palivový článok bol objavený v dôsledku elektrolýzy, takže môžete použiť vodík uvoľnený v dôsledku elektrolýzy. Poďme sa však na tento proces pozrieť bližšie.

Podľa Faradayovho zákona: množstvo látky, ktoré je oxidované na anóde alebo redukované na katóde, je úmerné množstvu elektriny, ktorá prešla cez elektrolyt. To znamená, že ak chcete získať viac vodíka, musíte minúť viac elektriny. Existujúce metódy elektrolýzy vody fungujú s účinnosťou menšou ako jednota. Výsledný vodík potom použijeme v palivových článkoch, kde je účinnosť tiež menšia ako jednota. Preto minieme viac energie, ako dokážeme vyrobiť.

Samozrejme je možné použiť aj vodík získaný zo zemného plynu. Tento spôsob výroby vodíka zostáva najlacnejší a najpopulárnejší. V súčasnosti sa asi 50 % celosvetovo vyprodukovaného vodíka získava zo zemného plynu. Ale je tu problém so skladovaním a prepravou vodíka. Vodík má nízku hustotu ( jeden liter vodíka váži 0,0846 gramov), preto, aby sa mohol prepravovať na veľké vzdialenosti, musí byť stlačený. A to sú dodatočné náklady na energiu a hotovosť. Tiež nezabudnite na bezpečnosť.

Aj tu však existuje riešenie – ako zdroj vodíka možno použiť kvapalné uhľovodíkové palivo. Napríklad etyl alebo metylalkohol. Je pravda, že tu je už potrebné špeciálne prídavné zariadenie - konvertor paliva, ktorý pri vysokej teplote (pre metanol to bude niekde okolo 240 ° C) premieňa alkoholy na zmes plynného H2 a CO2. Ale v tomto prípade je už ťažšie myslieť na prenosnosť - takéto zariadenia je dobré použiť ako stacionárne alebo automobilové generátory, ale pre kompaktné mobilné zariadenia potrebujete niečo menej objemné.

Katalyzátor

Na zlepšenie reakcie v palivovom článku je povrch anódy zvyčajne katalyzátor. Donedávna sa platina používala ako katalyzátor. Preto boli náklady na palivový článok vysoké. Po druhé, platina je pomerne vzácny kov. Podľa odborníkov sa pri priemyselnej výrobe palivových článkov vyčerpajú preskúmané zásoby platiny za 15-20 rokov. Vedci z celého sveta sa však snažia nahradiť platinu inými materiálmi. Mimochodom, niektorí z nich dosiahli dobré výsledky. Čínski vedci teda nahradili platinu oxidom vápenatým (zdroj: www.cheburek.net).

POUŽÍVANIE PALIVOVÝCH ČLÁNKOV

Prvýkrát bol palivový článok v automobilovej technike testovaný v roku 1959. Ťahač Alice-Chambers používal na prevádzku 1008 batérií. Palivom bola zmes plynov, najmä propánu a kyslíka.

Zdroj: http://www.planetseed.com/

Od polovice 60. rokov, na vrchole „vesmírnych pretekov“, sa tvorcovia kozmických lodí začali zaujímať o palivové články. Práca tisícov vedcov a inžinierov umožnila dosiahnuť novú úroveň a v roku 1965. palivové články boli testované v USA na kozmickej lodi Gemini 5 a neskôr na lodi Apollo pre lety na Mesiac a v rámci programu Shuttle. V ZSSR boli palivové články vyvinuté v NPO Kvant aj na použitie vo vesmíre (zdroj: http://www.powerinfo.ru/).

Keďže konečným produktom spaľovania vodíka v palivovom článku je voda, považujú sa z hľadiska vplyvu na životné prostredie za najčistejšie. Preto si palivové články začali získavať svoju popularitu na pozadí všeobecného záujmu o ekológiu.

Už v súčasnosti výrobcovia automobilov ako Honda, Ford, Nissan a Mercedes-Benz vytvorili vozidlá poháňané vodíkovými palivovými článkami.

Mercedes-Benz - Ener-G-Force poháňaný vodíkom

Pri používaní áut na vodík je vyriešený problém so skladovaním vodíka. Vybudovanie vodíkových čerpacích staníc umožní tankovať kdekoľvek. Navyše naplnenie auta vodíkom je rýchlejšie ako nabíjanie elektromobilu na čerpacej stanici. Pri realizácii takýchto projektov však čelili problému, akým sú elektrické vozidlá. Ľudia sú pripravení „prestúpiť“ do vodíkového auta, ak pre nich existuje infraštruktúra. A s výstavbou čerpacích staníc sa začne, ak bude dostatočný počet spotrebiteľov. Preto sme sa opäť dostali k dileme vajcia a kuracie mäso.

Palivové články sú široko používané v mobilných telefónoch a notebookoch. Časy, keď sa telefón nabíjal raz za týždeň, sú preč. Teraz sa telefón nabíja takmer každý deň a notebook funguje bez siete 3-4 hodiny. Preto sa výrobcovia mobilných technológií rozhodli syntetizovať palivový článok s telefónmi a notebookmi na nabíjanie a prácu. Napríklad Toshiba v roku 2003 predviedol hotový prototyp metanolového palivového článku. Poskytuje výkon okolo 100 mW. Jedna náplň 2 kociek koncentrovaného (99,5%) metanolu vystačí na 20 hodín prevádzky MP3 prehrávača. Opäť tá istá „Toshiba“ predviedla napájací prvok notebooku 275x75x40mm, ktorý umožňuje počítaču pracovať 5 hodín na jedno nabitie.

Niektorí výrobcovia však zašli ešte ďalej. PowerTrekk vydal nabíjačku s rovnakým názvom. PowerTrekk je prvá vodná nabíjačka na svete. Je veľmi jednoduché ho používať. PowerTrekk potrebuje pridať vodu, aby bolo možné okamžite napájať cez USB kábel. Tento palivový článok obsahuje kremíkový prášok a silicid sodný (NaSi), keď sa zmieša s vodou, táto kombinácia vytvára vodík. Vodík sa zmiešava so vzduchom v samotnom palivovom článku a ten premieňa vodík na elektrinu prostredníctvom membránovej výmeny protónov, bez ventilátorov alebo čerpadiel. Takúto prenosnú nabíjačku kúpite za 149 € (

V modernom živote sú chemické zdroje energie všade okolo nás: batérie v baterkách, batérie v mobilných telefónoch, vodíkové palivové články, ktoré sa už používajú v niektorých autách. Rýchly rozvoj elektrochemických technológií môže viesť k tomu, že v blízkej budúcnosti nás budú namiesto benzínových áut obklopovať len elektromobily, telefóny sa už nebudú rýchlo vybíjať a každý dom bude mať vlastný palivový článok generátor. Jeden zo spoločných programov Uralskej federálnej univerzity s Inštitútom vysokoteplotnej elektrochémie Uralskej pobočky Ruskej akadémie vied, v spolupráci s ktorým publikujeme tento článok, je venovaný zlepšovaniu účinnosti elektrochemického skladovania a generátorov energie. .

Dnes existuje veľa rôznych typov batérií, medzi ktorými je čoraz ťažšie orientovať sa. Zďaleka nie je každému jasné, ako sa batéria líši od superkondenzátora a prečo možno použiť vodíkový palivový článok bez obáv z poškodenia životného prostredia. V tomto článku budeme hovoriť o tom, ako sa chemické reakcie používajú na výrobu elektriny, aký je rozdiel medzi hlavnými typmi moderných zdrojov chemického prúdu a aké vyhliadky sa otvárajú pre elektrochemickú energiu.

Chémia ako zdroj elektrickej energie

Najprv sa pozrime, prečo sa vôbec dá chemická energia použiť na výrobu elektriny. Ide o to, že pri redoxných reakciách sa elektróny prenášajú medzi dvoma rôznymi iónmi. Ak sú dve polovice chemickej reakcie oddelené v priestore tak, aby oxidácia a redukcia prebiehali oddelene od seba, potom je možné zabezpečiť, aby elektrón, ktorý sa odtrhne od jedného iónu, nedopadol okamžite na druhý, ale najskôr ide po ceste, ktorá je na to vopred určená. Táto reakcia môže byť použitá ako zdroj elektrického prúdu.

Tento koncept bol prvýkrát realizovaný v 18. storočí talianskym fyziológom Luigim Galvanim. Činnosť tradičného galvanického článku je založená na reakciách redukcie a oxidácie kovov s rôznou aktivitou. Napríklad klasický článok je galvanický článok, v ktorom sa oxiduje zinok a redukuje sa meď. Redukčné a oxidačné reakcie prebiehajú na katóde a anóde. A aby ióny medi a zinku nespadali do „cudzieho územia“, kde môžu medzi sebou priamo reagovať, medzi anódu a katódu sa zvyčajne umiestňuje špeciálna membrána. V dôsledku toho vzniká medzi elektródami potenciálny rozdiel. Ak pripojíte elektródy napríklad k žiarovke, tak vo výslednom elektrickom obvode začne prúdiť prúd a žiarovka sa rozsvieti.

Schéma galvanického článku

Wikimedia Commons

Okrem materiálov anódy a katódy je dôležitou súčasťou zdroja chemického prúdu elektrolyt, v ktorom sa pohybujú ióny a na hranici ktorého prebiehajú s elektródami všetky elektrochemické reakcie. V tomto prípade nemusí byť elektrolyt tekutý - môže to byť polymér aj keramický materiál.

Hlavnou nevýhodou galvanického článku je jeho obmedzená prevádzková doba. Akonáhle sa reakcia skončí (to znamená, že celá postupne sa rozpúšťajúca anóda je úplne spotrebovaná), takýto prvok jednoducho prestane fungovať.

Prstové alkalické batérie

Nabíjateľné

Prvým krokom k rozšíreniu možností chemických zdrojov prúdu bolo vytvorenie batérie – zdroja prúdu, ktorý je možné dobíjať a teda opätovne používať. Na tento účel vedci jednoducho navrhli použiť reverzibilné chemické reakcie. Po prvom úplnom vybití batérie je možné pomocou externého zdroja prúdu spustiť reakciu, ktorá v nej prebehla v opačnom smere. Tým sa obnoví pôvodný stav, aby bolo možné batériu po nabití znova použiť.

Automobilová olovená batéria

Dodnes bolo vytvorených mnoho rôznych typov batérií, ktoré sa líšia typom chemickej reakcie, ktorá v nich prebieha. Najbežnejším typom batérií sú olovené (alebo jednoducho olovené) batérie, ktoré sú založené na oxidačno-redukčnej reakcii olova. Takéto zariadenia majú pomerne dlhú životnosť a ich spotreba energie je až 60 watthodín na kilogram. V poslednej dobe sú ešte populárnejšie lítium-iónové batérie založené na lítium-redoxnej reakcii. Energetická náročnosť moderných lítium-iónových batérií teraz presahuje 250 watthodín na kilogram.

Li-ion batéria pre mobilný telefón

Hlavným problémom lítium-iónových batérií je ich nízka účinnosť pri nízkych teplotách, rýchle starnutie a zvýšená výbušnosť. A vzhľadom na skutočnosť, že kovové lítium veľmi aktívne reaguje s vodou za vzniku plynného vodíka a pri spaľovaní batérie sa uvoľňuje kyslík, samovznietenie lítium-iónovej batérie je veľmi ťažké použiť pri tradičných hasiacich metódach. Aby sa zlepšila bezpečnosť takejto batérie a urýchlila doba jej nabíjania, vedci navrhli katódový materiál, ktorý zabraňuje tvorbe dendritických lítiových štruktúr a do elektrolytu pridávajú látky, ktoré tvoria výbušné štruktúry, a komponenty, ktoré sa vznietia v počiatočných štádiách. .

Pevný elektrolyt

Ako ďalší menej zrejmý spôsob zlepšenia účinnosti a bezpečnosti batérií navrhli chemici neobmedzovať sa na kvapalné elektrolyty v chemických zdrojoch energie, ale vytvoriť úplne pevný zdroj energie. V takýchto zariadeniach nie sú vôbec žiadne kvapalné zložky, ale medzi nimi je vrstvená štruktúra pevnej anódy, pevnej katódy a pevného elektrolytu. Elektrolyt zároveň plní funkciu membrány. Nosičmi náboja v pevnom elektrolyte môžu byť rôzne ióny v závislosti od jeho zloženia a reakcií, ktoré prebiehajú na anóde a katóde. Vždy sú to však dostatočne malé ióny, ktoré sa môžu relatívne voľne pohybovať cez kryštál, napríklad protóny H+, ióny Li+lítia alebo kyslíkové ióny O2.

Vodíkové palivové články

Schopnosť dobíjania a špeciálne bezpečnostné opatrenia robia z batérií oveľa sľubnejší zdroj prúdu ako bežné batérie, no napriek tomu každá batéria obsahuje vo vnútri obmedzené množstvo činidiel, a teda aj obmedzené zásoby energie, a preto je potrebné batériu zakaždým dobiť. obnoviť jeho výkon.

Aby bola batéria „nekonečná“, je možné ako zdroj energie použiť nie tie látky, ktoré sú vo vnútri článku, ale palivo, ktoré je cez ňu špeciálne čerpané. Najlepšie zo všetkého je, že ako také palivo sa najlepšie hodí látka, ktorá má čo najjednoduchšie zloženie, je šetrná k životnému prostrediu a je hojne dostupná na Zemi.

Najvhodnejšou látkou tohto typu je plynný vodík. Jeho oxidácia vzdušným kyslíkom za vzniku vody (podľa reakcie 2H 2 + O 2 → 2H 2 O) je jednoduchá redoxná reakcia a ako zdroj prúdu možno využiť aj transport elektrónov medzi iónmi. Reakcia prebiehajúca v tomto prípade je akousi reverznou reakciou k reakcii elektrolýzy vody (pri ktorej sa pôsobením elektrického prúdu voda rozkladá na kyslík a vodík) a prvýkrát bola takáto schéma navrhnutá už v r. polovice 19. storočia.

Ale napriek tomu, že obvod vyzerá celkom jednoducho, vytvorenie efektívneho zariadenia založeného na tomto princípe nie je vôbec triviálna úloha. K tomu je potrebné oddeliť toky kyslíka a vodíka v priestore, zabezpečiť transport potrebných iónov cez elektrolyt a znížiť možné straty energie vo všetkých fázach prevádzky.

Schematický diagram činnosti vodíkového palivového článku

Schéma fungujúceho vodíkového palivového článku je veľmi podobná schéme zdroja chemického prúdu, ale obsahuje ďalšie kanály na privádzanie paliva a okysličovadla a odstraňovanie reakčných produktov a prebytočných privádzaných plynov. Elektródy v takomto prvku sú porézne vodivé katalyzátory. Na anódu sa privádza plynné palivo (vodík) a na katódu oxidačné činidlo (kyslík zo vzduchu) a na rozhraní každej z elektród s elektrolytom prebieha jej vlastná polovičná reakcia (oxidácia vodík a redukcia kyslíka). V tomto prípade, v závislosti od typu palivového článku a typu elektrolytu, môže samotná tvorba vody prebiehať buď v anódovom alebo katódovom priestore.

vodíkový palivový článok Toyota

Joseph Brent / flickr

Ak je elektrolytom protónovo vodivý polymér alebo keramická membrána, roztok kyseliny alebo zásady, potom nosičom náboja v elektrolyte sú vodíkové ióny. V tomto prípade sa molekulárny vodík na anóde oxiduje na vodíkové ióny, ktoré prechádzajú cez elektrolyt a tam reagujú s kyslíkom. Ak je nosičom náboja kyslíkový ión O 2–, ako v prípade tuhého oxidového elektrolytu, potom sa kyslík redukuje na katóde na ión, tento ión prechádza cez elektrolyt a oxiduje vodík na anóde za vzniku vody a voľného elektróny.

Okrem reakcie oxidácie vodíka pre palivové články bolo navrhnuté použiť aj iné typy reakcií. Napríklad namiesto vodíka by redukčným palivom mohol byť metanol, ktorý sa oxiduje kyslíkom na oxid uhličitý a vodu.

Účinnosť palivových článkov

Napriek všetkým výhodám vodíkových palivových článkov (ako je šetrnosť k životnému prostrediu, prakticky neobmedzená účinnosť, kompaktné rozmery a vysoká energetická náročnosť) majú aj množstvo nevýhod. Medzi ne patrí predovšetkým postupné starnutie komponentov a ťažkosti pri skladovaní vodíka. Práve na tom, ako tieto nedostatky odstrániť, vedci dnes pracujú.

V súčasnosti sa navrhuje zlepšiť účinnosť palivových článkov zmenou zloženia elektrolytu, vlastností katalytickej elektródy a geometrie systému (ktorá zabezpečuje prívod palivových plynov do požadovaného bodu a znižuje vedľajšie účinky). Na vyriešenie problému skladovania plynného vodíka sa používajú materiály s obsahom platiny, na nasýtenie ktorej sú napríklad grafénové membrány.

Vďaka tomu je možné dosiahnuť zvýšenie stability palivového článku a životnosti jeho jednotlivých komponentov. Teraz koeficient premeny chemickej energie na elektrickú v takýchto článkoch dosahuje 80 percent a za určitých podmienok môže byť ešte vyšší.

Obrovské vyhliadky na vodíkovú energiu sú spojené s možnosťou spájania palivových článkov do celých batérií a premieňať ich na elektrické generátory s vysokým výkonom. Už teraz majú elektrické generátory na vodíkové palivové články výkon až niekoľko stoviek kilowattov a používajú sa ako zdroje energie pre vozidlá.

Alternatívne elektrochemické skladovanie

Okrem klasických elektrochemických zdrojov prúdu sa ako zariadenia na ukladanie energie používajú aj nezvyčajnejšie systémy. Jedným z týchto systémov je superkondenzátor (alebo ionistor) - zariadenie, v ktorom dochádza k separácii a akumulácii náboja v dôsledku vytvorenia dvojitej vrstvy v blízkosti nabitého povrchu. Na rozhraní elektróda-elektrolyt v takomto zariadení sa ióny rôznych znakov zoradia do dvoch vrstiev, takzvanej "dvojitej elektrickej vrstvy", tvoriacej akýsi veľmi tenký kondenzátor. Kapacita takéhoto kondenzátora, teda množstvo nahromadeného náboja, bude určená špecifickým povrchom materiálu elektródy, preto je výhodné brať ako materiál porézne materiály s maximálnym špecifickým povrchom. superkondenzátory.

Ionistory sú šampiónmi medzi nabíjacími a vybíjacími chemickými zdrojmi prúdu z hľadiska rýchlosti nabíjania, čo je nepochybná výhoda tohto typu zariadení. Bohužiaľ sú aj rekordmanmi v rýchlosti vybíjania. Energetická hustota ionistorov je osemkrát menšia v porovnaní s olovenými batériami a 25-krát menšia ako pri lítium-iónových. Klasické „dvojvrstvové“ ionistory nevyužívajú vo svojom jadre elektrochemickú reakciu a najpresnejšie sa pre ne aplikuje pojem „kondenzátor“. Avšak v tých verziách ionistorov, ktoré sú založené na elektrochemickej reakcii a akumulácia náboja siaha až do hĺbky elektródy, je možné dosiahnuť vyššie časy vybíjania pri zachovaní rýchlej rýchlosti nabíjania. Úsilie vývojárov superkondenzátorov smeruje k vytvoreniu hybridných zariadení s batériami, ktoré kombinujú výhody superkondenzátorov, predovšetkým vysokú rýchlosť nabíjania, a výhody batérií - vysokú energetickú náročnosť a dlhú dobu vybíjania. Predstavte si v blízkej budúcnosti ionistorovú batériu, ktorá sa nabije za pár minút a bude napájať notebook alebo smartfón na jeden alebo viac dní!

Napriek tomu, že v súčasnosti je energetická hustota superkondenzátorov stále niekoľkonásobne menšia ako energetická hustota batérií, používajú sa v spotrebnej elektronike a pre motory rôznych vozidiel, vrátane väčšiny.

* * *

Dnes teda existuje veľké množstvo elektrochemických zariadení, z ktorých každé je perspektívne pre svoje špecifické aplikácie. Na zlepšenie účinnosti týchto zariadení musia vedci vyriešiť množstvo problémov, základných aj technologických. Väčšinu týchto úloh v rámci jedného z prelomových projektov rieši Uralská federálna univerzita, preto sme sa opýtali Maxima Ananieva, riaditeľa Ústavu vysokoteplotnej elektrochémie Uralskej pobočky Ruskej akadémie vied, profesora z Katedry technológie elektrochemickej výroby Ústavu chemickej technológie Uralskej federálnej univerzity, aby sme hovorili o bezprostredných plánoch a perspektívach vývoja moderných palivových článkov.

N+1: Existuje v blízkej budúcnosti alternatíva k najobľúbenejším Li-Ion batériám?

Maxim Ananiev: Moderné úsilie vývojárov batérií je zamerané na nahradenie typu nosiča náboja v elektrolyte z lítia na sodík, draslík a hliník. V dôsledku výmeny lítia bude možné znížiť náklady na batériu, aj keď sa úmerne zvýšia charakteristiky hmotnosti a veľkosti. Inými slovami, pre rovnaké elektrické vlastnosti bude sodíkovo-iónová batéria väčšia a ťažšia ako lítium-iónová batéria.

Okrem toho je jednou zo sľubných rozvojových oblastí zdokonaľovania batérií vytváranie hybridných chemických zdrojov energie založených na kombinácii kov-iónových batérií so vzduchovou elektródou, ako v palivových článkoch. Vo všeobecnosti, smer vytvárania hybridných systémov, ako sa už ukázalo na príklade superkondenzátorov, nám zrejme v blízkej budúcnosti umožní vidieť na trhu chemické zdroje energie s vysokými spotrebiteľskými charakteristikami.

Uralská federálna univerzita spolu s akademickými a priemyselnými partnermi z Ruska a sveta v súčasnosti realizuje šesť megaprojektov, ktoré sú zamerané na prelomové oblasti vedeckého výskumu. Jedným z takýchto projektov je „Perspektívne technológie elektrochemického energetického inžinierstva od chemického návrhu nových materiálov po elektrochemické zariadenia novej generácie na úsporu a konverziu energie“.

Skupina vedcov zo Strategickej akademickej jednotky (SAU) UrFU School of Natural Sciences and Matematics, do ktorej patrí Maxim Ananiev, sa zaoberá návrhom a vývojom nových materiálov a technológií vrátane palivových článkov, elektrolytických článkov, kovových grafénových batérií, elektrochemických systémy na ukladanie energie a superkondenzátory.

Výskumná a vedecká práca prebieha v neustálej spolupráci s Ústavom vysokoteplotnej elektrochémie Uralskej pobočky Ruskej akadémie vied a s podporou partnerov.

Ktoré palivové články sa v súčasnosti vyvíjajú a majú najväčší potenciál?

Jedným z najsľubnejších typov palivových článkov sú protónovo-keramické články. Oproti polymérnym palivovým článkom s protónovou výmennou membránou a pevnými oxidovými článkami majú výhody, pretože môžu pracovať s priamym prívodom uhľovodíkového paliva. To výrazne zjednodušuje projektovanie elektrárne založenej na protónovo-keramických palivových článkoch a riadiacom systéme, a preto zvyšuje spoľahlivosť prevádzky. Je pravda, že tento typ palivových článkov je v súčasnosti historicky menej rozvinutý, ale moderný vedecký výskum nám umožňuje dúfať vo vysoký potenciál tejto technológie v budúcnosti.

Aké problémy súvisiace s palivovými článkami sa teraz riešia na Uralskej federálnej univerzite?

Teraz vedci z UrFU spolu s Ústavom vysokoteplotnej elektrochémie (IHTE) Uralskej pobočky Ruskej akadémie vied pracujú na vytvorení vysoko účinných elektrochemických zariadení a autonómnych generátorov energie pre aplikácie v distribuovanej energii. Vytvorenie elektrární na distribuovanú energiu spočiatku predpokladá vývoj hybridných systémov založených na generátore elektrickej energie a akumulačnom zariadení, ktorým sú batérie. Palivový článok zároveň pracuje nepretržite, zabezpečuje záťaž počas špičkových hodín a v pohotovostnom režime nabíja batériu, ktorá sama o sebe môže slúžiť ako rezerva v prípade vysokej spotreby energie aj v prípade núdzových situácií.

Chemici z Uralskej federálnej univerzity a IHTE dosiahli najväčší úspech vo vývoji pevných oxidových a protónovo-keramických palivových článkov. Od roku 2016 sa na Urale spolu so štátnou korporáciou Rosatom vytvorila prvá ruská výroba elektrární založených na palivových článkoch s pevným oxidom. Vývoj uralských vedcov už prešiel „poľnými“ testami na stanici katódovej ochrany plynovodu v experimentálnej lokalite Uraltransgaz LLC. Elektráreň s menovitým výkonom 1,5 kilowattu pracovala viac ako 10 tisíc hodín a preukázala vysoký potenciál využitia takýchto zariadení.

V rámci spoločného laboratória Uralskej federálnej univerzity a IHTE sa vyvíjajú elektrochemické zariadenia na báze protónovo vodivej keramickej membrány. To umožní v blízkej budúcnosti znížiť prevádzkové teploty pre palivové články s pevným oxidom z 900 na 500 stupňov Celzia a upustiť od predbežného reformovania uhľovodíkového paliva, čím sa vytvoria nákladovo efektívne elektrochemické generátory schopné prevádzky v podmienkach rozvinutá infraštruktúra dodávok plynu v Rusku.

Alexander Dubov

Úloha Ancient Armory je jednou z najzaujímavejších a najvďačnejších vedľajších úloh v Horizon Zero Dawn. Ako odmenu za jeho splnenie dostanete kostým Shield Weaver. Podľa nás ide o najlepšie brnenie v hre. Chráni Aloy silovým poľom, ktoré absorbuje všetky prichádzajúce poškodenia, kým sa náboj nevybije. Túto úlohu dostanete, keď nájdete prvý palivový článok alebo samotný starodávny pancierový bunker. Musím povedať, že získať to je oveľa jednoduchšie ako to urobiť.

Kde nájsť všetky palivové články v Horizon Zero Dawn?

V hre je celkovo 5 palivových prvkov, s ktorými sa stretnete pri prechode príbehovými misiami. Niektoré z nich je ľahké prehliadnuť, ale netrápte sa tým. Vždy sa po ne môžete vrátiť neskôr. Ak zomriete, budete musieť znova ísť po palivový článok. Vo vašom inventári sa to neuloží okamžite, musíte sa dostať na kontrolný bod. Majte to na pamäti. Všetky prvky sú označené svetlozelenou ikonou, takže je nepravdepodobné, že ich uvidíte, keď budete nablízku. Prvé dva prvky slúžia na otváranie dverí. Na odomknutie samotného pancierového zariadenia sú potrebné tri ďalšie.

Prvý palivový článok

Nachádza sa v lokalite Veľkej Matky a je k dispozícii počas prechodu misie „Lono hory“. Je veľmi dôležité, aby ste ho počas tohto questu nepremeškali, pretože po opustení oblasti sa brána s prístupom do tejto lokality zablokuje a najbližšie sa otvorí až ku koncu hry, po dokončení „Heart of the Burrow“ "misia.

Tento palivový článok sa dá ľahko nájsť, ak viete, kde hľadať. Preto prvá vec, ktorú musíte urobiť, je dostať sa k značke Aloy zobrazenej na obrázku nižšie. Priamo pred vami budú dvere s vypínačom. Otvoríme a ideme vpred. Otvoríme aj ďalšie dvere a ocitneme sa vo veľkej miestnosti. Tu musíme odbočiť doprava a narazíme na dvere so zámkom, ktoré nevieme otvoriť.

Keď sa však rozhliadnete okolo, všimnete si naľavo veľký výklenok so sviečkami vo vnútri. Vlezte do nej a choďte vpred pozdĺž bane, kým nenarazíte na palivový článok.

Druhý palivový článok

Tento prvok možno nájsť v ruinách, po ktorých Aloy vyliezla ako dieťa. V detstve to nebude možné vyzdvihnúť, takže sa budete musieť vrátiť neskôr. Dostaňte sa na zelenú značku a rozhliadnite sa. Vstup do ruín je diera v zemi. Opatrne zlezte dole.

Nechať cez ruiny je dosť jednoduché, takže je nepravdepodobné, že sa stratíte. V skutočnosti sa musíte dostať k značke zobrazenej na snímke obrazovky nižšie. Tam pred sebou uvidíte miestnosť, do ktorej vchodu bránia špicaté skalné útvary. Rozbite ich kopijou a nájdete druhý palivový prvok.

Tretí palivový článok

Ak chcete nájsť ďalší palivový článok v Horizon Zero Dawn, budete musieť prehrať príbeh. Potrebujeme misiu Master's Limit. Nezabudnite sa vrátiť k tejto príručke, keď sa k nej dostanete. Počas tejto misie budete musieť vyliezť na veľmi vysokú budovu. V určitom okamihu vám hra povie niečo ako: "Nájdite Farovu kanceláriu a získajte viac informácií o Dr. Sobekovi."

V tejto chvíli sa musíte otočiť a nájsť za sebou stenu, po ktorej môžete vyliezť hore. Prejdite celú cestu a palivový článok na vás bude čakať na zemi úplne na vrchole veže (12. poschodie).

Štvrtý palivový článok

Tento prvok možno nájsť počas misie „Poklad smrti“ v katakombách.

Najprv sa dostanete k značke na tretej úrovni, ktorá je znázornená na obrázku nižšie. Pred vami budú zamknuté dvere. Aby ste ho odomkli, musíte ísť doľava a skočiť dole. Nájdete tam tri otočné hádanky. V blízkosti každého je skriňa, v ktorej sa skrýva riešenie problému. Stačí to naskenovať. Dve hádanky sú umiestnené o jednu úroveň pod dverami, ďalšie sú na tej istej úrovni. Keď vyriešite všetky tri, otvoria sa dvere hore a dostanete palivový článok.

Piaty palivový článok

Posledný palivový článok v Horizon Zero Dawn možno nájsť počas misie Fallen Mountain v GAIA Prime.

Dosiahnite miesto na tretej úrovni označené na snímke obrazovky nižšie. Pred vami bude miesto, z ktorého sa musíte spustiť po lane. Namiesto toho odbočte doľava a opatrne sa vyberte po úbočí hory. Tam uvidíte vchod do jaskyne. Na samom konci vás bude čakať posledný prvok.

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 zhodnotíme každú z existujúcich palivových technológií v súčasnosti, porozprávame sa aj o konštrukcii a prevádzke palivových článkov a porovnáme 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 chemikálie vstúpia do bunky. 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 opačnom poradí by sa dala získať elektrina a voda. Vytvoril primitívny palivový článok a pomenoval ho plynová 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, spaľujú rôzne druhy paliva 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 aj 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 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 takú povrchovú štruktúru, že maximálny povrch platiny môže 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 z vonkajšieho obvodu za vzniku molekuly 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 palivových článkov a elektród. 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 porovnáme účinnosť až do bodu, kedy sa produkuje mechanická sila. 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 na čistý vodík, a to 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 generuje 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. Dosiahnuť takýto potenciál praktickým a dostupným spôsobom však 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 ide na podporu medzinárodného terorizmu, radikálnych politických strán a nestabilnej situácie v regiónoch produkujúcich ropu.

Využívanie ropy a iných fosílnych palív na výrobu energie spôsobuje znečistenie. Pre každého je najlepšie nájsť si alternatívu – spaľovanie fosílnych palív na energiu.

Palivové články sú atraktívnou alternatívou k závislosti od ropy. Palivové články produkujú čistú vodu ako vedľajší produkt namiesto znečistenia. 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 k súčasným metódam výroby energie. A predsa, s podporou celého sveta a celosvetovou spoluprácou sa životaschopný energetický systém založený na palivových článkoch môže stať o pár desaťročí realitou.