Vesikäyttöinen auto saattaa pian tulla todeksi ja vetypolttokennoja asennetaan moneen kotiin...

Vetypolttokennoteknologia ei ole uutta. Se alkoi vuonna 1776, kun Henry Cavendish löysi ensimmäisen kerran vedyn liuottaessaan metalleja laimeisiin happoihin. Ensimmäisen vetypolttokennon keksi jo vuonna 1839 William Grove. Sittemmin vetypolttokennoja on parannettu vähitellen, ja niitä asennetaan nyt avaruussukkuloihin, jotka toimittavat niille energiaa ja toimivat veden lähteenä. Nykyään vetypolttokennoteknologia on saavuttamassa massamarkkinoita autoissa, kodeissa ja kannettavissa laitteissa.

Vetypolttokennossa kemiallinen energia (vedyn ja hapen muodossa) muunnetaan suoraan (ilman palamista) sähköenergiaksi. Polttokenno koostuu katodista, elektrodeista ja anodista. Vetyä syötetään anodille, jossa se jaetaan protoneiksi ja elektroneiksi. Protoneilla ja elektroneilla on eri reitit katodille. Protonit kulkevat elektrodin kautta katodille, ja elektronit kulkevat polttokennojen ympäri päästäkseen katodille. Tämä liike luo myöhemmin käyttökelpoista sähköenergiaa. Toisaalta vetyprotonit ja elektronit yhdistyvät hapen kanssa muodostaen vettä.

Elektrolysaattorit ovat yksi tapa erottaa vetyä vedestä. Prosessi on pohjimmiltaan päinvastainen kuin mitä tapahtuu, kun vetypolttokenno toimii. Elektrolysaattori koostuu anodista, sähkökemiallisesta kennosta ja katodista. Anodille syötetään vettä ja jännitettä, joka jakaa veden vedyksi ja hapeksi. Vety kulkee sähkökemiallisen kennon läpi katodille ja happi syötetään suoraan katodille. Sieltä vetyä ja happea voidaan erottaa ja varastoida. Aikana, jolloin sähköä ei tarvitse tuottaa, kertynyt kaasu voidaan ottaa pois varastosta ja ohjata takaisin polttokennon läpi.

Tämä järjestelmä käyttää vetyä polttoaineena, minkä vuoksi sen turvallisuudesta on luultavasti monia myyttejä. Hindenburgin räjähdyksen jälkeen monet tieteestä kaukana olleet ihmiset ja jopa jotkut tutkijat alkoivat uskoa, että vedyn käyttö on erittäin vaarallista. Viimeaikaiset tutkimukset ovat kuitenkin osoittaneet, että syy tähän tragediaan johtui rakentamisessa käytetystä materiaalityypistä, ei vedystä, jota pumpattiin sisään. Vedyn varastoinnin turvallisuutta testattuaan todettiin, että vedyn varastointi polttokennoissa on turvallisempaa kuin säilyttää bensiiniä auton polttoainesäiliössä.

Kuinka paljon nykyaikaiset vetypolttokennot maksavat?? Yritykset tarjoavat tällä hetkellä vetypolttoainejärjestelmiä tehon tuottamiseksi noin 3 000 dollarilla kilowattia kohden. Markkinatutkimus on osoittanut, että kun hinta putoaa 1500 dollariin kilowattia kohden, massaenergiamarkkinoiden kuluttajat ovat valmiita vaihtamaan tämäntyyppiseen polttoaineeseen.

Vetypolttokennoajoneuvot ovat edelleen kalliimpia kuin polttomoottoriajoneuvot, mutta valmistajat tutkivat tapoja nostaa hintaa vertailukelpoiselle tasolle. Joillakin syrjäisillä alueilla, joilla ei ole voimalinjoja, vedyn käyttäminen polttoaineena tai autonomisena sähkönsyötön kotona voi olla nyt taloudellisempaa kuin esimerkiksi infrastruktuurin rakentaminen perinteisille energiankantajille.

Miksi vetypolttokennoja ei vieläkään käytetä laajalti? Tällä hetkellä vetypolttokennojen jakelun suurin ongelma on niiden korkea hinta. Vetypolttoainejärjestelmillä ei yksinkertaisesti ole massakysyntää tällä hetkellä. Tiede ei kuitenkaan pysähdy paikallaan, ja lähitulevaisuudessa veden päällä kulkevasta autosta voi tulla todellinen todellisuus.

Polttoaine (vety) kennojen/kennojen valmistus, kokoonpano, testaus ja testaus
Valmistettu tehtaissa Yhdysvalloissa ja Kanadassa

Polttoaine (vety) kennot/kennot

Yritys Intech GmbH / LLC Intech GmbH on toiminut suunnittelupalveluiden markkinoilla vuodesta 1997, toiminut useiden vuosien ajan erilaisissa teollisuuslaitteissa, tuo tietoosi erilaisia ​​polttoaine (vety) kennoja / kennoja.

Polttokenno/kenno on

Polttokennojen/kennojen edut

Polttokenno/kenno on laite, joka tuottaa tehokkaasti tasavirtaa ja lämpöä vetypitoisesta polttoaineesta sähkökemiallisen reaktion kautta.

Polttokenno on samanlainen kuin akku siinä mielessä, että se tuottaa tasavirtaa kemiallisen reaktion kautta. Polttokenno sisältää anodin, katodin ja elektrolyytin. Toisin kuin akut, polttokennot eivät kuitenkaan voi varastoida sähköenergiaa, ne eivät purkaudu eivätkä vaadi sähkön lataamista. Polttokennot/kennot voivat tuottaa jatkuvasti sähköä niin kauan kuin niillä on polttoainetta ja ilmaa.

Toisin kuin muut generaattorit, kuten polttomoottorit tai kaasulla, hiilellä, öljyllä jne. toimivat turbiinit, polttokennot/kennot eivät polta polttoainetta. Tämä tarkoittaa, että ei meluisia korkeapaineroottoreita, ei kovaa pakokaasuääntä, ei tärinää. Polttokennot/kennot tuottavat sähköä hiljaisen sähkökemiallisen reaktion kautta. Toinen polttokennojen/kennojen ominaisuus on, että ne muuttavat polttoaineen kemiallisen energian suoraan sähköksi, lämmöksi ja vedeksi.

Polttokennot ovat erittäin tehokkaita eivätkä tuota suuria määriä kasvihuonekaasuja, kuten hiilidioksidia, metaania ja typpioksiduulia. Ainoat käytön aikana vapautuvat tuotteet ovat vesi höyryn muodossa ja pieni määrä hiilidioksidia, jota ei vapaudu lainkaan, jos polttoaineena käytetään puhdasta vetyä. Polttokennot/kennot kootaan kokoonpanoiksi ja sitten yksittäisiksi toiminnallisiksi moduuleiksi.

Polttokennon/kennon kehityksen historia

1950- ja 1960-luvuilla yksi polttokennojen suurimmista haasteista syntyi National Aeronautics and Space Administrationin (NASA) energialähteiden tarpeesta pitkiä avaruustehtäviä varten. NASAn Alkaline Fuel Cell/Cell käyttää polttoaineena vetyä ja happea yhdistäen nämä kaksi sähkökemiallisessa reaktiossa. Tuotoksena on kolme avaruuslennossa hyödyllistä reaktion sivutuotetta - sähköä avaruusalukselle, vettä juoma- ja jäähdytysjärjestelmiin sekä lämpöä, joka pitää astronautit lämpiminä.

Polttokennojen löytö juontaa juurensa 1800-luvun alusta. Ensimmäiset todisteet polttokennojen vaikutuksesta saatiin vuonna 1838.

1930-luvun lopulla aloitettiin työ alkalisten polttokennojen parissa, ja vuoteen 1939 mennessä oli rakennettu kenno, jossa käytettiin korkeapaineisia nikkelöityjä elektrodeja. Toisen maailmansodan aikana Britannian laivaston sukellusveneisiin kehitettiin polttokennoja/kennoja, ja vuonna 1958 otettiin käyttöön polttoainenippu, joka koostui halkaisijaltaan hieman yli 25 cm:n alkalisista polttokennoista/kennoista.

Kiinnostus lisääntyi 1950- ja 1960-luvuilla ja myös 1980-luvulla, jolloin teollisessa maailmassa oli pulaa polttoöljystä. Samaan aikaan myös maailman maat huolestuivat ilmansaasteiden ongelmasta ja pohtivat tapoja tuottaa ympäristöystävällistä sähköä. Tällä hetkellä polttokenno/kennoteknologia kehittyy nopeasti.

Kuinka polttokennot/kennot toimivat

Polttokennot/kennot tuottavat sähköä ja lämpöä jatkuvan sähkökemiallisen reaktion kautta käyttämällä elektrolyyttiä, katodia ja anodia.

Anodin ja katodin erottaa protoneja johtava elektrolyytti. Sen jälkeen kun vety tulee anodille ja happi katodille, alkaa kemiallinen reaktio, jonka seurauksena syntyy sähkövirtaa, lämpöä ja vettä.

Anodikatalyytissä molekyylivety hajoaa ja menettää elektroneja. Vetyionit (protonit) johdetaan elektrolyytin läpi katodille, kun taas elektronit johdetaan elektrolyytin läpi ja ulkoisen sähköpiirin läpi, jolloin syntyy tasavirta, jota voidaan käyttää laitteiden virtalähteenä. Katodikatalyytissä happimolekyyli yhdistyy elektronin (joka tulee ulkoisista yhteyksistä) ja sisään tulevan protonin kanssa ja muodostaa vettä, joka on ainoa reaktiotuote (höyryn ja/tai nesteen muodossa).

Alla on vastaava reaktio:

Anodireaktio: 2H 2 => 4H+ + 4e -
Reaktio katodilla: O 2 + 4H+ + 4e - => 2H 2 O
Yleinen alkuainereaktio: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Polttokennojen/kennojen tyypit ja valikoima

Kuten erityyppisiä polttomoottoreita, polttokennoja on erilaisia ​​- sopivan polttokennotyypin valinta riippuu sen sovelluksesta.

Polttokennot jaetaan korkealämpötilaisiin ja matalalämpöisiin. Matalan lämpötilan polttokennot vaativat polttoaineena suhteellisen puhdasta vetyä. Tämä tarkoittaa usein, että polttoaineen prosessointi vaaditaan primäärisen polttoaineen (kuten maakaasun) muuntamiseksi puhtaaksi vedyksi. Tämä prosessi kuluttaa lisäenergiaa ja vaatii erikoislaitteita. Korkean lämpötilan polttokennot eivät tarvitse tätä lisämenettelyä, koska ne voivat "muuntaa" polttoaineen "sisäisesti" korkeissa lämpötiloissa, joten vetyinfrastruktuuriin ei tarvitse investoida.

Polttokennot/kennot sulassa karbonaatissa (MCFC)

Sula karbovat korkean lämpötilan polttokennoja. Korkea käyttölämpötila mahdollistaa maakaasun suoran käytön ilman polttoaineprosessoria ja matalalämpöarvoista polttokaasua prosessipolttoaineista ja muista lähteistä.

RCFC:n toiminta eroaa muista polttokennoista. Nämä kennot käyttävät elektrolyyttiä sulan karbonaattisuolojen seoksesta. Tällä hetkellä käytetään kahden tyyppisiä seoksia: litiumkarbonaattia ja kaliumkarbonaattia tai litiumkarbonaattia ja natriumkarbonaattia. Karbonaattisuolojen sulattamiseksi ja ionien korkean liikkuvuuden saavuttamiseksi elektrolyytissä polttokennot, joissa on sulaa karbonaattielektrolyyttiä, toimivat korkeissa lämpötiloissa (650 °C). Tehokkuus vaihtelee välillä 60-80 %.

Kun suolat kuumennetaan 650 °C:n lämpötilaan, niistä tulee karbonaatti-ionien (CO 3 2-) johtimia. Nämä ionit siirtyvät katodilta anodille, jossa ne yhdistyvät vedyn kanssa muodostaen vettä, hiilidioksidia ja vapaita elektroneja. Nämä elektronit lähetetään ulkoisen sähköpiirin kautta takaisin katodille, jolloin sivutuotteena syntyy sähkövirtaa ja lämpöä.

Anodireaktio: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Reaktio katodilla: CO 2 + 1/2O 2 + 2e - => CO 3 2-
Yleinen alkuainereaktio: H 2 (g) + 1/2O 2 (g) + CO 2 (katodi) => H 2 O (g) + CO 2 (anodi)

Sulavien karbonkorkeilla käyttölämpötiloilla on tiettyjä etuja. Korkeissa lämpötiloissa maakaasu uudistuu sisäisesti, mikä eliminoi polttoaineprosessorin tarpeen. Lisäksi etuja ovat mahdollisuus käyttää tavanomaisia ​​rakennusmateriaaleja, kuten ruostumatonta teräslevyä ja nikkelikatalyyttiä elektrodeissa. Hukkalämmöstä voidaan tuottaa korkeapainehöyryä erilaisiin teollisiin ja kaupallisiin tarkoituksiin.

Myös korkeilla reaktiolämpötiloilla elektrolyytissä on etunsa. Korkeiden lämpötilojen käytössä kestää kauan saavuttaa optimaaliset käyttöolosuhteet ja järjestelmä reagoi hitaammin energiankulutuksen muutoksiin. Nämä ominaisuudet mahdollistavat sulan karbonaattielektrolyytin sisältävien polttokennojärjestelmien käytön tasaisen tehon olosuhteissa. Korkeat lämpötilat estävät polttokennoa vahingoittamasta hiilimonoksidia.

Sulat karbonaattipolttokennot soveltuvat käytettäväksi suurissa kiinteissä asennuksissa. Lämpövoimalaitoksia, joiden sähköteho on 3,0 MW, valmistetaan teollisesti. Kehitellään laitoksia, joiden lähtöteho on jopa 110 MW.

Fosforihappoon (PFC) perustuvat polttokennot/kennot

Fosforihappoon (ortofosforihappoon) perustuvat polttokennot olivat ensimmäiset polttokennot kaupalliseen käyttöön.

Fosfori(ortofosfori)happoon perustuvissa polttokennoissa käytetään ortofosforihappoon (H 3 PO 4) perustuvaa elektrolyyttiä, jonka pitoisuus on jopa 100 %. Fosforihapon ioninjohtavuus on alhainen matalissa lämpötiloissa, minkä vuoksi näitä polttokennoja käytetään 150–220°C:n lämpötiloissa.

Varauksen kantaja tämän tyyppisissä polttokennoissa on vety (H+, protoni). Samanlainen prosessi tapahtuusa, joissa anodille syötetty vety jaetaan protoneiksi ja elektroneiksi. Protonit kulkevat elektrolyytin läpi ja yhdistyvät katodilla ilmasta tulevan hapen kanssa muodostaen vettä. Elektronit ohjataan ulkoista sähköpiiriä pitkin ja syntyy sähkövirta. Alla on reaktiot, jotka tuottavat sähköä ja lämpöä.

Reaktio anodilla: 2H 2 => 4H + + 4e -
Reaktio katodilla: O 2 (g) + 4H + + 4e - \u003d\u003e 2 H 2 O
Yleinen alkuainereaktio: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Fosfori (ortofosfori) happoon perustuvien polttokennojen hyötysuhde on yli 40 % sähköenergian tuotannossa. Lämmön ja sähkön yhteistuotannossa kokonaishyötysuhde on noin 85 %. Lisäksi hukkalämpöä voidaan käyttää käyttölämpötiloissa veden lämmittämiseen ja höyryn tuottamiseen ilmakehän paineessa.

Fosfori (ortofosfori) happoon perustuvien polttokennojen lämpövoimalaitosten korkea suorituskyky lämmön ja sähkön yhteistuotannossa on yksi tämäntyyppisten polttokennojen eduista. Laitokset käyttävät häkää noin 1,5 %:n pitoisuutena, mikä laajentaa huomattavasti polttoainevalikoimaa. Lisäksi CO 2 ei vaikuta elektrolyyttiin ja polttokennon toimintaan, vaan tämän tyyppinen kenno toimii uudistetulla luonnonpolttoaineella. Yksinkertainen rakenne, alhainen elektrolyytin haihtuvuus ja parantunut vakaus ovat myös tämäntyyppisten polttokennojen etuja.

Lämpövoimalaitoksia, joiden sähköteho on jopa 500 kW, valmistetaan teollisesti. 11 MW:n laitteistot ovat läpäisseet asiaankuuluvat testit. Kehitellään laitoksia, joiden lähtöteho on jopa 100 MW.

Kiinteät oksidipolttokennot/kennot (SOFC)

Kiinteäoksidipolttokennot ovat polttokennoja, joiden käyttölämpötila on korkein. Käyttölämpötila voi vaihdella 600°C - 1000°C, mikä mahdollistaa erityyppisten polttoaineiden käytön ilman erityistä esikäsittelyä. Näiden korkeiden lämpötilojen käsittelemiseksi elektrolyyttinä käytetään ohutta keraamipohjaista kiinteää metallioksidia, usein yttriumin ja zirkoniumin seosta, joka on happi (O 2-) -ionien johde.

Kiinteä elektrolyytti tarjoaa hermeettisen kaasun siirtymisen elektrodista toiseen, kun taas nestemäiset elektrolyytit sijaitsevat huokoisessa substraatissa. Varauksen kantaja tämän tyyppisissä polttokennoissa on happi-ioni (O 2-). Katodilla happimolekyylit erotetaan ilmasta happi-ioniksi ja neljäksi elektroniksi. Happi-ionit kulkevat elektrolyytin läpi ja yhdistyvät vedyn kanssa muodostaen neljä vapaata elektronia. Elektronit ohjataan ulkoisen sähköpiirin kautta tuottaen sähkövirtaa ja hukkalämpöä.

Reaktio anodilla: 2H 2 + 2O 2- => 2H 2 O + 4e -
Reaktio katodilla: O 2 + 4e - \u003d\u003e 2O 2-
Yleinen alkuainereaktio: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Tuotetun sähköenergian hyötysuhde on polttokennoista korkein - noin 60-70 %. Korkeat käyttölämpötilat mahdollistavat yhdistetyn lämmön ja sähkön tuotannon korkeapaineisen höyryn tuottamiseksi. Korkean lämpötilan polttokennon yhdistäminen turbiiniin luo hybridipolttokennon, joka lisää sähköntuotannon hyötysuhdetta jopa 75 %.

Kiinteät oksidipolttokennot toimivat erittäin korkeissa lämpötiloissa (600°C-1000°C), jolloin optimaaliset käyttöolosuhteet saavuttavat pitkän ajan, ja järjestelmä reagoi hitaammin virrankulutuksen muutoksiin. Tällaisissa korkeissa käyttölämpötiloissa ei tarvita konvertteria ottamaan vetyä polttoaineesta, jolloin lämpövoimalaitos voi toimia suhteellisen epäpuhtailla polttoaineilla hiilen kaasutuksesta tai jätekaasuista ja vastaavista. Lisäksi tämä polttokenno sopii erinomaisesti suuritehoisiin sovelluksiin, mukaan lukien teollisuus- ja suuret keskusvoimalaitokset. Teollisesti tuotetut moduulit, joiden sähköteho on 100 kW.

Polttokennot/kennot, joissa on suora metanolihapetus (DOMTE)

Polttokennojen käyttö metanolin suoralla hapetuksella on käynnissä aktiivisen kehitysvaiheen aikana. Se on vakiinnuttanut asemansa menestyksekkäästi matkapuhelimien, kannettavien tietokoneiden ja kannettavien virtalähteiden luomisessa. mihin näiden elementtien tuleva soveltaminen tähtää.

Polttokennojen rakenne, joissa metanoli hapetetaan suoraan, on samanlainen kuin polttokennoissa, joissa on protoninvaihtokalvo (MOFEC), ts. polymeeriä käytetään elektrolyyttinä ja vety-ionia (protonia) käytetään varauksen kantajana. Nestemäinen metanoli (CH 3 OH) kuitenkin hapettuu veden läsnä ollessa anodilla vapauttaen CO 2:ta, vetyioneja ja elektroneja, jotka ohjataan ulkoisen sähköpiirin läpi, ja syntyy sähkövirta. Vetyionit kulkevat elektrolyytin läpi ja reagoivat ilman hapen ja ulkoisen piirin elektronien kanssa muodostaen vettä anodilla.

Reaktio anodilla: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Reaktio katodilla: 3/2O 2 + 6 H + + 6e - => 3H 2 O
Yleinen alkuainereaktio: CH 3 OH + 3/2O 2 => CO 2 + 2H 2 O

Tämän tyyppisten polttokennojen etuna on niiden pienet mitat, jotka johtuvat nestemäisen polttoaineen käytöstä ja muuntimen käyttötarpeen puuttumisesta.

Alkalipolttokennot (AFC)

Alkalipolttokennot ovat yksi tehokkaimmista sähköntuotantoon käytetyistä elementeistä, ja sähköntuotannon hyötysuhde on jopa 70 %.

Alkalisissa polttokennoissa käytetään elektrolyyttiä, eli kaliumhydroksidin vesiliuosta, joka on huokoisessa, stabiloidussa matriisissa. Kaliumhydroksidin pitoisuus voi vaihdella polttokennon käyttölämpötilan mukaan, joka vaihtelee välillä 65°C - 220°C. Varauksen kantaja SFC:ssä on hydroksidi-ioni (OH-), joka liikkuu katodilta anodille, jossa se reagoi vedyn kanssa tuottaen vettä ja elektroneja. Anodilla tuotettu vesi siirtyy takaisin katodille, jolloin syntyy jälleen hydroksidi-ioneja. Tämän polttokennossa tapahtuvan reaktiosarjan seurauksena syntyy sähköä ja sivutuotteena lämpöä:

Reaktio anodilla: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reaktio katodilla: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4 OH -
Järjestelmän yleinen reaktio: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

SFC-kennojen etuna on se, että nämä polttokennot ovat halvimpia valmistaa, koska elektrodeille tarvittava katalyytti voi olla mitä tahansa aineita, jotka ovat halvempia kuin muiden polttokennojen katalyytteinä käytetyt. SCFC:t toimivat suhteellisen alhaisissa lämpötiloissa ja ovat tehokkaimpia polttokennoja – tällaiset ominaisuudet voivat vastaavasti edistää nopeampaa sähköntuotantoa ja korkeaa polttoainetehokkuutta.

Yksi SHTE:n tunnusomaisista piirteistä on sen korkea herkkyys CO 2 :lle, joka voi olla polttoaineessa tai ilmassa. CO 2 reagoi elektrolyytin kanssa, myrkyttää sen nopeasti ja heikentää huomattavasti polttokennon tehokkuutta. Siksi SFC:iden käyttö rajoittuu suljettuihin tiloihin, kuten avaruus- ja vedenalaisiin ajoneuvoihin, niiden on toimittava puhtaalla vedyllä ja hapella. Lisäksi molekyylit, kuten CO, H 2 O ja CH4, jotka ovat turvallisia muille polttokennoille ja jopa polttoainetta joillekin niistä, ovat haitallisia SFC-yhdisteille.

Polymeerielektrolyyttipolttokennot/kennot (PETE)

Polympolymeerikalvo koostuu polymeerikuiduista, joissa on vesialueita, joissa on vesi-ionien johtuminen (H 2 O + (protoni, punainen) kiinnittyneenä vesimolekyyliin). Vesimolekyylit aiheuttavat ongelman hitaasta ioninvaihdosta johtuen. Siksi sekä polttoaineessa että pakoelektrodeissa tarvitaan korkea vesipitoisuus, mikä rajoittaa käyttölämpötilan 100°C:een.

Kiinteät happamat polttokennot/kennot (SCFC)

Kiinteissä happamissa polttokennoissa elektrolyytti (CsHSO 4 ) ei sisällä vettä. Käyttölämpötila on siis 100-300°C. SO 4 2- oksianionien pyöriminen mahdollistaa protonien (punaisten) liikkumisen kuvan osoittamalla tavalla. Tyypillisesti kiinteähappopolttokenno on kerros, jossa erittäin ohut kerros kiinteää happoyhdistettä on kerrostettu kahden tiiviisti puristetun elektrodin väliin hyvän kontaktin varmistamiseksi. Kuumennettaessa orgaaninen komponentti haihtuu poistuen elektrodien huokosten läpi, jolloin polttoaineen (tai kennon toisessa päässä olevan hapen), elektrolyytin ja elektrodien välillä on useita kontakteja.

Innovatiiviset energiaa säästävät kunnalliset lämpö- ja voimalaitokset rakennetaan tyypillisesti kiinteisiin oksidipolttokennoihin (SOFC), polym(PEFC), fosforihappopolttokennoihin (PCFC), pr(MPFC) ja alkalisiin polttokennoihin ( APFC:t). Niillä on yleensä seuraavat ominaisuudet:

Kiinteät oksidipolttokennot (SOFC) tulisi tunnistaa sopivimmiksi, jotka:

• toimivat korkeammassa lämpötilassa, mikä vähentää kalliiden jalometallien (kuten platina) tarvetta
• voi toimia erityyppisillä hiilivetypolttoaineilla, pääasiassa maakaasulla
• niillä on pidempi käynnistysaika ja siksi ne sopivat paremmin pitkäaikaiseen käyttöön
• osoittaa korkeaa sähköntuotannon hyötysuhdetta (jopa 70 %)
• korkeiden käyttölämpötilojen ansiosta yksiköt voidaan yhdistää lämmöntalteenottojärjestelmiin, jolloin järjestelmän kokonaishyötysuhde on jopa 85 %.
• ovat lähes päästöttömiä, toimivat äänettömästi ja niillä on alhaiset käyttövaatimukset verrattuna olemassa oleviin sähköntuotantotekniikoihin

Polttokennotyyppi	Työskentelylämpötila	Sähköntuotannon tehokkuus	Polttoainetyyppi	Sovellusalue
RKTE	550-700 °C	50-70%		Keskikokoiset ja suuret asennukset
FKTE	100-220°C	35-40%	puhdasta vetyä	Suuret asennukset
MOPTE	30-100 °C	35-50%	puhdasta vetyä	Pienet asennukset
SOFC	450-1000°C	45-70%	Suurin osa hiilivetypolttoaineista	Pienet, keskisuuret ja suuret asennukset
POMTE	20-90 °C	20-30%	metanoli	Kannettava
SHTE	50-200°C	40-70%	puhdasta vetyä	avaruustutkimus
PETE	30-100 °C	35-50%	puhdasta vetyä	Pienet asennukset

Koska pienet lämpövoimalaitokset voidaan liittää tavanomaiseen kaasunsyöttöverkkoon, polttokennot eivät vaadi erillistä vedynsyöttöjärjestelmää. Käytettäessä pieniä kiintooksidipolttokennoihin perustuvia lämpövoimaloita syntyvä lämpö voidaan integroida lämmönvaihtimiin veden ja ilmanvaihtoilman lämmitykseen, mikä lisää järjestelmän kokonaishyötysuhdetta. Tämä innovatiivinen tekniikka soveltuu parhaiten tehokkaaseen sähköntuotantoon ilman kallista infrastruktuuria ja monimutkaista instrumenttien integrointia.

Polttokenno/kennosovellukset

Polttokennojen/kennojen käyttö tietoliikennejärjestelmissä

Langattomien viestintäjärjestelmien nopean leviämisen ympäri maailmaa sekä matkapuhelinteknologian kasvavien sosiaalisten ja taloudellisten hyötyjen myötä luotettavan ja kustannustehokkaan varavirran tarve on tullut kriittiseksi. Huonosta säästä, luonnonkatastrofeista tai rajallisesta verkkokapasiteetista johtuvat verkkokatkokset ympäri vuoden ovat jatkuva haaste kantaverkko-operaattoreille.

Perinteisiä tietoliikenteen varavirtaratkaisuja ovat akut (venttiiliohjattu lyijyakkukenno) lyhytaikaista varavirtaa varten ja diesel- ja propaanigeneraattorit pidempään varatehoa varten. Akut ovat suhteellisen halpa varavirtalähde 1–2 tunniksi. Akut eivät kuitenkaan sovellu pidempään varakäyttöaikaan, koska ne ovat kalliita ylläpitää, muuttuvat epäluotettavaksi pitkän käytön jälkeen, ovat herkkiä lämpötiloille ja ovat vaarallisia ympäristölle hävityksen jälkeen. Diesel- ja propaanigeneraattorit voivat tarjota jatkuvaa varavirtaa. Generaattorit voivat kuitenkin olla epäluotettavia, vaatia laajaa huoltoa ja päästää ilmakehään suuria määriä saasteita ja kasvihuonekaasuja.

Perinteisten varavoimaratkaisujen rajoitusten poistamiseksi on kehitetty innovatiivinen vihreä polttokennoteknologia. Polttokennot ovat luotettavia, hiljaisia, sisältävät vähemmän liikkuvia osia kuin generaattori, niiden käyttölämpötila-alue on akkua laajempi -40°C - +50°C ja näin ollen ne säästävät erittäin paljon energiaa. Lisäksi tällaisen laitoksen käyttöikäkustannukset ovat alhaisemmat kuin generaattorin. Alhaisemmat polttokennokustannukset ovat seurausta vain yhdestä huoltokäynnistä vuodessa ja merkittävästi korkeammasta laitoksen tuottavuudesta. Polttokenno on kuitenkin ympäristöystävällinen teknologiaratkaisu, jolla on minimaaliset ympäristövaikutukset.

Polttokennoyksiköt tarjoavat varavirtaa kriittisille tietolteleviestintäjärjestelmän langattomaan, pysyvään ja laajakaistaiseen tietoliikenteeseen, 250 W - 15 kW, ne tarjoavat monia vertaansa vailla olevia innovatiivisia ominaisuuksia:

• LUOTETTAVUUS– Vähän liikkuvia osia, ei valmiustilan purkausta
• ENERGIANSÄÄSTÖ
• HILJAISUUS– alhainen melutaso
• VAKAUS– käyttöalue -40°C - +50°C
• MUKAUTETTAVUUS– asennus ulko- ja sisätiloihin (kontti/suojakontti)
• KORKEAJÄNNITE– 15 kW asti
• ALHAINEN HUOLTOTARVE– vähimmäisvuosihuolto
• TALOUS- houkuttelevat kokonaisomistuskustannukset
• PUHDAS ENERGIA– alhaiset päästöt ja vähäiset ympäristövaikutukset

Järjestelmä tunnistaa tasavirtaväylän jännitteen koko ajan ja hyväksyy tasaisesti kriittiset kuormat, jos DC-väylän jännite laskee alle käyttäjän määrittämän asetusarvon. Järjestelmä toimii vedyllä, joka saapuu polttokennopinoon kahdella tavalla - joko kaupallisesta vedyn lähteestä tai nestemäisestä metanolista ja vedestä koostuvasta polttoaineesta käyttämällä laivan reformointijärjestelmää.

Polttokennopino tuottaa sähköä tasavirran muodossa. Tasavirta lähetetään muuntimelle, joka muuntaa polttokennopinon säätelemättömän DC-tehon korkealaatuiseksi säädetyksi tasatehoksi vaadituille kuormille. Polttokennoasennus voi tarjota varavirtaa useiksi päiviksi, koska kestoa rajoittaa vain varastossa olevan vedyn tai metanolin/vesipolttoaineen määrä.

Polttokennot tarjoavat ylivertaisen energiatehokkuuden, paremman järjestelmän luotettavuuden, ennustettavamman suorituskyvyn useissa eri ilmastoissa ja luotettavan käyttöiän verrattuna alan standardeihin venttiiliohjattuihin lyijyakkuihin. Elinkaarikustannukset ovat myös alhaisemmat, koska huolto- ja vaihtotarpeet ovat huomattavasti pienemmät. Polttokennot tarjoavat loppukäyttäjille ympäristöhyötyjä, sillä lyijyhappokennoihin liittyvät hävityskustannukset ja vastuuriskit ovat kasvava huolenaihe.

Sähköakkujen suorituskykyyn voivat vaikuttaa haitallisesti monet tekijät, kuten lataustaso, lämpötila, jaksot, käyttöikä ja muut muuttujat. Tarjottu energia vaihtelee näiden tekijöiden mukaan, eikä sitä ole helppo ennustaa. Nämä tekijät eivät vaikuta suhteellisen hyvin protoninvaihtokalvopolttokennon (PEMFC) suorituskykyyn, ja se voi tarjota kriittistä tehoa niin kauan kuin polttoainetta on saatavilla. Parempi ennustettavuus on tärkeä etu siirryttäessä polttokennoihin kriittisissä varavirtasovelluksissa.

Polttokennot tuottavat energiaa vain, kun polttoainetta syötetään, kuten kaasuturbiinigeneraattori, mutta niissä ei ole liikkuvia osia tuotantoalueella. Siksi, toisin kuin generaattori, ne eivät kulu nopeasti eivätkä vaadi jatkuvaa huoltoa ja voitelua.

Extended Duration Fuel Converterissa käytettävä polttoaine on metanolin ja veden seos. Metanoli on laajalti saatavilla oleva kaupallinen polttoaine, jolla on tällä hetkellä monia käyttötarkoituksia, mukaan lukien tuulilasin pesuaine, muovipullot, moottorin lisäaineet ja emulsiomaalit. Metanoli on helppo kuljettaa, sekoittuu veteen, sillä on hyvä biohajoavuus ja se on rikitöntä. Sen jäätymispiste on alhainen (-71°C), eikä se hajoa pitkän varastoinnin aikana.

Polttokennojen/kennojen käyttö viestintäverkoissa

Turvaverkot vaativat luotettavia varavirtaratkaisuja, jotka voivat kestää tunteja tai päiviä hätätilanteessa, jos sähköverkko ei ole käytettävissä.

Innovatiivinen polttokennoteknologia tarjoaa vain vähän liikkuvia osia eikä valmiustilan tehon vähennystä, joten se tarjoaa houkuttelevan ratkaisun nykyisiin varavoimajärjestelmiin verrattuna.

Pakottavin syy polttokennoteknologian käyttöön viestintäverkoissa on lisääntynyt yleinen luotettavuus ja turvallisuus. Tapahtumien, kuten sähkökatkojen, maanjäristysten, myrskyjen ja hurrikaanien, aikana on tärkeää, että järjestelmät jatkavat toimintaansa ja että niillä on luotettava varavirtalähde pitkän aikaa riippumatta varavirtajärjestelmän lämpötilasta tai iästä.

Polttokennoteholähteiden valikoima sopii ihanteellisesti turvallisten viestintäverkkojen tukemiseen. Energiaa säästävien suunnitteluperiaatteidensa ansiosta ne tarjoavat ympäristöystävällistä, luotettavaa varatehoa pitkäkestoisesti (jopa useita päiviä) käytettäväksi tehoalueella 250 W - 15 kW.

Polttokennojen/kennojen käyttö tietoverkoissa

Tietoverkkojen, kuten nopeiden tietoverkkojen ja valokuiturunkoverkkojen luotettava virransyöttö on avainasemassa kaikkialla maailmassa. Tällaisten verkkojen kautta välitetyt tiedot sisältävät tärkeitä tietoja laitoksille, kuten pankeille, lentoyhtiöille tai terveyskeskuksille. Sähkökatkos tällaisissa verkoissa ei ainoastaan ​​aiheuta vaaraa siirrettävälle tiedolle, vaan johtaa pääsääntöisesti myös merkittäviin taloudellisiin menetyksiin. Luotettavat, innovatiiviset polttokennoasennukset, jotka tarjoavat valmiustilassa virtaa, tarjoavat tarvitsemasi luotettavuuden varmistaaksesi keskeytymättömän virran.

Metanolin ja veden nestemäisellä polttoaineseoksella toimivat polttokennoyksiköt tarjoavat luotettavan varavirtalähteen pitkäkestoisesti, jopa useita päiviä. Lisäksi näissä laitteissa on huomattavasti pienemmät huoltovaatimukset verrattuna generaattoreihin ja akkuihin, mikä vaatii vain yhden huoltokäynnin vuodessa.

Tyypillisiä sovellusominaisuuksia polttokennoasennusten käytölle tietoverkoissa:

• Sovellukset tehotuloilla 100 W - 15 kW
• Sovellukset, joiden akun käyttöikä on > 4 tuntia
• Toistimet valokuitujärjestelmissä (synkronisten digitaalisten järjestelmien hierarkia, nopea internetyhteys, IP-ääni…)
• Nopeiden tiedonsiirtojen verkkosolmut
• WiMAX-siirtosolmut

Polttokennovalmiusasennukset tarjoavat lukuisia etuja kriittisille tietoverkkoinfrastruktuureille perinteisiin akku- tai dieselgeneraattoreihin verrattuna, mikä mahdollistaa suuremman käytön paikan päällä:

1. Nestemäinen polttoaineteknologia ratkaisee vedyn varastoinnin ongelman ja tarjoaa käytännössä rajattoman varavoiman.
2. Hiljaisen toiminnan, keveyden, äärimmäisten lämpötilojen kestävyyden ja lähes tärinättömän toiminnan ansiosta polttokennot voidaan asentaa ulos, teollisuustiloihin/kontteihin tai katoille.
3. Paikan päällä valmistautuminen järjestelmän käyttöön on nopeaa ja edullista, ja käyttökustannukset ovat alhaiset.
4. Polttoaine on biohajoavaa ja edustaa ympäristöystävällistä ratkaisua kaupunkiympäristöön.

Polttokennojen/kennojen käyttö turvajärjestelmissä

Huolellisesti suunnitellut rakennuksen turva- ja viestintäjärjestelmät ovat vain niin luotettavia kuin niiden teho on. Useimmissa järjestelmissä on jonkinlainen keskeytymätön varavirtajärjestelmä lyhytaikaisten tehohäviöiden varalta, mutta ne eivät tarjoa pidempiä sähkökatkoja, joita voi esiintyä luonnonkatastrofien tai terrori-iskujen jälkeen. Tämä voi olla kriittinen ongelma monille yrityksille ja valtion virastoille.

Tärkeät järjestelmät, kuten CCTV-valvonta- ja kulunvalvontajärjestelmät (henkilökortinlukijat, ovien sulkemislaitteet, biometrinen tunnistustekniikka jne.), automaattiset palohälytys- ja palonsammutusjärjestelmät, hissien ohjausjärjestelmät ja tietoliikenneverkot, ovat vaarassa ilman valvontaa. luotettava vaihtoehtoinen jatkuvan virransyötön lähde.

Dieselgeneraattorit ovat meluisia, vaikeasti löydettävissä, ja ne ovat hyvin tietoisia luotettavuudestaan ​​ja kunnossapitoon liittyvistä ongelmistaan. Sitä vastoin polttokennon vara-asennus on hiljainen, luotettava, päästötön tai erittäin vähäinen, ja se on helppo asentaa katolle tai rakennuksen ulkopuolelle. Se ei purkaudu tai menetä virtaa valmiustilassa. Se varmistaa kriittisten järjestelmien jatkuvan toiminnan myös laitoksen lopettamisen ja ihmisten hylkäämän rakennuksen jälkeen.

Innovatiiviset polttokennoasennukset suojaavat kalliita investointeja kriittisiin sovelluksiin. Ne tarjoavat ympäristöystävällistä, luotettavaa ja pitkäkestoista varatehoa (jopa monta päivää) käytettäväksi tehoalueella 250 W - 15 kW yhdistettynä lukuisiin ylittämättömiin ominaisuuksiin ja erityisesti korkeaan energiansäästöön.

Polttokennovarmistusyksiköt tarjoavat lukuisia etuja kriittisiin sovelluksiin, kuten turva- ja kiinteistönhallintajärjestelmiin verrattuna perinteisiin akku- tai dieselgeneraattoreihin. Nestemäinen polttoaineteknologia ratkaisee vedyn varastoinnin ongelman ja tarjoaa käytännössä rajattoman varavoiman.

Polttokennojen/kennojen käyttö kotitalouksien lämmitykseen ja sähköntuotantoon

Kiinteitä oksidipolttokennoja (SOFC) käytetään luotettavien, energiatehokkaiden ja päästöttömien lämpövoimaloiden rakentamiseen, jotka tuottavat sähköä ja lämpöä laajasti saatavilla olevasta maakaasusta ja uusiutuvista polttoaineista. Näitä innovatiivisia yksiköitä käytetään monilla eri markkinoilla kotimaisesta sähköntuotannosta syrjäisten alueiden sähköntoimitukseen sekä apuvoimanlähteisiin.

Nämä energiansäästöyksiköt tuottavat lämpöä tilan lämmitykseen ja käyttöveteen sekä sähköä, jota voidaan käyttää kotona ja syöttää takaisin sähköverkkoon. Hajautettuja sähköntuotantolähteitä voivat olla aurinkokennot ja mikrotuuliturbiinit. Nämä tekniikat ovat näkyviä ja laajalti tunnettuja, mutta niiden toiminta on riippuvaista sääolosuhteista, eivätkä ne pysty tuottamaan jatkuvasti sähköä ympäri vuoden. Lämpövoimalaitosten teho voi vaihdella alle 1 kW:sta 6 MW:iin ja enemmän.

Polttokennojen/kennojen käyttö jakeluverkoissa

Pienet lämpövoimalaitokset on suunniteltu toimimaan hajautetussa sähköntuotantoverkossa, joka koostuu suuresta määrästä pieniä generaattoreita yhden keskitetyn voimalaitoksen sijaan.

Alla olevasta kuvasta näkyy sähköntuotannon hyötysuhteen menetys, kun se tuotetaan CHP:llä ja siirretään koteihin tällä hetkellä käytössä olevien perinteisten siirtoverkkojen kautta. Aluetuotannon hyötysuhdehäviöitä ovat voimalaitoksen häviöt, pien- ja suurjännitesiirrot sekä jakeluhäviöt.

Kuvassa on pienten lämpövoimalaitosten integroinnin tulokset: sähköä tuotetaan käyttöpisteessä jopa 60 %:n hyötysuhteella. Lisäksi kotitalous voi käyttää polttokennojen tuottamaa lämpöä veden ja tilan lämmitykseen, mikä lisää polttoaineen energian käsittelyn kokonaistehokkuutta ja parantaa energiansäästöä.

Polttokennojen käyttö ympäristön suojelemiseksi – siihen liittyvän öljykaasun käyttö

Yksi öljyteollisuuden tärkeimmistä tehtävistä on siihen liittyvän öljykaasun hyödyntäminen. Nykyisillä menetelmillä siihen liittyvän öljykaasun hyödyntämiseksi on monia haittoja, joista suurin on se, että ne eivät ole taloudellisesti kannattavia. Siihen liittyvää öljykaasua poltetaan, mikä aiheuttaa suurta haittaa ympäristölle ja ihmisten terveydelle.

Innovatiiviset polttokennolämpö- ja voimalaitokset, jotka käyttävät polttoaineena öljykaasua, avaavat tien radikaalille ja kustannustehokkaalle ratkaisulle siihen liittyvän öljykaasun hyödyntämisen ongelmiin.

1. Yksi polttokennolaitteistojen tärkeimmistä eduista on, että ne voivat toimia luotettavasti ja kestävästi vaihtelevan koostumuksen mukaan liittyvällä öljykaasulla. Polttokennon toiminnan taustalla olevasta liekettömästä kemiallisesta reaktiosta johtuen esimerkiksi metaanin prosenttiosuuden pieneneminen aiheuttaa vain vastaavan tehon pienenemisen.
2. Joustavuus suhteessa kuluttajien sähkökuormaan, differentiaaliin, kuormitusaaltoon.
3. Lämpövoimalaitosten asentamiseen ja kytkemiseen polttokennoille niiden toteuttaminen ei vaadi pääomakustannuksia, koska Yksiköt on helppo asentaa valmistelemattomiin paikkoihin peltojen lähelle, ne ovat helppokäyttöisiä, luotettavia ja tehokkaita.
4. Korkea automaatio ja moderni kauko-ohjaus eivät vaadi jatkuvaa henkilöstön läsnäoloa tehtaalla.
5. Suunnittelun yksinkertaisuus ja tekninen täydellisyys: liikkuvien osien, kitkan ja voitelujärjestelmien puuttuminen tarjoaa merkittäviä taloudellisia etuja polttokennoasennuksien toiminnasta.
6. Vedenkulutus: ei lainkaan ympäristön lämpötiloissa +30 °C asti ja merkityksetön korkeammissa lämpötiloissa.
7. Veden ulostulo: ei ole.
8. Lisäksi polttokennolämpövoimalaitokset eivät aiheuta melua, eivät tärise,

Polttokennot ovat tapa muuttaa sähkökemiallisesti vetypolttoaineenergiaa sähköksi, ja tämän prosessin ainoa sivutuote on vesi.

Polttokennoissa tällä hetkellä käytettävä vetypolttoaine on yleensä peräisin metaanin höyryreformoinnista (eli hiilivetyjen muuntamisesta höyryn ja lämmön avulla metaaniksi), vaikka voi olla vihreämpikin lähestymistapa, kuten veden elektrolyysi aurinkoenergialla.

Polttokennon pääkomponentit ovat:

• anodi, jossa vety on hapetettu;
• katodi, jossa happi pelkistetään;
• polymeerielektrolyyttikalvo, jonka läpi protoneja tai hydroksidi-ioneja kuljetetaan (väliaineesta riippuen) - se ei päästä vetyä ja happea läpi;
• hapen ja vedyn virtauskentät, jotka vastaavat näiden kaasujen toimittamisesta elektrodille.

Esimerkiksi auton syöttämiseksi akkuun kootaan useita polttokennoja, ja tämän akun toimittaman energian määrä riippuu elektrodien kokonaispinta-alasta ja siinä olevien kennojen lukumäärästä. Polttokennossa energiaa syntyy seuraavasti: vety hapettuu anodilla ja siitä tulevat elektronit lähetetään katodille, jossa happi pelkistyy. Anodin vedyn hapettumisesta saaduilla elektroneilla on suurempi kemiallinen potentiaali kuin elektroneilla, jotka pelkistävät happea katodilla. Tämä elektronien kemiallisten potentiaalien välinen ero mahdollistaa energian erottamisen polttokennoista.

Luomisen historia

Polttokennojen historia ulottuu 1930-luvulle, jolloin William R. Grove suunnitteli ensimmäisen vetypolttokennon. Tämä kenno käytti rikkihappoa elektrolyyttinä. Grove yritti kerrostaa kuparia kuparisulfaatin vesiliuoksesta raudan pinnalle. Hän huomasi, että elektronivirran vaikutuksesta vesi hajoaa vedyksi ja hapeksi. Tämän löydön jälkeen Grove ja Christian Schoenbein, Baselin yliopiston (Sveitsi) kemisti, joka työskenteli rinnakkain hänen kanssaan, osoittivat vuonna 1839 samanaikaisesti mahdollisuuden tuottaa energiaa vety-happipolttokennossa käyttämällä hapanta elektrolyyttiä. Nämä varhaiset yritykset, vaikkakin luonteeltaan melko primitiiviset, herättivät useiden heidän aikalaistensa, mukaan lukien Michael Faraday, huomion.

Polttokennojen tutkimus jatkui, ja 1930-luvulla F.T. Bacon esitteli alkaliseen polttokennoon (yksi polttokennotyypeistä) uuden komponentin - ioninvaihtokalvon, joka helpottaa hydroksidi-ionien kuljetusta.

Yksi tunnetuimmista historiallisista esimerkeistä alkalisten polttokennojen käytöstä on niiden käyttö pääasiallisena energialähteenä avaruuslentojen aikana Apollo-ohjelmassa.

NASA valitsi ne kestävyyden ja teknisen vakauden vuoksi. He käyttivät hydroksidia johtavaa kalvoa, joka oli tehokkaampi kuin sen protoninvaihtosisar.

Ensimmäisen polttokennoprototyypin luomisen jälkeen lähes kahden vuosisadan ajan on tehty paljon työtä niiden parantamiseksi. Yleensä polttokennon lopullinen energia riippuu redox-reaktion kinetiikasta, kennon sisäisestä resistanssista sekä reagoivien kaasujen ja ionien massansiirrosta katalyyttisesti aktiivisiin komponentteihin. Vuosien varrella alkuperäiseen ideaan on tehty monia parannuksia, kuten:

1) platinalankojen korvaaminen elektrodeilla, jotka perustuvat hiileen platinananohiukkasilla; 2) korkean johtavuuden ja selektiivisyyden omaavien kalvojen, kuten Nafionin, keksiminen ionien kuljetuksen helpottamiseksi; 3) yhdistetään katalyyttinen kerros, esimerkiksi platinananohiukkaset, jotka ovat jakautuneet hiilipohjan päälle, ioninvaihtokalvojen kanssa, jolloin saadaan kalvoelektrodiyksikkö, jolla on pienin sisäinen vastus; 4) virtauskenttien käyttö ja optimointi vedyn ja hapen kuljettamiseksi katalyyttipinnalle sen sijaan, että ne laimennettaisiin suoraan liuokseen.

Nämä ja muut parannukset johtivat lopulta tekniikkaan, joka oli tarpeeksi tehokas käytettäväksi ajoneuvoissa, kuten Toyota Miraissa.

Polttokennot hydroksidinvaihtokalvoilla

Delawaren yliopistossa tehdään tutkimusta hydroksidinvaihtokalvoilla varustettujen polttokennojen – HEMFC:iden (hydroksidinvaihtokalvon polttokennojen) – kehityksestä. Polttokennot, joissa on hydroksidinvaihtokalvot protoninvaihtokalvojen sijaan - PEMFC:t (protoninvaihtomembraanipolttokennot) - kohtaavat vähemmän PEMFC:n suuria ongelmia - katalyytin stabiilisuuden ongelma, koska monet perusmetallikatalyytit ovat stabiileja emäksisessä ympäristössä kuin happamassa. Katalyyttien stabiilisuus alkalisissa liuoksissa on korkeampi johtuen siitä, että metallien liukeneminen vapauttaa enemmän energiaa alhaisessa pH:ssa kuin korkeassa pH:ssa. Suurin osa työstä tässä laboratoriossa on myös omistettu uusien anodisten ja katodisten katalyyttien kehittämiseen vedyn hapetus- ja hapen pelkistysreaktioihin niiden nopeuttamiseksi entistä tehokkaammin. Lisäksi laboratorio kehittää uusia hydroksidinvaihtokalvoja, sillä tällaisten kalvojen johtavuutta ja kestävyyttä on vielä parannettava voidakseen kilpailla protoninvaihtokalvojen kanssa.

Etsi uusia katalyyttejä

Syy ylijännitehäviöille hapen pelkistysreaktiossa selittyy tämän reaktion välituotteiden välisillä lineaarisilla mittakaavasuhteilla. Tämän reaktion perinteisessä neljän elektronin mekanismissa happi pelkistyy peräkkäin, jolloin syntyy välituotteita - OOH*, O* ja OH*, jolloin lopulta muodostuu vettä (H2O) katalyyttipinnalle. Koska yksittäisen katalyytin välituotteiden adsorptioenergiat korreloivat voimakkaasti keskenään, ei ole vielä löydetty katalyyttiä, jolla ei ainakaan teoriassa olisi ylijännitehäviöitä. Vaikka tämän reaktion nopeus on alhainen, vaihtaminen happamasta väliaineesta alkaliseen väliaineeseen, kuten HEMFC:ssä, ei vaikuta siihen paljon. Vedyn hapetusreaktion nopeus on kuitenkin lähes puolittunut, ja tämä tosiasia motivoi tutkimusta, jonka tavoitteena on löytää syy tähän vähenemiseen ja uusien katalyyttien löytämiseen.

Polttokennojen edut

Toisin kuin hiilivetypolttoaineet, polttokennot ovat ympäristöystävällisempiä, elleivät täydellisesti, eivätkä tuota toimintansa seurauksena kasvihuonekaasuja. Lisäksi niiden polttoaine (vety) on periaatteessa uusiutuvaa, koska sitä voidaan saada vettä hydrolysoimalla. Näin ollen vetypolttokennot lupaavat tulevaisuudessa tulla täysimääräiseksi osaksi energiantuotantoprosessia, jossa aurinko- ja tuulienergialla tuotetaan vetypolttoainetta, jota sitten polttokennossa tuotetaan vettä. Siten kierto on suljettu eikä hiilijalanjälkeä jää.

Toisin kuin ladattavat akut, polttokennoissa on se etu, että niitä ei tarvitse ladata uudelleen - ne voivat aloittaa energian toimittamisen heti, kun sitä tarvitaan. Eli jos niitä sovelletaan esimerkiksi ajoneuvojen alalla, kuluttajan puolelta ei tule juuri mitään muutoksia. Toisin kuin aurinko- ja tuulienergia, polttokennot voivat tuottaa energiaa jatkuvasti ja ovat paljon vähemmän riippuvaisia ​​ulkoisista olosuhteista. Maalämpöä on puolestaan ​​saatavilla vain tietyillä maantieteellisillä alueilla, kun taas polttokennoissa tätä ongelmaa ei ole.

Vetypolttokennot ovat yksi lupaavimpia energialähteitä siirrettävyyden ja mittakaavajoustavuutensa ansiosta.

Vedyn varastoinnin monimutkaisuus

Nykyisten kalvojen ja katalyyttien puutteisiin liittyvien ongelmien lisäksi vetypolttoaineen varastointiin ja kuljetukseen liittyy muita polttokennojen teknisiä ongelmia. Vedyn ominaisenergia tilavuusyksikköä kohti (energian määrä tilavuusyksikköä kohti tietyssä lämpötilassa ja paineessa) on erittäin alhainen, ja siksi se on varastoitava erittäin korkeassa paineessa, jotta sitä voidaan käyttää ajoneuvoissa. Muuten tarvittavan polttoainemäärän säilyttämiseen tarvittavan säiliön koko on mahdottoman suuri. Näiden vedyn varastoinnin rajoitusten vuoksi on yritetty löytää tapoja tuottaa vetyä jostain muusta kuin sen kaasumaisesta muodosta, kuten metallihydridipolttokennoista. Nykyiset kuluttajien polttokennosovellukset, kuten Toyota Mirai, käyttävät kuitenkin ylikriittistä vetyä (vetyä, jonka lämpötila on yli 33 K ja paine yli 13,3 ilmakehää eli kriittisten arvojen yläpuolella), ja tämä on nyt kätevin vaihtoehto.

Alueen näkökulmat

Nykyisten teknisten vaikeuksien ja vedyn saamiseksi vedestä aurinkoenergialla liittyvien ongelmien vuoksi lähitulevaisuudessa tutkimus keskittyy todennäköisesti lähinnä vaihtoehtoisten vedyn lähteiden löytämiseen. Yksi suosittu idea on käyttää ammoniakkia (vetynitridiä) suoraan polttokennossa vedyn sijasta tai valmistaa vetyä ammoniakista. Syynä tähän on se, että ammoniakki on vähemmän vaativa paineen suhteen, mikä tekee sen varastoinnista ja siirtämisestä helpompaa. Lisäksi ammoniakki on houkutteleva vedyn lähteenä, koska se ei sisällä hiiltä. Tämä ratkaisee katalyyttimyrkytysongelman, joka johtuu jonkin verran hiilidioksidista metaanista valmistetussa vedyssä.

Tulevaisuudessa polttokennoille saattaa löytyä laajoja käyttökohteita ajoneuvotekniikassa ja hajautettuna energiantuotannossa, esimerkiksi asuinalueilla. Huolimatta siitä, että tällä hetkellä polttokennojen käyttö pääasiallisena energianlähteenä vaatii paljon rahaa, jos halvempia ja tehokkaampia katalyyttejä, stabiileja korkean johtavuuden omaavia kalvoja ja vaihtoehtoisia vedyn lähteitä löytyy, vetypolttokennoista voi tulla erittäin taloudellisesti houkutteleva.

Polttokenno on sähkökemiallinen energian muunnoslaite, joka muuttaa vedyn ja hapen sähköksi kemiallisen reaktion kautta. Tämän prosessin seurauksena muodostuu vettä ja vapautuu suuri määrä lämpöä. Polttokenno on hyvin samanlainen kuin akku, joka voidaan ladata ja käyttää sitten sähköenergian varastointiin.
Polttokennon keksijä on William R. Grove, joka keksi sen jo vuonna 1839. Tässä polttokennossa käytettiin elektrolyyttinä rikkihapon liuosta ja polttoaineena vetyä, joka yhdistettiin hapen kanssa hapetusväliaineessa. . On huomattava, että viime aikoihin asti polttokennoja käytettiin vain laboratorioissa ja avaruusaluksissa.
Tulevaisuudessa polttokennot pystyvät kilpailemaan monien muiden energian muunnosjärjestelmien (mukaan lukien voimalaitosten kaasuturbiinit), autojen polttomoottoreiden ja kannettavien laitteiden sähköakkujen kanssa. Polttomoottorit polttavat polttoainetta ja käyttävät palamiskaasujen laajenemisen aiheuttamaa painetta mekaaniseen työhön. Akut varastoivat sähköenergiaa ja muuttavat sen sitten kemialliseksi energiaksi, joka voidaan tarvittaessa muuntaa takaisin sähköenergiaksi. Polttokennot ovat mahdollisesti erittäin tehokkaita. Jo vuonna 1824 ranskalainen tiedemies Carnot osoitti, että polttomoottorin puristus-laajenemisjaksot eivät voi taata lämpöenergian (joka on palavan polttoaineen kemiallinen energia) muuttamista mekaaniseksi energiaksi yli 50%. Polttokennossa ei ole liikkuvia osia (ei ainakaan itse kennon sisällä), joten ne eivät noudata Carnotin lakia. Niiden hyötysuhde on luonnollisesti yli 50 %, ja ne ovat erityisen tehokkaita pienillä kuormituksilla. Näin ollen polttokennoajoneuvot ovat valmiita (ja ovat jo osoittautuneet) polttoainetehokkaampia kuin perinteiset ajoneuvot todellisissa ajo-olosuhteissa.
Polttokenno tuottaa tasavirtaa, jota voidaan käyttää sähkömoottorin, valaisimien ja muiden ajoneuvon sähköjärjestelmien ohjaamiseen. Polttokennoja on useita tyyppejä, jotka eroavat käytetyistä kemiallisista prosesseista. Polttokennot luokitellaan yleensä käytetyn elektrolyytin tyypin mukaan. Jotkut polttokennotyypit ovat lupaavia käytettäväksi voimalaitoksissa, kun taas toiset voivat olla hyödyllisiä pienissä kannettavissa laitteissa tai autoissa.
Alkalinen polttokenno on yksi varhaisimmista kehitetyistä elementeistä. Yhdysvaltain avaruusohjelma on käyttänyt niitä 1960-luvulta lähtien. Tällaiset polttokennot ovat erittäin herkkiä kontaminaatiolle ja vaativat siksi erittäin puhdasta vetyä ja happea. Lisäksi ne ovat erittäin kalliita, ja siksi tämän tyyppisille polttokennoille ei todennäköisesti löydy laajaa käyttöä autoissa.
Fosforihappopohjaisia ​​polttokennoja voidaan käyttää kiinteissä pienitehoisissa asennuksissa. Ne toimivat melko korkeissa lämpötiloissa ja siksi lämpenevät pitkään, mikä tekee niistä myös tehottomia autoissa.
Kiinteät oksidipolttokennot sopivat paremmin suuriin kiinteisiin sähkögeneraattoreihin, jotka voisivat tuottaa sähköä tehtaille tai yhteisöille. Tämäntyyppinen polttokenno toimii erittäin korkeissa lämpötiloissa (noin 1000 °C). Korkea käyttölämpötila aiheuttaa tiettyjä ongelmia, mutta toisaalta siinä on etu - polttokennon tuottama höyry voidaan lähettää turbiineille lisäämään sähköä. Kaiken kaikkiaan tämä parantaa järjestelmän yleistä tehokkuutta.
Yksi lupaavimmista järjestelmistä on protoninvaihtokalvopolttokenno - POMFC (PEMFC - Protone Exchange Membrane Fuel Cell). Tällä hetkellä tämäntyyppinen polttokenno on lupaavin, koska sillä voidaan kuljettaa autoja, busseja ja muita ajoneuvoja.

Kemialliset prosessit polttokennossa

Polttokennoissa käytetään sähkökemiallista prosessia vedyn ja ilman hapen yhdistämiseksi. Kuten akut, polttokennot käyttävät elektrodeja (kiinteitä sähköjohtimia) elektrolyytissä (sähköä johtavassa väliaineessa). Kun vetymolekyylit joutuvat kosketuksiin negatiivisen elektrodin (anodin) kanssa, jälkimmäinen erotetaan protoneiksi ja elektroneiksi. Protonit kulkevat protoninvaihtokalvon (POM) läpi polttokennon positiiviselle elektrodille (katodille) tuottaen sähköä. Vety- ja happimolekyylien kemiallinen yhdistelmä muodostaa vettä tämän reaktion sivutuotteena. Ainoa polttokennon päästötyyppi on vesihöyry.
Polttokennojen tuottamaa sähköä voidaan käyttää ajoneuvon sähköisessä voimansiirrossa (joka koostuu sähkötehonmuuntimesta ja vaihtovirta-oikosulkumoottorista) tuottamaan mekaanista energiaa ajoneuvon kuljettamiseen. Tehonmuuntimen tehtävänä on muuntaa polttokennojen tuottama tasavirta vaihtovirraksi, jota ajoneuvon vetomoottori käyttää.

Kaavio polttokennosta, jossa on protoninvaihtokalvo:
1 - anodi;
2 - protoninvaihtokalvo (REM);
3 - katalyytti (punainen);
4 - katodi

Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) käyttää yhtä polttokennon yksinkertaisimmista reaktioista.

Erillinen polttokenno

Mieti, kuinka polttokenno toimii. Anodi, polttokennon negatiivinen napa, johtaa elektronit, jotka vapautetaan vetymolekyyleistä, jotta niitä voidaan käyttää ulkoisessa sähköpiirissä (piirissä). Tätä varten siihen kaiverretaan kanavia, jotka jakavat vetyä tasaisesti katalyytin koko pinnalle. Katodissa (polttokennon positiivinen napa) on kaiverretut kanavat, jotka jakavat happea katalyytin pinnalle. Se myös johtaa elektroneja takaisin ulkopiiristä (piiristä) katalyytiin, jossa ne voivat yhdistyä vetyionien ja hapen kanssa muodostaen vettä. Elektrolyytti on protoninvaihtokalvo. Tämä on erityinen materiaali, joka on samanlainen kuin tavallinen muovi, mutta jolla on kyky läpäistä positiivisesti varautuneita ioneja ja estää elektronien kulkua.
Katalyytti on erityinen materiaali, joka helpottaa hapen ja vedyn välistä reaktiota. Katalyytti valmistetaan yleensä platinajauheesta, joka on kerrostettu erittäin ohuena kerroksena hiilipaperille tai kankaalle. Katalyytin tulee olla karkea ja huokoinen, jotta sen pinta voi joutua kosketuksiin vedyn ja hapen kanssa mahdollisimman paljon. Katalyytin platinapinnoitettu puoli on protoninvaihtokalvon (POM) edessä.
Vetykaasua (H 2 ) syötetään polttokennoon paineen alaisena anodipuolelta. Kun H2-molekyyli joutuu kosketuksiin katalyytin platinan kanssa, se jakautuu kahteen osaan, kahdeksi ioniksi (H+) ja kahdeksi elektroniksi (e–). Elektronit johdetaan anodin läpi, jossa ne kulkevat ulkoisen piirin (piirin) läpi tehden hyödyllistä työtä (esim. ajaa sähkömoottoria) ja palaamalla polttokennon katodipuolelta.
Samaan aikaan polttokennon katodipuolelta happikaasua (O 2 ) pakotetaan katalyytin läpi, jossa se muodostaa kaksi happiatomia. Jokaisella näistä atomeista on voimakas negatiivinen varaus, joka houkuttelee kaksi H+-ionia kalvon poikki, missä ne yhdistyvät happiatomin ja kahden ulkosilmukan (ketjun) elektronin kanssa muodostaen vesimolekyylin (H 2 O).
Tämä reaktio yhdessä polttokennossa tuottaa noin 0,7 watin tehon. Tehon nostamiseksi vaaditulle tasolle on tarpeen yhdistää useita yksittäisiä polttokennoja polttokennopinoksi.
POM-polttokennot toimivat suhteellisen alhaisessa lämpötilassa (noin 80°C), mikä tarkoittaa, että ne voidaan nopeasti lämmittää käyttölämpötilaan eivätkä vaadi kalliita jäähdytysjärjestelmiä. Näissä kennoissa käytetyn tekniikan ja materiaalien jatkuva parantaminen on tuonut niiden tehon lähemmäksi tasoa, jossa tällaisten polttokennojen akku, joka vie pienen osan auton tavaratilasta, voi tarjota auton ajamiseen tarvittavan energian.
Useimmat maailman johtavista autonvalmistajista ovat viime vuosina investoineet voimakkaasti polttokennoja käyttävien automallien kehittämiseen. Monet ovat jo osoittaneet polttokennoajoneuvoja, joilla on tyydyttävä teho ja dynaamiset ominaisuudet, vaikka ne olivatkin melko kalliita.
Tällaisten autojen suunnittelun parantaminen on erittäin intensiivistä.

Polttokennoauto, käyttää ajoneuvon lattian alla sijaitsevaa voimalaitosta

NECAR V -ajoneuvo perustuu Mercedes-Benz A-luokan ajoneuvoon, ja koko voimalaitos polttokennoineen sijaitsee ajoneuvon lattian alla. Tällainen rakentava ratkaisu mahdollistaa neljän matkustajan ja matkatavaroiden sijoittamisen autoon. Täällä ei käytetä vetyä, vaan metanolia auton polttoaineena. Metanoli muunnetaan reformerin (laite, joka muuttaa metanolin vedyksi) avulla vedyksi, joka on välttämätöntä polttokennon tehon saamiseksi. Reformerin käyttö autossa mahdollistaa lähes minkä tahansa hiilivedyn käytön polttoaineena, mikä mahdollistaa polttokennoauton tankkauksen olemassa olevan tankkausasemaverkoston avulla. Teoriassa polttokennot eivät tuota muuta kuin sähköä ja vettä. Polttoaineen (bensiini tai metanoli) muuntaminen polttokennon vaatimaksi vedyksi vähentää jonkin verran tällaisen ajoneuvon ympäristöystävällisyyttä.
Honda, joka on ollut polttokennoliiketoiminnassa vuodesta 1989, valmisti pienen erän Honda FCX-V4 -ajoneuvoja vuonna 2003 Ballardin protoninvaihtokalvotyyppisillä polttokennoilla. Nämä polttokennot tuottavat 78 kW sähkötehoa ja vetopyörien ajamiseen käytetään vetomoottoreita, joiden teho on 60 kW ja vääntömomentti 272 Nm. Sen dynamiikka on erinomainen ja puristetun vedyn syöttö mahdollistaa ajon. 355 km asti.

Honda FCX käyttää polttokennovoimaa ajaakseen itsensä.
Honda FCX on maailman ensimmäinen polttokennoajoneuvo, joka on saanut valtion sertifioinnin Yhdysvalloissa. Auto on ZEV-sertifioitu - Zero Emission Vehicle (nolla saastuttava ajoneuvo). Honda ei aio vielä myydä näitä autoja, mutta vuokraa noin 30 autoa yksikköä kohden. Kaliforniassa ja Tokiossa, joissa vetypolttoaineen infrastruktuuri on jo olemassa.

General Motorsin Hy Wire -konseptiautossa on polttokennovoimalaitos

General Motors tekee laajaa tutkimusta polttokennoajoneuvojen kehittämisestä ja luomisesta.

Hy langallinen ajoneuvon alusta

GM Hy Wire -konseptiauto on saanut 26 patenttia. Auton perusta on toimiva alusta, jonka paksuus on 150 mm. Alustan sisällä ovat vetysylinterit, polttokennovoimalaitos ja ajoneuvojen ohjausjärjestelmät, joissa käytetään uusinta elektronista langallista ohjaustekniikkaa. Hy Wire -auton alusta on ohut alusta, joka sisältää kaikki auton tärkeimmät rakenneosat: vetysylinterit, polttokennot, akut, sähkömoottorit ja ohjausjärjestelmät. Tämä suunnittelutapa mahdollistaa auton korien vaihdon käytön aikana, yritys testaa myös kokeellisia Opel-polttokennoautoja ja suunnittelee polttokennojen tuotantolaitoksen.

"Turvallisen" polttoainesäiliön suunnittelu nesteytetylle vedylle:
1 - täyttölaite;
2 - ulompi säiliö;
3 - tuet;
4 - tasoanturi;
5 - sisäinen säiliö;
6 - täyttölinja;
7 - eristys ja tyhjiö;
8 - lämmitin;
9 - asennuslaatikko

BMW on kiinnittänyt paljon huomiota vedyn käyttöön autojen polttoaineena. Yhdessä Magna Steyerin kanssa, joka tunnetaan työstään nesteytetyn vedyn käyttämiseksi avaruustutkimuksessa, BMW on kehittänyt nesteytetyn vetypolttoainesäiliön, jota voidaan käyttää autoissa.

Testit ovat vahvistaneet nestemäisen vedyn sisältävän polttoainesäiliön käytön turvallisuuden

Yritys suoritti sarjan rakenteen turvallisuutta koskevia testejä standardimenetelmin ja vahvisti sen luotettavuuden.
Vuonna 2002 Frankfurtin autonäyttelyssä (Saksa) esiteltiin Mini Cooper Hydrogen, joka käyttää polttoaineena nesteytettyä vetyä. Tämän auton polttoainesäiliö vie saman tilan kuin tavallinen kaasusäiliö. Vetyä ei käytetä tässä autossa polttokennoissa, vaan polttomoottoreiden polttoaineena.

Maailman ensimmäinen massatuotantoauto, jossa on polttokenno akun sijaan

Vuonna 2003 BMW ilmoitti tuovansa markkinoille ensimmäisen massatuotannon polttokennoajoneuvon, BMW 750 hL:n. Polttokennoakkua käytetään perinteisen akun sijaan. Tässä autossa on 12-sylinterinen vedyllä toimiva polttomoottori, ja polttokenno toimii vaihtoehtona perinteiselle akulle, jolloin ilmastointilaite ja muut kuluttajat voivat toimia, kun auto on pysäköity pitkään moottori sammutettuna.

Vetytankkauksen suorittaa robotti, kuljettaja ei ole mukana tässä prosessissa

Sama yritys BMW on myös kehittänyt robottipolttoaineautomaatteja, jotka mahdollistavat nopean ja turvallisen autojen tankkauksen nesteytetyllä vedyllä.
Se, että viime vuosina on ilmaantunut useita vaihtoehtoisia polttoaineita käyttävien ajoneuvojen ja vaihtoehtoisten voimalaitosten kehittämiseen tähtääviä kehityshankkeita, osoittaa, että polttomoottorit, jotka hallitsivat autoja viime vuosisadan ajan, väistyvät lopulta puhtaammille, tehokkaammille ja hiljaisemmille malleille. Niiden laajaa käyttöä eivät tällä hetkellä estä tekniset vaan pikemminkin taloudelliset ja sosiaaliset ongelmat. Niiden laajaa käyttöä varten on tarpeen luoda tietty infrastruktuuri vaihtoehtoisten polttoaineiden tuotannon kehittämiseksi, uusien huoltoasemien perustamiseksi ja jakeluksi sekä useiden psykologisten esteiden voittamiseksi. Vedyn käyttö ajoneuvojen polttoaineena edellyttää varastointi-, toimitus- ja jakeluongelmien ratkaisemista ja vakavia turvallisuustoimenpiteitä.
Teoriassa vetyä on saatavilla rajattomasti, mutta sen tuotanto on erittäin energiaintensiivistä. Lisäksi, jotta autot muutetaan toimimaan vetypolttoaineella, sähköjärjestelmään on tehtävä kaksi suurta muutosta: ensin siirrettävä sen toiminta bensiinistä metanoliin ja sitten jonkin aikaa vetyyn. Kestää jonkin aikaa, ennen kuin tämä ongelma ratkaistaan.

Kuvaus:

Tässä artikkelissa käsitellään yksityiskohtaisemmin niiden rakennetta, luokittelua, etuja ja haittoja, laajuutta, tehokkuutta, luomishistoriaa ja nykyaikaisia ​​​​käyttönäkymiä.

Polttokennojen käyttö rakennusten energianlähteenä

Osa 1

Tässä artikkelissa käsitellään yksityiskohtaisemmin polttokennojen toimintaperiaatetta, niiden suunnittelua, luokittelua, etuja ja haittoja, laajuutta, tehokkuutta, luomishistoriaa ja nykyaikaisia ​​​​käyttönäkymiä. Artikkelin toisessa osassa, joka julkaistaan ​​seuraavassa ABOK-lehden numerossa, tarjoaa esimerkkejä tiloista, joissa lämmön ja sähkön (tai vain sähkön) lähteenä käytettiin erilaisia ​​polttokennoja.

Johdanto

Polttokennot ovat erittäin tehokas, luotettava, kestävä ja ympäristöystävällinen tapa tuottaa energiaa.

Alun perin vain avaruusteollisuudessa käytettyjä polttokennoja käytetään nykyään yhä useammin monilla aloilla - kuten kiinteissä voimalaitoksissa, rakennusten lämmön- ja sähkönjakelussa, ajoneuvojen moottoreissa, kannettavien tietokoneiden ja matkapuhelimien virtalähteissä. Osa näistä laitteista on laboratorioprototyyppejä, osa on esisarjan testauksessa tai niitä käytetään esittelytarkoituksiin, mutta monet mallit ovat massatuotettuja ja niitä käytetään kaupallisissa projekteissa.

Polttokenno (sähkökemiallinen generaattori) on laite, joka muuntaa polttoaineen (vedyn) kemiallisen energian sähköenergiaksi suoraan sähkökemiallisen reaktion aikana, toisin kuin perinteiset tekniikat, joissa käytetään kiinteiden, nestemäisten ja kaasumaisten polttoaineiden polttoa. Polttoaineen suora sähkökemiallinen muuntaminen on ympäristön kannalta erittäin tehokasta ja houkuttelevaa, koska käytön aikana vapautuu mahdollisimman vähän epäpuhtauksia eikä esiinny voimakkaita ääniä ja tärinää.

Käytännön näkökulmasta polttokenno muistuttaa tavallista galvaanista akkua. Ero on siinä, että akku on aluksi ladattu, eli täytetty "polttoaineella". Käytön aikana "polttoainetta" kuluu ja akku tyhjenee. Toisin kuin akku, polttokenno käyttää ulkoisesta lähteestä tulevaa polttoainetta sähköenergian tuottamiseen (kuva 1).

Sähköenergian tuotantoon voidaan käyttää paitsi puhdasta vetyä myös muita vetyä sisältäviä raaka-aineita, kuten maakaasua, ammoniakkia, metanolia tai bensiiniä. Hapen lähteenä käytetään tavallista ilmaa, joka on myös välttämätöntä reaktiolle.

Kun polttoaineena käytetään puhdasta vetyä, reaktiotuotteet ovat sähköenergian lisäksi lämpöä ja vettä (tai vesihöyryä), eli ilmakehään ei pääse ilman pilaantumista tai kasvihuoneilmiötä aiheuttavia kaasuja. Jos polttoaineena käytetään vetyä sisältävää raaka-ainetta, kuten maakaasua, reaktion sivutuotteena syntyy muita kaasuja, kuten hiilen ja typen oksideja, mutta sen määrä on paljon pienempi kuin samaa poltettaessa. maakaasun määrä.

Polttoaineen kemiallista muuntamista vedyn tuottamiseksi kutsutaan reformoinniksi ja vastaavaa laitetta kutsutaan reformeriksi.

Polttokennojen edut ja haitat

Polttokennot ovat energiatehokkaampia kuin polttomoottorit, koska polttokennojen energiatehokkuudelle ei ole termodynaamisia rajoituksia. Polttokennojen hyötysuhde on 50 %, kun taas polttomoottoreiden hyötysuhde on 12-15 %, ja höyryturbiinivoimaloiden hyötysuhde ei ylitä 40 %. Lämpöä ja vettä käyttämällä polttokennojen hyötysuhde kasvaa entisestään.

Toisin kuin esimerkiksi polttomoottoreissa, polttokennojen hyötysuhde säilyy erittäin korkeana, vaikka ne eivät toimi täydellä teholla. Lisäksi polttokennojen tehoa voidaan lisätä yksinkertaisesti lisäämällä erillisiä lohkoja, kun taas hyötysuhde ei muutu, eli suuret asennukset ovat yhtä tehokkaita kuin pienetkin. Nämä olosuhteet mahdollistavat erittäin joustavan laitteiston koostumuksen valinnan asiakkaan toiveiden mukaisesti ja johtavat viime kädessä laitekustannusten alenemiseen.

Polttokennojen tärkeä etu on niiden ympäristöystävällisyys. Polttokennojen päästöt ilmaan ovat niin alhaiset, että joillakin alueilla Yhdysvalloissa ne eivät vaadi erityislupia valtion ilmanlaatuvirastoilta.

Polttokennot voidaan sijoittaa suoraan rakennukseen, mikä vähentää energian kuljetuksen aikana aiheutuvia häviöitä ja reaktiossa syntyvää lämpöä voidaan käyttää lämmön tai kuuman veden toimittamiseen rakennukseen. Autonomiset lämmön- ja sähkönjakelun lähteet voivat olla erittäin hyödyllisiä syrjäisillä alueilla ja alueilla, joille on ominaista sähkön puute ja korkea hinta, mutta samalla on vetyä sisältävien raaka-aineiden (öljy, maakaasu) varantoja. .

Polttokennojen etuja ovat myös polttoaineen saatavuus, luotettavuus (polttokennossa ei ole liikkuvia osia), kestävyys ja helppokäyttöisyys.

Yksi polttokennojen suurimmista puutteista nykyään on niiden suhteellisen korkea hinta, mutta tämä puute voidaan korjata pian - yhä useammat yritykset valmistavat kaupallisia polttokennojen näytteitä, niitä parannetaan jatkuvasti ja niiden kustannukset laskevat.

Tehokkain puhtaan vedyn käyttö polttoaineena edellyttää kuitenkin erityisen infrastruktuurin luomista sen tuotantoa ja kuljetusta varten. Tällä hetkellä kaikki kaupalliset mallit käyttävät maakaasua ja vastaavia polttoaineita. Moottoriajoneuvot voivat käyttää tavallista bensiiniä, mikä mahdollistaa olemassa olevan kehittyneen huoltoasemaverkoston ylläpitämisen. Tällaisen polttoaineen käyttö johtaa kuitenkin haitallisiin päästöihin ilmakehään (vaikkakin hyvin alhaisina) ja monimutkaistaa (ja siten nostaa) polttokennoa. Tulevaisuudessa harkitaan mahdollisuutta käyttää ympäristöystävällisiä uusiutuvia energialähteitä (esim. aurinkoenergiaa tai tuulienergiaa) veden hajottamiseksi vedyksi ja hapeksi elektrolyysillä ja syntyvän polttoaineen muuntamiseksi polttokennoon. Tällaiset suljetussa kierrossa toimivat yhdistelmälaitokset voivat olla täysin ympäristöystävällinen, luotettava, kestävä ja tehokas energianlähde.

Toinen polttokennojen ominaisuus on, että ne ovat tehokkaimpia käytettäessä sekä sähkö- että lämpöenergiaa samanaikaisesti. Kaikissa laitoksissa ei kuitenkaan ole mahdollisuutta käyttää lämpöenergiaa. Jos polttokennoja käytetään vain sähköenergian tuottamiseen, niiden hyötysuhde laskee, vaikka se ylittää "perinteisten" laitosten tehokkuuden.

Polttokennojen historia ja nykyaikainen käyttö

Polttokennojen toimintaperiaate löydettiin vuonna 1839. Englantilainen tiedemies William Robert Grove (1811-1896) havaitsi, että elektrolyysiprosessi - veden hajoaminen vedyksi ja hapeksi sähkövirran avulla - on palautuva, eli vety ja happi voidaan yhdistää vesimolekyyleiksi ilman palamista, mutta lämmön ja sähkövirran vapautumisen kanssa. Grove kutsui laitetta, jossa tällainen reaktio suoritettiin, "kaasuakuksi", joka oli ensimmäinen polttokenno.

Polttokennoteknologian aktiivinen kehitys alkoi toisen maailmansodan jälkeen, ja se liittyy ilmailuteollisuuteen. Tuolloin etsittiin tehokasta ja luotettavaa, mutta samalla melko kompaktia energianlähdettä. 1960-luvulla NASA:n asiantuntijat (National Aeronautics and Space Administration, NASA) valitsivat polttokennot virtalähteeksi Apollon (miehitetyt lennot Kuuhun), Apollo-Sojuz-, Gemini- ja Skylab-ohjelmien avaruusaluksiin. Apollo käytti kolmea 1,5 kW:n yksikköä (2,2 kW huipputeho) käyttämällä kryogeenistä vetyä ja happea sähkön, lämmön ja veden tuottamiseen. Kunkin asennuksen massa oli 113 kg. Nämä kolme kennoa toimivat rinnakkain, mutta yhden yksikön tuottama energia riitti turvalliseen paluuseen. Polttokennoille on kertynyt 18 lennon aikana yhteensä 10 000 tuntia ilman vikoja. Tällä hetkellä polttokennoja käytetään avaruussukkulassa "Space Shuttle", joka käyttää kolmea teholtaan 12 W:n yksikköä, jotka tuottavat kaiken avaruusaluksessa olevan sähköenergian (kuva 2). Sähkökemiallisen reaktion tuloksena saatua vettä käytetään juomavetenä sekä jäähdytyslaitteissa.

Maassamme työstettiin myös polttokennojen luomista astronautiikassa käytettäväksi. Polttokennoja käytettiin esimerkiksi Neuvostoliiton Buran-avaruussukkulan voimanlähteenä.

Polttokennojen kaupallisen käytön menetelmien kehittäminen aloitettiin 1960-luvun puolivälissä. Nämä kehitystyöt rahoittivat osittain valtion järjestöt.

Tällä hetkellä polttokennojen käyttöä koskevien teknologioiden kehitys kulkee useisiin suuntiin. Tämä on kiinteiden polttokennovoimaloiden (sekä keskitettyä että hajautettua energiansyöttöä varten), ajoneuvojen voimalaitosten (polttokennoilla varustettujen autojen ja linja-autojen näytteitä on luotu, myös maassamme) (kuva 3) ja myös virtalähteitä erilaisille mobiililaitteille (kannettavat tietokoneet, matkapuhelimet jne.) (kuva 4).

Taulukossa on esimerkkejä polttokennojen käytöstä eri aloilla. yksi.

Yksi ensimmäisistä kaupallisista polttokennomalleista, jotka on suunniteltu rakennusten autonomiseen lämmön- ja sähkönsyöttöön, oli ONSI Corporationin (nykyisin United Technologies, Inc.) valmistama PC25 Model A. Tämä 200 kW:n nimellistehoinen polttokenno kuuluu kennotyyppiin, jossa on fosforihappopohjainen elektrolyytti (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC). Numero "25" mallin nimessä tarkoittaa mallin sarjanumeroa. Suurin osa aiemmista malleista oli kokeellisia tai koekappaleita, kuten 1970-luvulla ilmestynyt 12,5 kW "PC11"-malli. Uudet mallit lisäsivät yhdestä polttokennosta otettua tehoa ja alensivat myös tuotetun energian kilowattihintaa. Tällä hetkellä yksi tehokkaimmista kaupallisista malleista on PC25 Model C -polttokenno. Kuten malli "A", tämä on täysin automaattinen 200 kW PAFC-tyyppinen polttokenno, joka on suunniteltu asennettavaksi suoraan huollettavaan kohteeseen itsenäiseksi lämmön ja sähkön lähteeksi. Tällainen polttokenno voidaan asentaa rakennuksen ulkopuolelle. Ulkoisesti se on 5,5 m pitkä, 3 m leveä ja 3 m korkea suuntaissärmiö, joka painaa 18 140 kg. Erona aikaisempiin malleihin on parannettu uudistaja ja suurempi virrantiheys.

pöytä 1 Polttokennojen laajuus

Alue sovellukset Arvioitu tehoa Esimerkkejä käytöstä Paikallaan asennukset 5-250 kW ja korkeampi Autonomiset lämmön- ja sähkönlähteet asuin-, julkisiin ja teollisuusrakennuksiin, keskeytymättömät virtalähteet, vara- ja varavirtalähteet Kannettava asennukset 1-50 kW Liikennemerkit, kylmäkuorma-autot ja rautatiet, pyörätuolit, golfkärryt, avaruusalukset ja satelliitit mobiili asennukset 25-150 kW Autoja (prototyyppejä loivat mm. DaimlerCrysler, FIAT, Ford, General Motors, Honda, Hyundai, Nissan, Toyota, Volkswagen, VAZ), linja-autot (esim. MAN, Neoplan, Renault) ja muut ajoneuvot, sota- ja sukellusveneet Mikrolaitteet 1-500W Matkapuhelimet, kannettavat tietokoneet, PDA:t, erilaiset kulutuselektroniikkalaitteet, nykyaikaiset sotilaslaitteet

Joissakin polttokennotyypeissä kemiallinen prosessi voidaan kääntää päinvastaiseksi: kohdistamalla elektrodeihin potentiaaliero, vesi voidaan hajottaa vedyksi ja hapeksi, jotka kerätään huokoisille elektrodeille. Kun kuorma on kytketty, tällainen regeneratiivinen polttokenno alkaa tuottaa sähköenergiaa.

Lupaava suunta polttokennojen käytölle on niiden käyttö uusiutuvien energialähteiden, kuten aurinkopaneelien tai tuuliturbiinien, yhteydessä. Tämän tekniikan avulla voit välttää ilmansaasteet kokonaan. Vastaavanlainen järjestelmä suunnitellaan luovan esimerkiksi Adam Joseph Lewisin koulutuskeskukseen Oberlinissa (ks. ABOK, 2002, nro 5, s. 10). Tällä hetkellä aurinkopaneeleja käytetään yhtenä energialähteenä tässä rakennuksessa. Yhdessä NASAn asiantuntijoiden kanssa kehitettiin projekti aurinkosähköpaneeleilla tuottamaan vetyä ja happea vedestä elektrolyysillä. Vetyä käytetään sitten polttokennoissa sähköenergian ja kuuman veden tuottamiseen. Tämän ansiosta rakennus voi säilyttää kaikkien järjestelmien suorituskyvyn pilvisinä päivinä ja yöllä.

Polttokennojen toimintaperiaate

Tarkastellaan esimerkkinä polttokennon toimintaperiaatetta, jossa käytetään yksinkertaisinta protoninvaihtokalvolla varustettua elementtiä (Proton Exchange Membrane, PEM). Tällainen elementti koostuu polymeerikalvosta, joka on sijoitettu anodin (positiivinen elektrodi) ja katodin (negatiivinen elektrodi) väliin yhdessä anodin ja katodikatalyyttien kanssa. Elektrolyyttinä käytetään polymeerikalvoa. PEM-elementin kaavio on esitetty kuvassa. 5.

Protoninvaihtokalvo (PEM) on ohut (noin 2-7 arkkia tavallista paperia paksu) kiinteä orgaaninen yhdiste. Tämä kalvo toimii elektrolyyttinä: se erottaa aineen positiivisesti ja negatiivisesti varautuneiksi ioneiksi veden läsnä ollessa.

Hapettumisprosessi tapahtuu anodilla ja pelkistysprosessi katodilla. PEM-kennon anodi ja katodi on valmistettu huokoisesta materiaalista, joka on hiili- ja platinahiukkasten seos. Platina toimii katalysaattorina, joka edistää dissosiaatioreaktiota. Anodi ja katodi on tehty huokoisiksi vedyn ja hapen vapaata kulkua varten niiden läpi.

Anodi ja katodi sijoitetaan kahden metallilevyn väliin, jotka syöttävät vetyä ja happea anodille ja katodille sekä poistavat lämpöä ja vettä sekä sähköenergiaa.

Vetymolekyylit kulkevat levyssä olevien kanavien kautta anodille, jossa molekyylit hajoavat yksittäisiksi atomeiksi (kuva 6).

	Kuva 5 () Protoninvaihtokalvon (PEM) polttokennon kaavio
	Kuva 6 () Vetymolekyylit pääsevät levyn kanavien kautta anodille, jossa molekyylit hajoavat yksittäisiksi atomeiksi
	Kuva 7 () Katalyytin läsnä ollessa tapahtuvan kemisorption seurauksena vetyatomit muuttuvat protoneiksi
	Kuva 8 () Positiivisesti varautuneet vetyionit diffundoituvat kalvon läpi katodille, ja elektronivirta ohjataan katodille ulkoisen sähköpiirin kautta, johon kuorma on kytketty.
	Kuva 9 () Katodille syötetty happi menee katalyytin läsnä ollessa kemialliseen reaktioon protoninvaihtokalvon vetyionien ja ulkoisen sähköpiirin elektronien kanssa. Vettä muodostuu kemiallisen reaktion seurauksena

Sitten katalyytin läsnä ollessa tapahtuvan kemisorption seurauksena vetyatomit, joista kukin luovuttaa yhden elektronin e-, muuttuvat positiivisesti varautuneiksi vetyioneiksi H+, eli protoneiksi (kuvio 7).

Positiivisesti varautuneet vetyionit (protonit) diffundoituvat kalvon läpi katodille, ja elektronivirta ohjataan katodille ulkoisen sähköpiirin kautta, johon kuorma (sähköenergian kuluttaja) on kytketty (kuva 8).

Katodille syötetty happi menee katalyytin läsnä ollessa kemialliseen reaktioon protoninvaihtokalvon vetyionien (protonien) ja ulkoisesta sähköpiiristä tulevien elektronien kanssa (kuva 9). Kemiallisen reaktion seurauksena muodostuu vettä.

Kemiallinen reaktio muun tyyppisessä polttokennossa (esimerkiksi happamalla elektrolyytillä, joka on fosforihapon H 3 PO 4 liuos) on täysin identtinen kemiallisen reaktion kanssa polttokennossa, jossa on protoninvaihtokalvo.

Missä tahansa polttokennossa osa kemiallisen reaktion energiasta vapautuu lämpönä.

Elektronien virtaus ulkoisessa piirissä on tasavirtaa, jota käytetään työn tekemiseen. Ulkoisen piirin avaaminen tai vetyionien liikkeen pysäyttäminen pysäyttää kemiallisen reaktion.

Polttokennon tuottaman sähköenergian määrä riippuu polttokennon tyypistä, geometrisista mitoista, lämpötilasta ja kaasun paineesta. Yksi polttokenno tuottaa alle 1,16 V:n EMF:n. Polttokennojen kokoa on mahdollista kasvattaa, mutta käytännössä käytetään useita kennoja, jotka on kytketty akkuihin (kuva 10).

Polttokennolaite

Tarkastellaan polttokennolaitetta PC25 Model C -mallin esimerkissä. Polttokennon kaavio on esitetty kuvassa. yksitoista.

Polttokenno "PC25 Model C" koostuu kolmesta pääosasta: polttoaineprosessorista, varsinaisesta sähköntuotantoosasta ja jännitteenmuuntimesta.

Pääosa polttokennosta - sähköntuotanto-osa - on pino, joka koostuu 256 yksittäisestä polttokennosta. Polttokennoelektrodien koostumus sisältää platinakatalyytin. Näiden kennojen kautta syntyy 1400 ampeerin tasavirta 155 voltin jännitteellä. Akun mitat ovat noin 2,9 m pitkä ja 0,9 m leveys ja korkeus.

Koska sähkökemiallinen prosessi tapahtuu lämpötilassa 177 ° C, akku on lämmitettävä käynnistyksen yhteydessä ja lämpö poistettava siitä käytön aikana. Tätä varten polttokenno sisältää erillisen vesipiirin ja akku on varustettu erityisillä jäähdytyslevyillä.

Polttoaineprosessorin avulla voit muuntaa maakaasun vedyksi, mikä on välttämätöntä sähkökemialliseen reaktioon. Tätä prosessia kutsutaan uudistukseksi. Polttoaineprosessorin pääelementti on reformeri. Reformerissa maakaasu (tai muu vetyä sisältävä polttoaine) reagoi höyryn kanssa korkeassa lämpötilassa (900 °C) ja korkeassa paineessa nikkelikatalyytin läsnä ollessa. Seuraavat kemialliset reaktiot tapahtuvat:

CH4 (metaani) + H203H2 + CO

(endoterminen reaktio, lämmön absorptio);

CO + H 2 O H 2 + CO 2

(reaktio on eksoterminen, ja siinä vapautuu lämpöä).

Kokonaisreaktio ilmaistaan ​​yhtälöllä:

CH4 (metaani) + 2H 2O 4H2 + CO 2

(endoterminen reaktio, lämmön absorptio).

Maakaasun muuntamiseen vaadittavan korkean lämpötilan aikaansaamiseksi osa polttokennopinon käytetystä polttoaineesta lähetetään polttimeen, joka pitää reformerin halutussa lämpötilassa.

Reformointiin tarvittava höyry syntyy polttokennon toiminnan aikana muodostuneesta lauhteesta. Tällöin käytetään polttokennopinosta poistettua lämpöä (kuva 12).

Polttokennopino tuottaa ajoittaista tasavirtaa, jolle on ominaista matala jännite ja korkea virta. Jännitteenmuunninta käytetään muuntaa se teollisuusstandardin AC. Lisäksi jännitteenmuunninyksikkö sisältää erilaisia ​​ohjauslaitteita ja turvalukituspiirejä, jotka mahdollistavat polttokennon kytkemisen pois päältä erilaisten vikojen sattuessa.

Tällaisessa polttokennossa noin 40 % polttoaineen energiasta voidaan muuntaa sähköenergiaksi. Noin saman verran, noin 40 % polttoaineenergiasta, voidaan muuntaa, jota käytetään sitten lämmönlähteenä lämmitykseen, käyttövesihuoltoon ja vastaaviin tarkoituksiin. Siten tällaisen laitoksen kokonaishyötysuhde voi olla 80%.

Tällaisen lämmön ja sähkön lähteen tärkeä etu on sen automaattisen toiminnan mahdollisuus. Huoltoa varten sen laitoksen omistajien, joihin polttokenno on asennettu, ei tarvitse ylläpitää erityisesti koulutettua henkilökuntaa - käyttöorganisaation työntekijät voivat suorittaa määräaikaisen huollon.

Polttokennotyypit

Tällä hetkellä tunnetaan useita polttokennoja, jotka eroavat käytetyn elektrolyytin koostumuksesta. Seuraavat neljä tyyppiä ovat yleisimpiä (taulukko 2):

1. Polttokennot protoninvaihtokalvolla (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC).

2. Ortofosforihappoon (fosfori) perustuvat polttokennot (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC).

3. Sulaan karbonaattiin perustuvat polttokennot (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).

4. Kiinteät oksidipolttokennot (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC). Tällä hetkellä suurin polttokennokanta on rakennettu PAFC-teknologian pohjalta.

Yksi erityyppisten polttokennojen tärkeimmistä ominaisuuksista on käyttölämpötila. Lämpötila määrää monella tapaa polttokennojen laajuuden. Esimerkiksi korkeat lämpötilat ovat kriittisiä kannettavissa tietokoneissa, joten tälle markkinasegmentille kehitetään, joiden käyttölämpötila on alhainen.

Rakennusten autonomiseen virransyöttöön tarvitaan polttokennoja, joilla on korkea asennettu kapasiteetti, ja samalla on mahdollista käyttää lämpöenergiaa, joten näihin tarkoituksiin voidaan käyttää myös muun tyyppisiä polttokennoja.

Pro(PEMFC)

Nämä polttokennot toimivat suhteellisen alhaisissa käyttölämpötiloissa (60-160°C). Niille on ominaista korkea tehotiheys, niiden avulla voit nopeasti säätää lähtötehoa ja ne voidaan kytkeä nopeasti päälle. Tämän tyyppisten elementtien haittana on korkeat polttoaineen laatuvaatimukset, koska saastunut polttoaine voi vahingoittaa kalvoa. Tämän tyyppisten polttokennojen nimellisteho on 1-100 kW.

General Electric Corporation kehitti protoninvaihtokalvopolttokennot alun perin 1960-luvulla NASA:lle. Tämäntyyppinen polttokenno käyttää kiinteän olomuodon polymeerielektrolyyttiä, jota kutsutaan protoninvaihtokalvoksi (PEM). Protonit voivat liikkua protoninvaihtokalvon läpi, mutta elektronit eivät pääse kulkemaan sen läpi, mikä johtaa potentiaalieroon katodin ja anodin välillä. Yksinkertaisuuden ja luotettavuuden vuoksi tällaisia ​​polttokennoja käytettiin virtalähteenä Gemini-miehitetyissä avaruusaluksissa.

Tämän tyyppistä polttokennoa käytetään virtalähteenä monenlaisille laitteille, mukaan lukien prototyypit ja prototyypit, matkapuhelimista linja-autoihin ja kiinteisiin sähköjärjestelmiin. Matala käyttölämpötila mahdollistaa tällaisten kennojen käytön erityyppisten monimutkaisten elektronisten laitteiden tehonlähteenä. Vähemmän tehokasta on niiden käyttö lämmön ja sähkön lähteenä julkisiin ja teollisuusrakennuksiin, joissa tarvitaan suuria määriä lämpöenergiaa. Samalla tällaiset elementit ovat lupaavia autonomisena virtalähteenä pienille asuinrakennuksille, kuten kuumalle ilmastolle rakennetuille mökeille.

taulukko 2 Polttokennotyypit

Kohteen tyyppi työntekijöitä lämpötila, °C tehokkuuden tuotto sähkö energia), % Kaikki yhteensä Tehokkuus, % Polttokennot kanssa protoninvaihtokalvo (PEMFC) 60–160 30–35 50–70 polttokennoja perustuu ortofosforiin (fosfori)happo (PAFC) 150–200 35 70–80 Polttokennopohjainen sulaa karbonaattia (MCFC) 600–700 45–50 70–80 Kiinteä oksidi polttokennot (SOFC) 700–1 000 50–60 70–80

Fosforihappopolttokennot (PAFC)

Tällaisten polttokennojen testejä tehtiin jo 1970-luvun alussa. Käyttölämpötila-alue - 150-200 °C. Pääsovellusalue on keskitehoiset (noin 200 kW) itsenäiset lämmön- ja teholähteet.

Näissä polttokennoissa käytetty elektrolyytti on fosforihapon liuos. Elektrodit on valmistettu hiilellä päällystetystä paperista, johon on dispergoitu platinakatalyytti.

PAFC-polttokennojen sähköinen hyötysuhde on 37-42 %. Koska nämä polttokennot kuitenkin toimivat riittävän korkeassa lämpötilassa, on mahdollista käyttää toiminnan tuloksena syntyvää höyryä. Tässä tapauksessa kokonaishyötysuhde voi olla 80%.

Energian tuottamiseksi vetyä sisältävä raaka-aine on muutettava puhtaaksi vedyksi reformointiprosessin kautta. Esimerkiksi jos bensiiniä käytetään polttoaineena, rikkiyhdisteet on poistettava, koska rikki voi vahingoittaa platinakatalysaattoria.

PAFC-polttokennot olivat ensimmäiset kaupalliset polttokennot, jotka olivat taloudellisesti perusteltuja. Yleisin malli oli ONSI Corporationin (nykyisin United Technologies, Inc.) valmistama 200 kW PC25-polttokenno (kuva 13). Näitä elementtejä käytetään esimerkiksi lämmön ja sähkön lähteenä poliisiasemalla New Yorkin Central Parkissa tai lisäenergialähteenä Conde Nast Buildingille ja Four Times Squarelle. Suurin tämäntyyppinen laitos testataan Japanissa sijaitsevana 11 MW:n voimalaitoksena.

Fosforihappopohjaisia ​​polttokennoja käytetään myös ajoneuvojen energialähteenä. Esimerkiksi vuonna 1994 H-Power Corp., Georgetownin yliopisto ja Yhdysvaltain energiaministeriö varustivat linja-auton 50 kW voimalaitoksella.

Sulat karbonaattipolttokennot (MCFC)

Tämän tyyppiset polttokennot toimivat erittäin korkeissa lämpötiloissa - 600-700 °C. Nämä käyttölämpötilat mahdollistavat polttoaineen käytön suoraan itse kennossa ilman erillistä reformaattoria. Tätä prosessia kutsutaan "sisäiseksi uudistukseksi". Se mahdollistaa polttokennon suunnittelun yksinkertaistamisen merkittävästi.

Sulaseen karbonaattiin perustuvat polttokennot vaativat huomattavan käynnistysajan eivätkä salli lähtötehon nopeaa säätämistä, joten niiden pääasiallinen käyttöalue on suuret kiinteät lämmön ja sähkön lähteet. Niissä on kuitenkin korkea polttoaineen muunnostehokkuus - 60 % sähköhyötysuhde ja jopa 85 % kokonaishyötysuhde.

Tämäntyyppisissä polttokennoissa elektrolyytti koostuu kaliumkarbonaatista ja litiumkarbonaattisuoloista, jotka on kuumennettu noin 650 °C:seen. Näissä olosuhteissa suolat ovat sulassa tilassa ja muodostavat elektrolyytin. Anodilla vety on vuorovaikutuksessa CO 3 -ionien kanssa muodostaen vettä, hiilidioksidia ja vapauttaen elektroneja, jotka lähetetään ulkoiseen piiriin, ja katodilla happi on vuorovaikutuksessa hiilidioksidin ja ulkoisen piirin elektronien kanssa muodostaen jälleen CO 3 -ioneja.

Hollantilaiset tutkijat G. H. J. Broers ja J. A. A. Ketelaar loivat 1950-luvun lopulla laboratorionäytteet tämän tyyppisistä polttokennoista. 1960-luvulla insinööri Francis T. Bacon, kuuluisan 1600-luvun englantilaisen kirjailijan ja tiedemiehen jälkeläinen, työskenteli näiden elementtien parissa, minkä vuoksi MCFC-polttokennoja kutsutaan joskus Bacon-elementeiksi. NASAn Apollo-, Apollo-Soyuz- ja Scylab-ohjelmat käyttivät juuri tällaisia ​​polttokennoja virtalähteenä (kuva 14). Samoin vuosina Yhdysvaltain sotilasosasto testasi useita Texas Instrumentsin valmistamia MCFC-polttokennojen näytteitä, joissa polttoaineena käytettiin armeijan bensiinilaatuja. 1970-luvun puolivälissä Yhdysvaltain energiaministeriö aloitti tutkimuksen kehittääkseen kiinteän sulan karbonaattipolttokennon, joka soveltuu käytännön sovelluksiin. 1990-luvulla otettiin käyttöön useita kaupallisia laitteistoja, joiden teho oli jopa 250 kW, kuten Yhdysvaltain laivaston Miramarin lentoasemalla Kaliforniassa. Vuonna 1996 FuelCell Energy, Inc. otti käyttöön 2 MW:n esisarjan laitoksen Santa Clarassa, Kaliforniassa.

Solid State Oksid Polttokennot (SOFC)

Solid-state-oksidipolttokennot ovat rakenteeltaan yksinkertaisia ​​ja toimivat erittäin korkeissa lämpötiloissa - 700-1000 °C. Tällaiset korkeat lämpötilat mahdollistavat suhteellisen "likaisen", puhdistamattoman polttoaineen käytön. Samat ominaisuudet kuin sulaan karbonaattiin perustuvissa polttokennoissa määrittävät samanlaisen käyttöalueen - suuret kiinteät lämmön ja sähkön lähteet.

Kiinteäoksidipolttokennot eroavat rakenteellisesti PAFC- ja MCFC-tekniikoihin perustuvista polttokennoista. Anodi, katodi ja elektrolyytti on valmistettu erityislaatuisesta keramiikasta. Useimmiten elektrolyyttinä käytetään zirkoniumoksidin ja kalsiumoksidin seosta, mutta muita oksideja voidaan käyttää. Elektrolyytti muodostaa kidehilan, joka on päällystetty molemmilta puolilta huokoisella elektrodimateriaalilla. Rakenteellisesti tällaiset elementit valmistetaan putkien tai litteiden levyjen muodossa, mikä mahdollistaa elektroniikkateollisuudessa laajalti käytettyjen teknologioiden käytön niiden valmistuksessa. Tämän seurauksena solid-state-oksidipolttokennot voivat toimia erittäin korkeissa lämpötiloissa, mikä tekee niistä edullisia sekä sähkö- että lämpövoiman tuotannossa.

Korkeissa käyttölämpötiloissa katodille muodostuu happi-ioneja, jotka kulkeutuvat kidehilan kautta anodille, jossa ne ovat vuorovaikutuksessa vetyionien kanssa muodostaen vettä ja vapauttaen vapaita elektroneja. Tällöin vetyä vapautuu maakaasusta suoraan kennossa, eli erillistä reformaattoria ei tarvita.

Teoreettinen perusta kiinteän olomuodon oksidipolttokennojen luomiselle luotiin 1930-luvun lopulla, kun sveitsiläiset tiedemiehet Bauer (Emil Bauer) ja Preis (H. Preis) kokeilivat zirkoniumia, yttriumia, ceriumia, lantaania ja volframia käyttämällä niitä. elektrolyytteinä.

Ensimmäiset tällaisten polttokennojen prototyypit loivat 1950-luvun lopulla useat amerikkalaiset ja hollantilaiset yritykset. Useimmat näistä yrityksistä luopuivat pian lisätutkimuksesta teknisten vaikeuksien vuoksi, mutta yksi niistä, Westinghouse Electric Corp. (nykyisin "Siemens Westinghouse Power Corporation"), jatkoi työtä. Yritys ottaa parhaillaan vastaan ​​ennakkotilauksia putkimaisen topologian kiinteäoksidipolttokennon kaupalliseen malliin, joka on odotettavissa tänä vuonna (kuva 15). Tällaisten elementtien markkinasegmentti on kiinteät lämmön ja sähköenergian tuotantolaitokset, joiden kapasiteetti on 250 kW - 5 MW.

SOFC-tyyppiset polttokennot ovat osoittaneet erittäin korkeaa luotettavuutta. Esimerkiksi Siemens Westinghousen polttokennon prototyyppi on ajettu 16 600 tuntia ja jatkaa toimintaansa, mikä tekee siitä maailman pisimmän jatkuvan polttokennon käyttöiän.

SOFC-polttokennojen korkean lämpötilan ja korkean paineen käyttötapa mahdollistaa hybridilaitosten luomisen, joissa polttokennopäästöt ajavat sähköntuotantoon käytettäviä kaasuturbiineja. Ensimmäinen tällainen hybridilaitos on toiminnassa Irvinessä, Kaliforniassa. Laitoksen nimellisteho on 220 kW, josta 200 kW polttokennosta ja 20 kW mikroturbiinigeneraattorista.

Kukaan ei tule yllättymään aurinkopaneeleista tai tuulimyllyistä, jotka tuottavat sähköä kaikilla maailman alueilla. Mutta näiden laitteiden teho ei ole vakio, ja on tarpeen asentaa varavirtalähteitä tai liittyä verkkoon sähkön vastaanottamiseksi aikana, jolloin uusiutuvan energian laitokset eivät tuota sähköä. On kuitenkin olemassa 1800-luvulla kehitettyjä laitoksia, jotka käyttävät "vaihtoehtoisia" polttoaineita sähkön tuottamiseen, eli eivät polta kaasua tai öljytuotteita. Tällaiset laitokset ovat polttokennoja.

LUOMINEN HISTORIA

Polttokennot (FC) tai polttokennot löysivät jo vuosina 1838-1839 William Grove (Grow, Grove) tutkiessaan veden elektrolyysiä.

Viite: Veden elektrolyysi on prosessi, jossa vesi hajoaa sähkövirran vaikutuksesta vety- ja happimolekyyleiksi.

Irrotettuaan akun elektrolyyttikennosta hän yllättyi huomatessaan, että elektrodit alkoivat imeä vapautunutta kaasua ja tuottaa virtaa. Vedyn sähkökemiallisen "kylmän" polton prosessin löytämisestä on tullut merkittävä tapahtuma energiateollisuudessa. Myöhemmin hän loi Grove-akun. Tässä laitteessa oli typpihappoon upotettu platinaelektrodi ja sinkkisulfaattiin upotettu sinkkielektrodi. Se synnytti 12 ampeerin virran ja 8 voltin jännitteen. Grow itse kutsui tätä rakentamista "märkä akku". Sitten hän loi akun kahdella platinaelektrodilla. Jokaisen elektrodin toinen pää oli rikkihapossa, kun taas toiset päät suljettiin vety- ja happisäiliöihin. Elektrodien välillä oli vakaa virta ja veden määrä säiliöiden sisällä kasvoi. Grow pystyi hajottamaan ja parantamaan tämän laitteen vettä.

"Grow's Battery"

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

Termi "polttoainekenno" (englanniksi "Fuel Cell") ilmestyi vasta vuonna 1889 L. Mond ja
Ch. Langer, joka yritti luoda laitteen sähkön tuottamiseksi ilmasta ja hiilikaasusta.

KUINKA SE TOIMII?

Polttokenno on suhteellisen yksinkertainen laite. Siinä on kaksi elektrodia: anodi (negatiivinen elektrodi) ja katodi (positiivinen elektrodi). Elektrodeissa tapahtuu kemiallinen reaktio. Sen nopeuttamiseksi elektrodien pinta päällystetään katalyytillä. Polttokennot on varustettu vielä yhdellä elementillä - kalvo. Polttoaineen kemiallisen energian muuntaminen suoraan sähköksi tapahtuu kalvon työn ansiosta. Se erottaa elementin kaksi kammiota, johon polttoaine ja hapetin syötetään. Kalvo sallii vain protonien, jotka syntyvät polttoaineen halkeamisen seurauksena, kulkea kammiosta toiseen katalyytillä päällystetyllä elektrodilla (elektronit kulkevat sitten ulkoisen piirin läpi). Toisessa kammiossa protonit yhdistyvät uudelleen elektronien (ja happiatomien) kanssa muodostaen vettä.

Vetypolttokennon toimintaperiaate

Kemiallisella tasolla polttoaineen energian muuntaminen sähköenergiaksi on samanlainen kuin tavallinen poltto (hapetus) prosessi.

Normaalissa palamisessa hapessa orgaaninen polttoaine hapettuu ja polttoaineen kemiallinen energia muuttuu lämpöenergiaksi. Katsotaanpa, mitä tapahtuu, kun vety hapettuu hapen vaikutuksesta elektrolyyttiväliaineessa ja elektrodien läsnä ollessa.

Syöttämällä vetyä emäksisessä ympäristössä sijaitsevaan elektrodiin tapahtuu kemiallinen reaktio:

2H2 + 4OH - → 4H20 + 4e -

Kuten näet, saamme elektroneja, jotka kulkevat ulkoisen piirin läpi vastakkaiseen elektrodiin, johon happi tulee ja jossa reaktio tapahtuu:

4e- + O 2 + 2H 2O → 4OH-

Voidaan nähdä, että tuloksena oleva reaktio 2H 2 + O 2 → H 2 O on sama kuin tavanomaisessa polttossa, mutta polttokenno tuottaa sähköä ja jonkin verran lämpöä.

POLTTOONEKENNOJEN TYYPIT

FC luokitellaan reaktiossa käytetyn elektrolyytin tyypin mukaan:

On huomattava, että hiiltä, ​​hiilimonoksidia, alkoholeja, hydratsiinia ja muita orgaanisia aineita voidaan käyttää myös polttokennojen polttoaineena ja ilmaa, vetyperoksidia, klooria, bromia, typpihappoa jne. voidaan käyttää hapettimina.

POLTTOKENNON Tehokkuus

Polttokennojen ominaisuus on tehokkuudella ei ole kovaa rajoitusta kuin lämpömoottori.

Apua: tehokkuusCarnot sykli on suurin mahdollinen hyötysuhde kaikista lämpömoottoreista samoilla minimi- ja maksimilämpötiloilla.

Siksi polttokennojen hyötysuhde voi teoriassa olla yli 100 %. Monet hymyilivät ja ajattelivat: "Ikuisliikekone on keksitty." Ei, kannattaa palata koulun kemian kurssille. Polttokenno perustuu kemiallisen energian muuntamiseen sähköenergiaksi. Täällä tapahtuu ihmeitä. Tietyt prosessissa tapahtuvat kemialliset reaktiot voivat imeä lämpöä ympäristöstä.

Viite: Endotermiset reaktiot ovat kemiallisia reaktioita, joihin liittyy lämmön absorptio. Endotermisissä reaktioissa entalpian ja sisäisen energian muutoksella on positiiviset arvot (Δ H >0, Δ U >0), siis reaktiotuotteet sisältävät enemmän energiaa kuin alkuperäiset komponentit.

Esimerkki tällaisesta reaktiosta on vedyn hapetus, jota käytetään useimmissa polttokennoissa. Siksi teoriassa tehokkuus voi olla yli 100%. Mutta nykyään polttokennot lämpenevät käytön aikana eivätkä pysty absorboimaan lämpöä ympäristöstä.

Viite: Tämän rajoituksen määrää termodynamiikan toinen pääsääntö. Prosessi lämmön siirtämiseksi "kylmästä" kehosta "kuumaan" ei ole mahdollista.

Lisäksi epätasapainoprosesseihin liittyy häviöitä. Kuten: elektrolyytin ja elektrodien ominaisjohtavuudesta johtuvat ohmiset häviöt, aktivaatio- ja konsentraatiopolarisaatio, diffuusiohäviöt. Tämän seurauksena osa polttokennoissa tuotetusta energiasta muuttuu lämmöksi. Siksi polttokennot eivät ole ikuisia liikekoneita ja niiden hyötysuhde on alle 100 %. Mutta niiden tehokkuus on suurempi kuin muiden koneiden. Tänään polttokennohyötysuhde saavuttaa 80 %.

Viite: Englantilainen insinööri T. Bacon suunnitteli ja rakensi 40-luvulla puhtaalla vedyllä ja hapella toimivan polttokennoakun, jonka kokonaisteho oli 6 kW ja hyötysuhde 80 %, mutta akun teho-painosuhde kääntyi. liian pieniksi - tällaiset kennot eivät sovellu käytännön käyttöön ja olivat liian kalliita (lähde: http://www.powerinfo.ru/).

POLTTOKENNOJEN ONGELMAT

Lähes kaikki polttokennot käyttävät vetyä polttoaineena, joten looginen kysymys kuuluu: "Mistä saan sen?"

Näyttää siltä, ​​että polttokenno löydettiin elektrolyysin seurauksena, joten voit käyttää elektrolyysin seurauksena vapautuvaa vetyä. Mutta katsotaanpa tätä prosessia tarkemmin.

Faradayn lain mukaan: aineen määrä, joka hapettuu anodilla tai pelkistyy katodilla, on verrannollinen elektrolyytin läpi kulkeneen sähkön määrään. Tämä tarkoittaa, että saadaksesi enemmän vetyä, sinun on käytettävä enemmän sähköä. Nykyiset veden elektrolyysimenetelmät toimivat tehokkuudella, joka on pienempi kuin yksikkö. Sitten käytämme syntyvää vetyä polttokennoissa, joissa hyötysuhde on myös pienempi kuin yksikkö. Siksi kulutamme enemmän energiaa kuin pystymme tuottamaan.

Luonnollisesti voidaan käyttää myös maakaasusta saatua vetyä. Tämä vedyn tuotantomenetelmä on edelleen halvin ja suosituin. Tällä hetkellä noin 50 % maailmanlaajuisesti tuotetusta vedystä saadaan maakaasusta. Mutta vedyn varastoinnissa ja kuljetuksessa on ongelma. Vedyn tiheys on pieni ( litra vetyä painaa 0,0846 grammaa), siksi sen kuljettamiseksi pitkiä matkoja se on puristettava kokoon. Ja tämä on ylimääräisiä energia- ja käteiskustannuksia. Älä myöskään unohda turvallisuutta.

Tässä on kuitenkin myös ratkaisu - nestemäistä hiilivetypolttoainetta voidaan käyttää vedyn lähteenä. Esimerkiksi etyyli- tai metyylialkoholi. Totta, täällä tarvitaan jo erityinen lisälaite - polttoainemuunnin, joka muuntaa alkoholit kaasumaisen H 2:n ja CO 2:n seokseksi korkeassa lämpötilassa (metanolille se on noin 240 ° C). Mutta tässä tapauksessa on jo vaikeampaa ajatella siirrettävyyttä - tällaisia ​​laitteita on hyvä käyttää kiinteinä tai auton generaattoreina, mutta kompakteihin mobiililaitteisiin tarvitset jotain vähemmän tilaa vievää.

Katalyytti

Polttokennon reaktion tehostamiseksi anodin pinta on yleensä katalyytti. Viime aikoihin asti platinaa käytettiin katalyyttinä. Siksi polttokennon hinta oli korkea. Toiseksi platina on suhteellisen harvinainen metalli. Asiantuntijoiden mukaan polttokennojen teollisessa tuotannossa tutkitut platinavarat loppuvat 15-20 vuodessa. Mutta tutkijat ympäri maailmaa yrittävät korvata platinaa muilla materiaaleilla. Muuten, jotkut heistä saavuttivat hyviä tuloksia. Joten kiinalaiset tiedemiehet korvasivat platinan kalsiumoksidilla (lähde: www.cheburek.net).

POLTTOKENNOJEN KÄYTTÖ

Polttokennoa testattiin ensimmäistä kertaa autotekniikassa vuonna 1959. Alice-Chambers-traktori käytti 1008 akkua toimiakseen. Polttoaine oli kaasujen, pääasiassa propaanin ja hapen seos.

Lähde: http://www.planetseed.com/

60-luvun puolivälistä, "avaruuskilpailun" huipulla, avaruusalusten luojat kiinnostuivat polttokennoista. Tuhansien tutkijoiden ja insinöörien työ mahdollisti saavuttaa uuden tason, ja vuonna 1965. Polttokennoja testattiin Yhdysvalloissa Gemini 5 -avaruusaluksella ja myöhemmin Apollo-avaruusaluksella Kuuhun lennoille ja Shuttle-ohjelman puitteissa. Neuvostoliitossa polttokennoja kehitettiin NPO Kvantissa myös avaruudessa käytettäväksi (lähde: http://www.powerinfo.ru/).

Koska polttokennossa vedyn palamisen lopputuote on vesi, niitä pidetään ympäristövaikutusten kannalta puhtaimpina. Siksi polttokennot alkoivat saada suosiotaan yleisen ekologian kiinnostuksen taustalla.

Jo tällä hetkellä autonvalmistajat, kuten Honda, Ford, Nissan ja Mercedes-Benz, ovat luoneet vetypolttokennoilla toimivia ajoneuvoja.

Mercedes-Benz - Ener-G-Force vetykäyttöinen

Kun autoja käytetään vedyllä, vedyn varastoinnin ongelma ratkeaa. Vetytankkausasemien rakentaminen mahdollistaa tankkauksen missä tahansa. Lisäksi auton täyttäminen vedyllä on nopeampaa kuin sähköauton lataaminen huoltoasemalla. Mutta toteuttaessaan tällaisia ​​hankkeita he kohtasivat sähköajoneuvojen ongelman. Ihmiset ovat valmiita "siirtymään" vetyautoon, jos heille on olemassa infrastruktuuri. Ja huoltoasemien rakentaminen alkaa, jos kuluttajia on riittävästi. Siksi tulimme jälleen kanan ja munan dilemmaan.

Polttokennoja käytetään laajalti matkapuhelimissa ja kannettavissa tietokoneissa. Menneet ovat ajat, jolloin puhelinta ladattiin kerran viikossa. Nyt puhelin latautuu, melkein joka päivä, ja kannettava toimii ilman verkkoa 3-4 tuntia. Siksi mobiiliteknologian valmistajat päättivät syntetisoida polttokennon puhelimien ja kannettavien tietokoneiden kanssa lataamista ja työskentelyä varten. Esimerkiksi Toshiba vuonna 2003 esitteli metanolipolttokennon valmiin prototyypin. Se antaa tehoa noin 100mW. Yksi täyttö 2 kuutiosta tiivistettyä (99,5 %) metanolia riittää 20 tunnin MP3-soittimen toimintaan. Jälleen sama "Toshiba" esitteli 275x75x40mm kannettavan tietokoneen virtalähdeelementtiä, jonka avulla tietokone voi toimia 5 tuntia yhdellä latauksella.

Mutta jotkut valmistajat ovat menneet pidemmälle. PowerTrekk on julkaissut samannimisen laturin. PowerTrekk on maailman ensimmäinen vesilaturi. Sen käyttö on erittäin helppoa. PowerTrekkiin on lisättävä vettä, jotta se tuottaa välitöntä virtaa USB-kaapelin kautta. Tämä polttokenno sisältää piijauhetta ja natriumsilikidiä (NaSi) veteen sekoitettuna, tämä yhdistelmä tuottaa vetyä. Vety sekoittuu ilman kanssa itse polttokennossa ja se muuttaa vedyn sähköksi kalvon protonivaihdon kautta ilman tuulettimia tai pumppuja. Voit ostaa tällaisen kannettavan laturin hintaan 149 € (

Polttokennot (sähkökemialliset generaattorit) ovat erittäin tehokas, kestävä, luotettava ja ympäristöystävällinen tapa tuottaa energiaa. Aluksi niitä käytettiin vain avaruusteollisuudessa, mutta nykyään sähkökemiallisia generaattoreita käytetään yhä enemmän eri aloilla: nämä ovat matkapuhelimien ja kannettavien tietokoneiden virtalähteitä, ajoneuvojen moottoreita, rakennusten autonomisia virtalähteitä ja kiinteitä voimalaitoksia. Jotkut näistä laitteista toimivat laboratorioprototyyppeinä, joitain käytetään esittelytarkoituksiin tai niitä testataan esisarjassa. Monet mallit ovat kuitenkin jo käytössä kaupallisissa projekteissa ja ne ovat massatuotettuja.

Laite

Polttokennot ovat sähkökemiallisia laitteita, jotka pystyvät muuntamaan olemassa olevan kemiallisen energian korkealla sähköenergiaksi.

Polttokennolaite sisältää kolme pääosaa:

1. Sähköntuotanto-osasto;
2. PROSESSORI;
3. Jännitemuuntaja.

Polttokennon pääosa on sähköntuotantoosa, joka on yksittäisistä polttokennoista valmistettu akku. Polttokennoelektrodien rakenteeseen sisältyy platinakatalyytti. Näiden kennojen avulla luodaan tasainen sähkövirta.

Yhdellä näistä laitteista on seuraavat ominaisuudet: 155 voltin jännitteellä annetaan 1400 ampeeria. Akun mitat ovat leveys ja korkeus 0,9 m sekä pituus 2,9 m. Sen sähkökemiallinen prosessi suoritetaan 177 ° C: n lämpötilassa, mikä vaatii akun lämmittämisen käynnistyksen yhteydessä sekä lämmönpoiston sen toiminnan aikana. Tätä tarkoitusta varten polttokennon koostumukseen sisältyy erillinen vesipiiri, mukaan lukien akku on varustettu erityisillä jäähdytyslevyillä.

Polttoaineprosessi muuttaa maakaasun vedyksi, jota tarvitaan sähkökemialliseen reaktioon. Polttoaineprosessorin pääelementti on reformeri. Siinä maakaasu (tai muu vetyä sisältävä polttoaine) vuorovaikuttaa korkeassa paineessa ja korkeassa lämpötilassa (noin 900 ° C) vesihöyryn kanssa nikkelikatalyytin vaikutuksesta.

Siellä on poltin, joka ylläpitää reformerin vaadittua lämpötilaa. Kondensaatista muodostuu reformointiin tarvittava höyry. Polttokennopinoon syntyy epävakaa tasavirta, jonka muuntamiseen käytetään jännitteenmuunninta.

Myös jännitteenmuunninyksikössä on:

• ohjauslaitteet.
• Turvalukituspiirit, jotka sammuttavat polttokennon erilaisissa vioissa.

Toimintaperiaate

Yksinkertaisin protoninvaihtokalvolla varustettu elementti koostuu polymeerikalvosta, joka sijaitsee anodin ja katodin välissä, sekä katodi- ja anodikatalyyteistä. Polymeerikalvoa käytetään elektrolyyttinä.

• Protoninvaihtokalvo näyttää ohuelta kiinteältä orgaaniselta yhdisteeltä, jonka paksuus on pieni. Tämä kalvo toimii elektrolyyttinä, veden läsnä ollessa se erottaa aineen negatiivisesti ja positiivisesti varautuneiksi ioneiksi.
• Hapetus alkaa anodista ja pelkistys tapahtuu katodilla. PEM-kennon katodi ja anodi on valmistettu huokoisesta materiaalista, se on platina- ja hiilihiukkasten seos. Platina toimii katalysaattorina, mikä edistää dissosiaatioreaktiota. Katodi ja anodi on tehty huokoisiksi, jotta happi ja vety voivat kulkea niiden läpi vapaasti.
• Anodi ja katodi sijaitsevat kahden metallilevyn välissä, ne syöttävät happea ja vetyä katodille ja anodille sekä poistavat sähköenergiaa, lämpöä ja vettä.
• Levyssä olevien kanavien kautta vetymolekyylit tulevat anodille, jossa molekyylit hajoavat atomeiksi.
• Kemisorption seurauksena, kun vetyatomit altistetaan katalyytille, ne muuttuvat positiivisesti varautuneiksi vetyioneiksi H +, eli protoneiksi.
• Protonit diffundoituvat katodille kalvon läpi, ja elektronien virtaus kulkee katodille erityisen ulkoisen sähköpiirin kautta. Siihen on kytketty kuorma, eli sähköenergian kuluttaja.
• Katodille syötetty happi tulee altistuessaan kemialliseen reaktioon ulkoisen sähköpiirin elektronien ja protoninvaihtokalvon vetyionien kanssa. Tämän kemiallisen reaktion tulos on vesi.

Kemiallinen reaktio, joka tapahtuu muun tyyppisissä polttokennoissa (esimerkiksi happamalla elektrolyytillä ortofosforihapon H3PO4 muodossa), on täysin identtinen laitteen reaktion kanssa protoninvaihtokalvon kanssa.

Erilaisia

Tällä hetkellä tunnetaan useita polttokennoja, jotka eroavat käytetyn elektrolyytin koostumuksesta:

• Ortofosfori- tai fosforihappoon perustuvat polttokennot (PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cells).
• Protoninvaihtokalvolla varustetut laitteet (PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cells).
• Kiinteät oksidipolttokennot (SOFC, Solid Oxide Fuel Cells).
• Sulaan karbonaattiin perustuvat sähkökemialliset generaattorit (MCFC, Molten Carbonate Fuel Cells).

Tällä hetkellä PAFC-teknologiaa käyttävät sähkökemialliset generaattorit ovat yleistyneet.

Sovellus

Nykyään polttokennoja käytetään uudelleenkäytettävissä avaruussukkuloissa. He käyttävät 12W yksiköitä. Ne tuottavat kaiken avaruusaluksen sähkön. Sähkökemiallisen reaktion aikana muodostuvaa vettä käytetään juomiseen, myös jäähdytyslaitteisiin.

Sähkökemiallisia generaattoreita käytettiin myös Neuvostoliiton Buranin, uudelleenkäytettävän laivan, voimanlähteenä.

Polttokennoja käytetään myös siviilisektorilla.

• Kiinteät asennukset teholla 5–250 kW ja enemmän. Niitä käytetään itsenäisinä lähteinä teollisuus-, julkisten ja asuinrakennusten lämmön- ja sähkönsyötössä, hätä- ja varavirtalähteissä sekä keskeytymättömissä virtalähteissä.
• Kannettavat yksiköt teholla 1–50 kW. Niitä käytetään avaruussatelliiteissa ja laivoissa. Elementtejä luodaan golfkärryille, pyörätuoleille, rautatie- ja rahtijääkaapeille, liikennemerkeille.
• Siirrettävät yksiköt teholla 25–150 kW. Niitä aletaan käyttää sota- ja sukellusveneissä, mukaan lukien autot ja muut ajoneuvot. Prototyyppejä ovat jo luoneet sellaiset autoteollisuuden jättiläiset kuin Renault, Neoplan, Toyota, Volkswagen, Hyundai, Nissan, VAZ, General Motors, Honda, Ford ja muut.
• Mikrolaitteet, joiden teho on 1-500 W. He löytävät sovelluksen kehittyneissä kämmentietokoneissa, kannettavissa tietokoneissa, kulutuselektroniikkalaitteissa, matkapuhelimissa ja nykyaikaisissa sotilaallisissa laitteissa.

Erikoisuudet

• Osa kemiallisen reaktion energiasta kussakin polttokennossa vapautuu lämpönä. Jäähdytys vaaditaan. Ulkoisessa piirissä elektronien virtaus muodostaa tasavirran, jota käytetään työn tekemiseen. Vetyionien liikkeen pysähtyminen tai ulkoisen piirin avautuminen johtaa kemiallisen reaktion päättymiseen.
• Polttokennojen tuottaman sähkön määrä määräytyy kaasun paineen, lämpötilan, geometristen mittojen ja polttokennon tyypin mukaan. Reaktiossa syntyvän sähkön määrän lisäämiseksi on mahdollista suurentaa polttokennojen kokoa, mutta käytännössä käytetään useita elementtejä, jotka yhdistetään akuiksi.
• Joidenkin polttokennojen kemiallinen prosessi voidaan kääntää päinvastaiseksi. Eli kun elektrodeihin kohdistetaan potentiaaliero, vesi voi hajota hapeksi ja vedyksi, jotka kerätään huokoisille elektrodeille. Kuorman mukaan lukien tällainen polttokenno tuottaa sähköenergiaa.

tulevaisuudennäkymiä

Tällä hetkellä pääasiallisena energialähteenä käytettävät sähkökemialliset generaattorit vaativat suuria alkukustannuksia. Kun otetaan käyttöön vakaammat kalvot, joilla on korkea johtavuus, tehokkaat ja halvat katalysaattorit, vaihtoehtoiset vedyn lähteet, polttokennoista tulee erittäin taloudellisesti houkuttelevia ja niitä otetaan käyttöön kaikkialla.

• Autot toimivat polttokennoilla, niissä ei ole polttomoottoreita ollenkaan. Energialähteenä käytetään vettä tai kiinteän olomuodon vetyä. Tankkaus on helppoa ja turvallista ja ajaminen ympäristöystävällistä – syntyy vain vesihöyryä.
• Kaikkiin rakennuksiin tulee omat kannettavat polttokennogeneraattorit.
• Sähkökemialliset generaattorit korvaavat kaikki paristot ja ovat kaikissa elektroniikassa ja kodinkoneissa.

Hyödyt ja haitat

Jokaisella polttokennotyypillä on omat etunsa ja haittansa. Jotkut vaativat korkealaatuista polttoainetta, toiset ovat rakenteeltaan monimutkaisia ​​ja vaativat korkean käyttölämpötilan.

Yleisesti voidaan mainita seuraavat polttokennojen edut:

• turvallisuus ympäristölle;
• sähkökemiallisia generaattoreita ei tarvitse ladata uudelleen;
• sähkökemialliset generaattorit voivat luoda energiaa jatkuvasti, he eivät välitä ulkoisista olosuhteista;
• joustavuutta mittakaavan ja siirrettävyyden suhteen.

Haittojen joukossa ovat:

• tekniset vaikeudet polttoaineen varastoinnissa ja kuljetuksessa;
• laitteen epätäydelliset elementit: katalyytit, kalvot ja niin edelleen.

polttoainekenno ( polttoainekenno) on laite, joka muuntaa kemiallisen energian sähköenergiaksi. Se on periaatteeltaan samanlainen kuin perinteinen akku, mutta eroaa siinä, että sen toiminta vaatii jatkuvaa aineiden syöttöä ulkopuolelta sähkökemiallisen reaktion tapahtumiseksi. Polttokennoihin syötetään vetyä ja happea ja tuotetaan sähköä, vettä ja lämpöä. Niiden etuja ovat ympäristöystävällisyys, luotettavuus, kestävyys ja helppokäyttöisyys. Toisin kuin perinteiset akut, sähkökemialliset muuntimet voivat toimia lähes loputtomiin niin kauan kuin polttoainetta on saatavilla. Niitä ei tarvitse ladata tuntikausia ennen kuin ne on ladattu täyteen. Lisäksi kennot itse voivat ladata akkua auton ollessa pysäköitynä moottori sammutettuna.

Protonikalvopolttokennoja (PEMFC) ja kiinteäoksidipolttokennoja (SOFC) käytetään laajimmin vetyajoneuvoissa.

Polttokenno, jossa on protoninvaihtokalvo, toimii seuraavasti. Anodin ja katodin välissä on erityinen kalvo ja platinapäällysteinen katalyytti. Vety tulee anodille ja happi katodille (esimerkiksi ilmasta). Anodilla vety hajoaa protoneiksi ja elektroneiksi katalyytin avulla. Vetyprotonit kulkevat kalvon läpi ja menevät katodille, kun taas elektroneja luovutetaan ulkoiseen piiriin (kalvo ei päästä niitä läpi). Näin saatu potentiaaliero johtaa sähkövirran esiintymiseen. Katodipuolella vetyprotonit hapetetaan hapen vaikutuksesta. Tämän seurauksena syntyy vesihöyryä, joka on autojen pakokaasujen pääelementti. Korkean hyötysuhteen omaavilla PEM-soluilla on yksi merkittävä haittapuoli - ne vaativat toimintaansa puhdasta vetyä, jonka varastointi on melko vakava ongelma.

Jos löydetään sellainen katalyytti, joka korvaa kalliin platinan näissä kennoissa, niin halpa polttokenno luodaan välittömästi sähkön tuottamiseksi, mikä tarkoittaa, että maailma pääsee eroon öljyriippuvuudesta.

Kiinteät oksidikennot

Kiinteäoksidi-SOFC-kennot vaativat paljon vähemmän polttoaineen puhtautta. Lisäksi POX-reformerin (Partial Oxidation - osittainen hapetus) käytön ansiosta tällaiset kennot voivat kuluttaa tavallista bensiiniä polttoaineena. Prosessi bensiinin muuntamiseksi suoraan sähköksi on seuraava. Erityisessä laitteessa - reformerissa, noin 800 ° C:n lämpötilassa, bensiini haihtuu ja hajoaa sen ainesosiksi.

Tämä vapauttaa vetyä ja hiilidioksidia. Lisäksi myös lämpötilan vaikutuksesta ja itse SOFC:n (joka koostuu zirkoniumoksidipohjaisesta huokoisesta keraamisesta materiaalista) avulla vetyä hapetetaan ilman hapen vaikutuksesta. Sen jälkeen kun vetyä on saatu bensiinistä, prosessi etenee edellä kuvatun skenaarion mukaisesti, vain yhdellä erolla: SOFC-polttokenno, toisin kuin vedyllä toimivat laitteet, on vähemmän herkkä alkuperäisen polttoaineen vieraille epäpuhtauksille. Joten bensiinin laadun ei pitäisi vaikuttaa polttokennon suorituskykyyn.

SOFC:n korkea käyttölämpötila (650-800 astetta) on merkittävä haitta, lämmitysprosessi kestää noin 20 minuuttia. Ylimääräinen lämpö ei kuitenkaan ole ongelma, sillä reformerin ja itse polttokennon tuottama jäljelle jäänyt ilma ja pakokaasut poistavat sen kokonaan. Tämä mahdollistaa SOFC-järjestelmän integroinnin ajoneuvoon erillisenä laitteena lämpöeristetyssä kotelossa.

Modulaarisen rakenteen avulla voit saavuttaa vaaditun jännitteen kytkemällä sarjan vakiokennoja sarjaan. Ja mikä ehkä tärkeintä, tällaisten laitteiden käyttöönoton kannalta SOFC:ssä ei ole kovin kalliita platinapohjaisia ​​elektrodeja. Näiden elementtien korkea hinta on yksi PEMFC-teknologian kehittämisen ja levittämisen esteistä.

Polttokennojen tyypit

Tällä hetkellä on olemassa tämän tyyppisiä polttokennoja:

• A.F.C.– Alkalinen polttokenno (alkalinen polttokenno);
• PAFC– Fosforihappopolttokenno (fosforihappopolttokenno);
• PEMFC– Protoninvaihtokalvon polttokenno (polttokenno protoninvaihtokalvolla);
• DMFC– Suora metanolipolttokenno (polttokenno, jossa metanoli hajoaa suoraan);
• MCFC– Sulan karbonaatin polttokenno (sulan karbonaatin polttokenno);
• SOFC– Solid Oxide Fuel Cell (kiinteäoksidipolttokenno).

Polttokennojen/kennojen edut

Polttokenno/kenno on laite, joka tuottaa tehokkaasti tasavirtaa ja lämpöä vetypitoisesta polttoaineesta sähkökemiallisen reaktion kautta.

Polttokenno on samanlainen kuin akku siinä mielessä, että se tuottaa tasavirtaa kemiallisen reaktion kautta. Polttokenno sisältää anodin, katodin ja elektrolyytin. Toisin kuin akut, polttokennot eivät kuitenkaan voi varastoida sähköenergiaa, ne eivät purkaudu eivätkä vaadi sähkön lataamista. Polttokennot/kennot voivat tuottaa jatkuvasti sähköä niin kauan kuin niillä on polttoainetta ja ilmaa.

Toisin kuin muut generaattorit, kuten polttomoottorit tai kaasulla, hiilellä, öljyllä jne. toimivat turbiinit, polttokennot/kennot eivät polta polttoainetta. Tämä tarkoittaa, että ei meluisia korkeapaineroottoreita, ei kovaa pakokaasuääntä, ei tärinää. Polttokennot/kennot tuottavat sähköä hiljaisen sähkökemiallisen reaktion kautta. Toinen polttokennojen/kennojen ominaisuus on, että ne muuttavat polttoaineen kemiallisen energian suoraan sähköksi, lämmöksi ja vedeksi.

Polttokennot ovat erittäin tehokkaita eivätkä tuota suuria määriä kasvihuonekaasuja, kuten hiilidioksidia, metaania ja typpioksiduulia. Ainoat käytön aikana vapautuvat tuotteet ovat vesi höyryn muodossa ja pieni määrä hiilidioksidia, jota ei vapaudu lainkaan, jos polttoaineena käytetään puhdasta vetyä. Polttokennot/kennot kootaan kokoonpanoiksi ja sitten yksittäisiksi toiminnallisiksi moduuleiksi.

Polttokennon/kennon kehityksen historia

1950- ja 1960-luvuilla yksi polttokennojen suurimmista haasteista syntyi National Aeronautics and Space Administrationin (NASA) energialähteiden tarpeesta pitkiä avaruustehtäviä varten. NASAn Alkaline Fuel Cell/Cell käyttää polttoaineena vetyä ja happea yhdistäen nämä kaksi sähkökemiallisessa reaktiossa. Tuotoksena on kolme avaruuslennossa hyödyllistä reaktion sivutuotetta - sähköä avaruusalukselle, vettä juoma- ja jäähdytysjärjestelmiin sekä lämpöä, joka pitää astronautit lämpiminä.

Polttokennojen löytö juontaa juurensa 1800-luvun alusta. Ensimmäiset todisteet polttokennojen vaikutuksesta saatiin vuonna 1838.

1930-luvun lopulla aloitettiin työ alkalisten polttokennojen parissa, ja vuoteen 1939 mennessä oli rakennettu kenno, jossa käytettiin korkeapaineisia nikkelöityjä elektrodeja. Toisen maailmansodan aikana Britannian laivaston sukellusveneisiin kehitettiin polttokennoja/kennoja, ja vuonna 1958 otettiin käyttöön polttoainenippu, joka koostui halkaisijaltaan hieman yli 25 cm:n alkalisista polttokennoista/kennoista.

Kiinnostus lisääntyi 1950- ja 1960-luvuilla ja myös 1980-luvulla, jolloin teollisessa maailmassa oli pulaa polttoöljystä. Samaan aikaan myös maailman maat huolestuivat ilmansaasteiden ongelmasta ja pohtivat tapoja tuottaa ympäristöystävällistä sähköä. Tällä hetkellä polttokenno/kennoteknologia kehittyy nopeasti.

Kuinka polttokennot/kennot toimivat

Polttokennot/kennot tuottavat sähköä ja lämpöä jatkuvan sähkökemiallisen reaktion kautta käyttämällä elektrolyyttiä, katodia ja anodia.

Anodin ja katodin erottaa protoneja johtava elektrolyytti. Sen jälkeen kun vety tulee anodille ja happi katodille, alkaa kemiallinen reaktio, jonka seurauksena syntyy sähkövirtaa, lämpöä ja vettä.

Anodikatalyytissä molekyylivety hajoaa ja menettää elektroneja. Vetyionit (protonit) johdetaan elektrolyytin läpi katodille, kun taas elektronit johdetaan elektrolyytin läpi ja ulkoisen sähköpiirin läpi, jolloin syntyy tasavirta, jota voidaan käyttää laitteiden virtalähteenä. Katodikatalyytissä happimolekyyli yhdistyy elektronin (joka tulee ulkoisista yhteyksistä) ja sisään tulevan protonin kanssa ja muodostaa vettä, joka on ainoa reaktiotuote (höyryn ja/tai nesteen muodossa).

Alla on vastaava reaktio:

Anodireaktio: 2H 2 => 4H+ + 4e -
Reaktio katodilla: O 2 + 4H+ + 4e - => 2H 2 O
Yleinen alkuainereaktio: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Polttokennojen/kennojen tyypit ja valikoima

Kuten erityyppisiä polttomoottoreita, polttokennoja on erilaisia ​​- sopivan polttokennotyypin valinta riippuu sen sovelluksesta.

Polttokennot jaetaan korkealämpötilaisiin ja matalalämpöisiin. Matalan lämpötilan polttokennot vaativat polttoaineena suhteellisen puhdasta vetyä. Tämä tarkoittaa usein, että polttoaineen prosessointi vaaditaan primäärisen polttoaineen (kuten maakaasun) muuntamiseksi puhtaaksi vedyksi. Tämä prosessi kuluttaa lisäenergiaa ja vaatii erikoislaitteita. Korkean lämpötilan polttokennot eivät tarvitse tätä lisämenettelyä, koska ne voivat "muuntaa" polttoaineen "sisäisesti" korkeissa lämpötiloissa, joten vetyinfrastruktuuriin ei tarvitse investoida.

Polttokennot/kennot sulassa karbonaatissa (MCFC)

Sula karbovat korkean lämpötilan polttokennoja. Korkea käyttölämpötila mahdollistaa maakaasun suoran käytön ilman polttoaineprosessoria ja matalalämpöarvoista polttokaasua prosessipolttoaineista ja muista lähteistä.

RCFC:n toiminta eroaa muista polttokennoista. Nämä kennot käyttävät elektrolyyttiä sulan karbonaattisuolojen seoksesta. Tällä hetkellä käytetään kahden tyyppisiä seoksia: litiumkarbonaattia ja kaliumkarbonaattia tai litiumkarbonaattia ja natriumkarbonaattia. Karbonaattisuolojen sulattamiseksi ja ionien korkean liikkuvuuden saavuttamiseksi elektrolyytissä polttokennot, joissa on sulaa karbonaattielektrolyyttiä, toimivat korkeissa lämpötiloissa (650 °C). Tehokkuus vaihtelee välillä 60-80 %.

Kun suolat kuumennetaan 650 °C:n lämpötilaan, niistä tulee karbonaatti-ionien (CO 3 2-) johtimia. Nämä ionit siirtyvät katodilta anodille, jossa ne yhdistyvät vedyn kanssa muodostaen vettä, hiilidioksidia ja vapaita elektroneja. Nämä elektronit lähetetään ulkoisen sähköpiirin kautta takaisin katodille, jolloin sivutuotteena syntyy sähkövirtaa ja lämpöä.

Anodireaktio: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Reaktio katodilla: CO 2 + 1/2O 2 + 2e - => CO 3 2-
Yleinen alkuainereaktio: H 2 (g) + 1/2O 2 (g) + CO 2 (katodi) => H 2 O (g) + CO 2 (anodi)

Sulavien karbonkorkeilla käyttölämpötiloilla on tiettyjä etuja. Korkeissa lämpötiloissa maakaasu uudistuu sisäisesti, mikä eliminoi polttoaineprosessorin tarpeen. Lisäksi etuja ovat mahdollisuus käyttää tavanomaisia ​​rakennusmateriaaleja, kuten ruostumatonta teräslevyä ja nikkelikatalyyttiä elektrodeissa. Hukkalämmöstä voidaan tuottaa korkeapainehöyryä erilaisiin teollisiin ja kaupallisiin tarkoituksiin.

Myös korkeilla reaktiolämpötiloilla elektrolyytissä on etunsa. Korkeiden lämpötilojen käytössä kestää kauan saavuttaa optimaaliset käyttöolosuhteet ja järjestelmä reagoi hitaammin energiankulutuksen muutoksiin. Nämä ominaisuudet mahdollistavat sulan karbonaattielektrolyytin sisältävien polttokennojärjestelmien käytön tasaisen tehon olosuhteissa. Korkeat lämpötilat estävät polttokennoa vahingoittamasta hiilimonoksidia.

Sulat karbonaattipolttokennot soveltuvat käytettäväksi suurissa kiinteissä asennuksissa. Lämpövoimalaitoksia, joiden sähköteho on 3,0 MW, valmistetaan teollisesti. Kehitellään laitoksia, joiden lähtöteho on jopa 110 MW.

Fosforihappoon (PFC) perustuvat polttokennot/kennot

Fosforihappoon (ortofosforihappoon) perustuvat polttokennot olivat ensimmäiset polttokennot kaupalliseen käyttöön.

Fosfori(ortofosfori)happoon perustuvissa polttokennoissa käytetään ortofosforihappoon (H 3 PO 4) perustuvaa elektrolyyttiä, jonka pitoisuus on jopa 100 %. Fosforihapon ioninjohtavuus on alhainen matalissa lämpötiloissa, minkä vuoksi näitä polttokennoja käytetään 150–220°C:n lämpötiloissa.

Varauksen kantaja tämän tyyppisissä polttokennoissa on vety (H+, protoni). Samanlainen prosessi tapahtuusa, joissa anodille syötetty vety jaetaan protoneiksi ja elektroneiksi. Protonit kulkevat elektrolyytin läpi ja yhdistyvät katodilla ilmasta tulevan hapen kanssa muodostaen vettä. Elektronit ohjataan ulkoista sähköpiiriä pitkin ja syntyy sähkövirta. Alla on reaktiot, jotka tuottavat sähköä ja lämpöä.

Reaktio anodilla: 2H 2 => 4H + + 4e -
Reaktio katodilla: O 2 (g) + 4H + + 4e - \u003d\u003e 2 H 2 O
Yleinen alkuainereaktio: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Fosfori (ortofosfori) happoon perustuvien polttokennojen hyötysuhde on yli 40 % sähköenergian tuotannossa. Lämmön ja sähkön yhteistuotannossa kokonaishyötysuhde on noin 85 %. Lisäksi hukkalämpöä voidaan käyttää käyttölämpötiloissa veden lämmittämiseen ja höyryn tuottamiseen ilmakehän paineessa.

Fosfori (ortofosfori) happoon perustuvien polttokennojen lämpövoimalaitosten korkea suorituskyky lämmön ja sähkön yhteistuotannossa on yksi tämäntyyppisten polttokennojen eduista. Laitokset käyttävät häkää noin 1,5 %:n pitoisuutena, mikä laajentaa huomattavasti polttoainevalikoimaa. Lisäksi CO 2 ei vaikuta elektrolyyttiin ja polttokennon toimintaan, vaan tämän tyyppinen kenno toimii uudistetulla luonnonpolttoaineella. Yksinkertainen rakenne, alhainen elektrolyytin haihtuvuus ja parantunut vakaus ovat myös tämäntyyppisten polttokennojen etuja.

Lämpövoimalaitoksia, joiden sähköteho on jopa 500 kW, valmistetaan teollisesti. 11 MW:n laitteistot ovat läpäisseet asiaankuuluvat testit. Kehitellään laitoksia, joiden lähtöteho on jopa 100 MW.

Kiinteät oksidipolttokennot/kennot (SOFC)

Kiinteäoksidipolttokennot ovat polttokennoja, joiden käyttölämpötila on korkein. Käyttölämpötila voi vaihdella 600°C - 1000°C, mikä mahdollistaa erityyppisten polttoaineiden käytön ilman erityistä esikäsittelyä. Näiden korkeiden lämpötilojen käsittelemiseksi elektrolyyttinä käytetään ohutta keraamipohjaista kiinteää metallioksidia, usein yttriumin ja zirkoniumin seosta, joka on happi (O 2-) -ionien johde.

Kiinteä elektrolyytti tarjoaa hermeettisen kaasun siirtymisen elektrodista toiseen, kun taas nestemäiset elektrolyytit sijaitsevat huokoisessa substraatissa. Varauksen kantaja tämän tyyppisissä polttokennoissa on happi-ioni (O 2-). Katodilla happimolekyylit erotetaan ilmasta happi-ioniksi ja neljäksi elektroniksi. Happi-ionit kulkevat elektrolyytin läpi ja yhdistyvät vedyn kanssa muodostaen neljä vapaata elektronia. Elektronit ohjataan ulkoisen sähköpiirin kautta tuottaen sähkövirtaa ja hukkalämpöä.

Reaktio anodilla: 2H 2 + 2O 2- => 2H 2 O + 4e -
Reaktio katodilla: O 2 + 4e - \u003d\u003e 2O 2-
Yleinen alkuainereaktio: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Tuotetun sähköenergian hyötysuhde on polttokennoista korkein - noin 60-70 %. Korkeat käyttölämpötilat mahdollistavat yhdistetyn lämmön ja sähkön tuotannon korkeapaineisen höyryn tuottamiseksi. Korkean lämpötilan polttokennon yhdistäminen turbiiniin luo hybridipolttokennon, joka lisää sähköntuotannon hyötysuhdetta jopa 75 %.

Kiinteät oksidipolttokennot toimivat erittäin korkeissa lämpötiloissa (600°C-1000°C), jolloin optimaaliset käyttöolosuhteet saavuttavat pitkän ajan, ja järjestelmä reagoi hitaammin virrankulutuksen muutoksiin. Tällaisissa korkeissa käyttölämpötiloissa ei tarvita konvertteria ottamaan vetyä polttoaineesta, jolloin lämpövoimalaitos voi toimia suhteellisen epäpuhtailla polttoaineilla hiilen kaasutuksesta tai jätekaasuista ja vastaavista. Lisäksi tämä polttokenno sopii erinomaisesti suuritehoisiin sovelluksiin, mukaan lukien teollisuus- ja suuret keskusvoimalaitokset. Teollisesti tuotetut moduulit, joiden sähköteho on 100 kW.

Polttokennot/kennot, joissa on suora metanolihapetus (DOMTE)

Polttokennojen käyttö metanolin suoralla hapetuksella on käynnissä aktiivisen kehitysvaiheen aikana. Se on vakiinnuttanut asemansa menestyksekkäästi matkapuhelimien, kannettavien tietokoneiden ja kannettavien virtalähteiden luomisessa. mihin näiden elementtien tuleva soveltaminen tähtää.

Polttokennojen rakenne, joissa metanoli hapetetaan suoraan, on samanlainen kuin polttokennoissa, joissa on protoninvaihtokalvo (MOFEC), ts. polymeeriä käytetään elektrolyyttinä ja vety-ionia (protonia) käytetään varauksen kantajana. Nestemäinen metanoli (CH 3 OH) kuitenkin hapettuu veden läsnä ollessa anodilla vapauttaen CO 2:ta, vetyioneja ja elektroneja, jotka ohjataan ulkoisen sähköpiirin läpi, ja syntyy sähkövirta. Vetyionit kulkevat elektrolyytin läpi ja reagoivat ilman hapen ja ulkoisen piirin elektronien kanssa muodostaen vettä anodilla.

Reaktio anodilla: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Reaktio katodilla: 3/2O 2 + 6 H + + 6e - => 3H 2 O
Yleinen alkuainereaktio: CH 3 OH + 3/2O 2 => CO 2 + 2H 2 O

Tämän tyyppisten polttokennojen etuna on niiden pienet mitat, jotka johtuvat nestemäisen polttoaineen käytöstä ja muuntimen käyttötarpeen puuttumisesta.

Alkalipolttokennot (AFC)

Alkalipolttokennot ovat yksi tehokkaimmista sähköntuotantoon käytetyistä elementeistä, ja sähköntuotannon hyötysuhde on jopa 70 %.

Alkalisissa polttokennoissa käytetään elektrolyyttiä, eli kaliumhydroksidin vesiliuosta, joka on huokoisessa, stabiloidussa matriisissa. Kaliumhydroksidin pitoisuus voi vaihdella polttokennon käyttölämpötilan mukaan, joka vaihtelee välillä 65°C - 220°C. Varauksen kantaja SFC:ssä on hydroksidi-ioni (OH-), joka liikkuu katodilta anodille, jossa se reagoi vedyn kanssa tuottaen vettä ja elektroneja. Anodilla tuotettu vesi siirtyy takaisin katodille, jolloin syntyy jälleen hydroksidi-ioneja. Tämän polttokennossa tapahtuvan reaktiosarjan seurauksena syntyy sähköä ja sivutuotteena lämpöä:

Reaktio anodilla: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reaktio katodilla: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4 OH -
Järjestelmän yleinen reaktio: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

SFC-kennojen etuna on se, että nämä polttokennot ovat halvimpia valmistaa, koska elektrodeille tarvittava katalyytti voi olla mitä tahansa aineita, jotka ovat halvempia kuin muiden polttokennojen katalyytteinä käytetyt. SCFC:t toimivat suhteellisen alhaisissa lämpötiloissa ja ovat tehokkaimpia polttokennoja – tällaiset ominaisuudet voivat vastaavasti edistää nopeampaa sähköntuotantoa ja korkeaa polttoainetehokkuutta.

Yksi SHTE:n tunnusomaisista piirteistä on sen korkea herkkyys CO 2 :lle, joka voi olla polttoaineessa tai ilmassa. CO 2 reagoi elektrolyytin kanssa, myrkyttää sen nopeasti ja heikentää huomattavasti polttokennon tehokkuutta. Siksi SFC:iden käyttö rajoittuu suljettuihin tiloihin, kuten avaruus- ja vedenalaisiin ajoneuvoihin, niiden on toimittava puhtaalla vedyllä ja hapella. Lisäksi molekyylit, kuten CO, H 2 O ja CH4, jotka ovat turvallisia muille polttokennoille ja jopa polttoainetta joillekin niistä, ovat haitallisia SFC-yhdisteille.

Polymeerielektrolyyttipolttokennot/kennot (PETE)

Polympolymeerikalvo koostuu polymeerikuiduista, joissa on vesialueita, joissa on vesi-ionien johtuminen (H 2 O + (protoni, punainen) kiinnittyneenä vesimolekyyliin). Vesimolekyylit aiheuttavat ongelman hitaasta ioninvaihdosta johtuen. Siksi sekä polttoaineessa että pakoelektrodeissa tarvitaan korkea vesipitoisuus, mikä rajoittaa käyttölämpötilan 100°C:een.

Kiinteät happamat polttokennot/kennot (SCFC)

Kiinteissä happamissa polttokennoissa elektrolyytti (CsHSO 4 ) ei sisällä vettä. Käyttölämpötila on siis 100-300°C. SO 4 2- oksianionien pyöriminen mahdollistaa protonien (punaisten) liikkumisen kuvan osoittamalla tavalla. Tyypillisesti kiinteähappopolttokenno on kerros, jossa erittäin ohut kerros kiinteää happoyhdistettä on kerrostettu kahden tiiviisti puristetun elektrodin väliin hyvän kontaktin varmistamiseksi. Kuumennettaessa orgaaninen komponentti haihtuu poistuen elektrodien huokosten läpi, jolloin polttoaineen (tai kennon toisessa päässä olevan hapen), elektrolyytin ja elektrodien välillä on useita kontakteja.

Erilaisia ​​polttokennomoduuleja. polttokennoakku

1. Polttokennoakku
2. Muut korkean lämpötilan laitteet (integroitu höyrynkehitin, polttokammio, lämpötasapainon vaihtaja)
3. Lämmönkestävä eristys

polttokennomoduuli

Polttokennojen tyyppien ja lajikkeiden vertaileva analyysi

Innovatiiviset energiaa säästävät kunnalliset lämpö- ja voimalaitokset rakennetaan tyypillisesti kiinteisiin oksidipolttokennoihin (SOFC), polym(PEFC), fosforihappopolttokennoihin (PCFC), pr(MPFC) ja alkalisiin polttokennoihin ( APFC:t). Niillä on yleensä seuraavat ominaisuudet:

Kiinteät oksidipolttokennot (SOFC) tulisi tunnistaa sopivimmiksi, jotka:

• toimivat korkeammassa lämpötilassa, mikä vähentää kalliiden jalometallien (kuten platina) tarvetta
• voi toimia erityyppisillä hiilivetypolttoaineilla, pääasiassa maakaasulla
• niillä on pidempi käynnistysaika ja siksi ne sopivat paremmin pitkäaikaiseen käyttöön
• osoittaa korkeaa sähköntuotannon hyötysuhdetta (jopa 70 %)
• korkeiden käyttölämpötilojen ansiosta yksiköt voidaan yhdistää lämmöntalteenottojärjestelmiin, jolloin järjestelmän kokonaishyötysuhde on jopa 85 %.
• ovat lähes päästöttömiä, toimivat äänettömästi ja niillä on alhaiset käyttövaatimukset verrattuna olemassa oleviin sähköntuotantotekniikoihin

Polttokennotyyppi	Työskentelylämpötila	Sähköntuotannon tehokkuus	Polttoainetyyppi	Sovellusalue
RKTE	550-700 °C	50-70%		Keskikokoiset ja suuret asennukset
FKTE	100-220°C	35-40%	puhdasta vetyä	Suuret asennukset
MOPTE	30-100 °C	35-50%	puhdasta vetyä	Pienet asennukset
SOFC	450-1000°C	45-70%	Suurin osa hiilivetypolttoaineista	Pienet, keskisuuret ja suuret asennukset
POMTE	20-90 °C	20-30%	metanoli	Kannettava
SHTE	50-200°C	40-70%	puhdasta vetyä	avaruustutkimus
PETE	30-100 °C	35-50%	puhdasta vetyä	Pienet asennukset

Koska pienet lämpövoimalaitokset voidaan liittää tavanomaiseen kaasunsyöttöverkkoon, polttokennot eivät vaadi erillistä vedynsyöttöjärjestelmää. Käytettäessä pieniä kiintooksidipolttokennoihin perustuvia lämpövoimaloita syntyvä lämpö voidaan integroida lämmönvaihtimiin veden ja ilmanvaihtoilman lämmitykseen, mikä lisää järjestelmän kokonaishyötysuhdetta. Tämä innovatiivinen tekniikka soveltuu parhaiten tehokkaaseen sähköntuotantoon ilman kallista infrastruktuuria ja monimutkaista instrumenttien integrointia.

Polttokenno/kennosovellukset

Polttokennojen/kennojen käyttö tietoliikennejärjestelmissä

Langattomien viestintäjärjestelmien nopean leviämisen ympäri maailmaa sekä matkapuhelinteknologian kasvavien sosiaalisten ja taloudellisten hyötyjen myötä luotettavan ja kustannustehokkaan varavirran tarve on tullut kriittiseksi. Huonosta säästä, luonnonkatastrofeista tai rajallisesta verkkokapasiteetista johtuvat verkkokatkokset ympäri vuoden ovat jatkuva haaste kantaverkko-operaattoreille.

Perinteisiä tietoliikenteen varavirtaratkaisuja ovat akut (venttiiliohjattu lyijyakkukenno) lyhytaikaista varavirtaa varten ja diesel- ja propaanigeneraattorit pidempään varatehoa varten. Akut ovat suhteellisen halpa varavirtalähde 1–2 tunniksi. Akut eivät kuitenkaan sovellu pidempään varakäyttöaikaan, koska ne ovat kalliita ylläpitää, muuttuvat epäluotettavaksi pitkän käytön jälkeen, ovat herkkiä lämpötiloille ja ovat vaarallisia ympäristölle hävityksen jälkeen. Diesel- ja propaanigeneraattorit voivat tarjota jatkuvaa varavirtaa. Generaattorit voivat kuitenkin olla epäluotettavia, vaatia laajaa huoltoa ja päästää ilmakehään suuria määriä saasteita ja kasvihuonekaasuja.

Perinteisten varavoimaratkaisujen rajoitusten poistamiseksi on kehitetty innovatiivinen vihreä polttokennoteknologia. Polttokennot ovat luotettavia, hiljaisia, sisältävät vähemmän liikkuvia osia kuin generaattori, niiden käyttölämpötila-alue on akkua laajempi -40°C - +50°C ja näin ollen ne säästävät erittäin paljon energiaa. Lisäksi tällaisen laitoksen käyttöikäkustannukset ovat alhaisemmat kuin generaattorin. Alhaisemmat polttokennokustannukset ovat seurausta vain yhdestä huoltokäynnistä vuodessa ja merkittävästi korkeammasta laitoksen tuottavuudesta. Polttokenno on kuitenkin ympäristöystävällinen teknologiaratkaisu, jolla on minimaaliset ympäristövaikutukset.

Polttokennoyksiköt tarjoavat varavirtaa kriittisille tietolteleviestintäjärjestelmän langattomaan, pysyvään ja laajakaistaiseen tietoliikenteeseen, 250 W - 15 kW, ne tarjoavat monia vertaansa vailla olevia innovatiivisia ominaisuuksia:

• LUOTETTAVUUS– Vähän liikkuvia osia, ei valmiustilan purkausta
• ENERGIANSÄÄSTÖ
• HILJAISUUS– alhainen melutaso
• VAKAUS– käyttöalue -40°C - +50°C
• MUKAUTETTAVUUS– asennus ulko- ja sisätiloihin (kontti/suojakontti)
• KORKEAJÄNNITE– 15 kW asti
• ALHAINEN HUOLTOTARVE– vähimmäisvuosihuolto
• TALOUS- houkuttelevat kokonaisomistuskustannukset
• PUHDAS ENERGIA– alhaiset päästöt ja vähäiset ympäristövaikutukset

Järjestelmä tunnistaa tasavirtaväylän jännitteen koko ajan ja hyväksyy tasaisesti kriittiset kuormat, jos DC-väylän jännite laskee alle käyttäjän määrittämän asetusarvon. Järjestelmä toimii vedyllä, joka saapuu polttokennopinoon kahdella tavalla - joko kaupallisesta vedyn lähteestä tai nestemäisestä metanolista ja vedestä koostuvasta polttoaineesta käyttämällä laivan reformointijärjestelmää.

Polttokennopino tuottaa sähköä tasavirran muodossa. Tasavirta lähetetään muuntimelle, joka muuntaa polttokennopinon säätelemättömän DC-tehon korkealaatuiseksi säädetyksi tasatehoksi vaadituille kuormille. Polttokennoasennus voi tarjota varavirtaa useiksi päiviksi, koska kestoa rajoittaa vain varastossa olevan vedyn tai metanolin/vesipolttoaineen määrä.

Polttokennot tarjoavat ylivertaisen energiatehokkuuden, paremman järjestelmän luotettavuuden, ennustettavamman suorituskyvyn useissa eri ilmastoissa ja luotettavan käyttöiän verrattuna alan standardeihin venttiiliohjattuihin lyijyakkuihin. Elinkaarikustannukset ovat myös alhaisemmat, koska huolto- ja vaihtotarpeet ovat huomattavasti pienemmät. Polttokennot tarjoavat loppukäyttäjille ympäristöhyötyjä, sillä lyijyhappokennoihin liittyvät hävityskustannukset ja vastuuriskit ovat kasvava huolenaihe.

Sähköakkujen suorituskykyyn voivat vaikuttaa haitallisesti monet tekijät, kuten lataustaso, lämpötila, jaksot, käyttöikä ja muut muuttujat. Tarjottu energia vaihtelee näiden tekijöiden mukaan, eikä sitä ole helppo ennustaa. Nämä tekijät eivät vaikuta suhteellisen hyvin protoninvaihtokalvopolttokennon (PEMFC) suorituskykyyn, ja se voi tarjota kriittistä tehoa niin kauan kuin polttoainetta on saatavilla. Parempi ennustettavuus on tärkeä etu siirryttäessä polttokennoihin kriittisissä varavirtasovelluksissa.

Polttokennot tuottavat energiaa vain, kun polttoainetta syötetään, kuten kaasuturbiinigeneraattori, mutta niissä ei ole liikkuvia osia tuotantoalueella. Siksi, toisin kuin generaattori, ne eivät kulu nopeasti eivätkä vaadi jatkuvaa huoltoa ja voitelua.

Extended Duration Fuel Converterissa käytettävä polttoaine on metanolin ja veden seos. Metanoli on laajalti saatavilla oleva kaupallinen polttoaine, jolla on tällä hetkellä monia käyttötarkoituksia, mukaan lukien tuulilasin pesuaine, muovipullot, moottorin lisäaineet ja emulsiomaalit. Metanoli on helppo kuljettaa, sekoittuu veteen, sillä on hyvä biohajoavuus ja se on rikitöntä. Sen jäätymispiste on alhainen (-71°C), eikä se hajoa pitkän varastoinnin aikana.

Polttokennojen/kennojen käyttö viestintäverkoissa

Turvaverkot vaativat luotettavia varavirtaratkaisuja, jotka voivat kestää tunteja tai päiviä hätätilanteessa, jos sähköverkko ei ole käytettävissä.

Innovatiivinen polttokennoteknologia tarjoaa vain vähän liikkuvia osia eikä valmiustilan tehon vähennystä, joten se tarjoaa houkuttelevan ratkaisun nykyisiin varavoimajärjestelmiin verrattuna.

Pakottavin syy polttokennoteknologian käyttöön viestintäverkoissa on lisääntynyt yleinen luotettavuus ja turvallisuus. Tapahtumien, kuten sähkökatkojen, maanjäristysten, myrskyjen ja hurrikaanien, aikana on tärkeää, että järjestelmät jatkavat toimintaansa ja että niillä on luotettava varavirtalähde pitkän aikaa riippumatta varavirtajärjestelmän lämpötilasta tai iästä.

Polttokennoteholähteiden valikoima sopii ihanteellisesti turvallisten viestintäverkkojen tukemiseen. Energiaa säästävien suunnitteluperiaatteidensa ansiosta ne tarjoavat ympäristöystävällistä, luotettavaa varatehoa pitkäkestoisesti (jopa useita päiviä) käytettäväksi tehoalueella 250 W - 15 kW.

Polttokennojen/kennojen käyttö tietoverkoissa

Tietoverkkojen, kuten nopeiden tietoverkkojen ja valokuiturunkoverkkojen luotettava virransyöttö on avainasemassa kaikkialla maailmassa. Tällaisten verkkojen kautta välitetyt tiedot sisältävät tärkeitä tietoja laitoksille, kuten pankeille, lentoyhtiöille tai terveyskeskuksille. Sähkökatkos tällaisissa verkoissa ei ainoastaan ​​aiheuta vaaraa siirrettävälle tiedolle, vaan johtaa pääsääntöisesti myös merkittäviin taloudellisiin menetyksiin. Luotettavat, innovatiiviset polttokennoasennukset, jotka tarjoavat valmiustilassa virtaa, tarjoavat tarvitsemasi luotettavuuden varmistaaksesi keskeytymättömän virran.

Metanolin ja veden nestemäisellä polttoaineseoksella toimivat polttokennoyksiköt tarjoavat luotettavan varavirtalähteen pitkäkestoisesti, jopa useita päiviä. Lisäksi näissä laitteissa on huomattavasti pienemmät huoltovaatimukset verrattuna generaattoreihin ja akkuihin, mikä vaatii vain yhden huoltokäynnin vuodessa.

Tyypillisiä sovellusominaisuuksia polttokennoasennusten käytölle tietoverkoissa:

• Sovellukset tehotuloilla 100 W - 15 kW
• Sovellukset, joiden akun käyttöikä on > 4 tuntia
• Toistimet valokuitujärjestelmissä (synkronisten digitaalisten järjestelmien hierarkia, nopea internetyhteys, IP-ääni…)
• Nopeiden tiedonsiirtojen verkkosolmut
• WiMAX-siirtosolmut

Polttokennovalmiusasennukset tarjoavat lukuisia etuja kriittisille tietoverkkoinfrastruktuureille perinteisiin akku- tai dieselgeneraattoreihin verrattuna, mikä mahdollistaa suuremman käytön paikan päällä:

1. Nestemäinen polttoaineteknologia ratkaisee vedyn varastoinnin ongelman ja tarjoaa käytännössä rajattoman varavoiman.
2. Hiljaisen toiminnan, keveyden, äärimmäisten lämpötilojen kestävyyden ja lähes tärinättömän toiminnan ansiosta polttokennot voidaan asentaa ulos, teollisuustiloihin/kontteihin tai katoille.
3. Paikan päällä valmistautuminen järjestelmän käyttöön on nopeaa ja edullista, ja käyttökustannukset ovat alhaiset.
4. Polttoaine on biohajoavaa ja edustaa ympäristöystävällistä ratkaisua kaupunkiympäristöön.

Polttokennojen/kennojen käyttö turvajärjestelmissä

Huolellisesti suunnitellut rakennuksen turva- ja viestintäjärjestelmät ovat vain niin luotettavia kuin niiden teho on. Useimmissa järjestelmissä on jonkinlainen keskeytymätön varavirtajärjestelmä lyhytaikaisten tehohäviöiden varalta, mutta ne eivät tarjoa pidempiä sähkökatkoja, joita voi esiintyä luonnonkatastrofien tai terrori-iskujen jälkeen. Tämä voi olla kriittinen ongelma monille yrityksille ja valtion virastoille.

Tärkeät järjestelmät, kuten CCTV-valvonta- ja kulunvalvontajärjestelmät (henkilökortinlukijat, ovien sulkemislaitteet, biometrinen tunnistustekniikka jne.), automaattiset palohälytys- ja palonsammutusjärjestelmät, hissien ohjausjärjestelmät ja tietoliikenneverkot, ovat vaarassa ilman valvontaa. luotettava vaihtoehtoinen jatkuvan virransyötön lähde.

Dieselgeneraattorit ovat meluisia, vaikeasti löydettävissä, ja ne ovat hyvin tietoisia luotettavuudestaan ​​ja kunnossapitoon liittyvistä ongelmistaan. Sitä vastoin polttokennon vara-asennus on hiljainen, luotettava, päästötön tai erittäin vähäinen, ja se on helppo asentaa katolle tai rakennuksen ulkopuolelle. Se ei purkaudu tai menetä virtaa valmiustilassa. Se varmistaa kriittisten järjestelmien jatkuvan toiminnan myös laitoksen lopettamisen ja ihmisten hylkäämän rakennuksen jälkeen.

Innovatiiviset polttokennoasennukset suojaavat kalliita investointeja kriittisiin sovelluksiin. Ne tarjoavat ympäristöystävällistä, luotettavaa ja pitkäkestoista varatehoa (jopa monta päivää) käytettäväksi tehoalueella 250 W - 15 kW yhdistettynä lukuisiin ylittämättömiin ominaisuuksiin ja erityisesti korkeaan energiansäästöön.

Polttokennovarmistusyksiköt tarjoavat lukuisia etuja kriittisiin sovelluksiin, kuten turva- ja kiinteistönhallintajärjestelmiin verrattuna perinteisiin akku- tai dieselgeneraattoreihin. Nestemäinen polttoaineteknologia ratkaisee vedyn varastoinnin ongelman ja tarjoaa käytännössä rajattoman varavoiman.

Polttokennojen/kennojen käyttö kotitalouksien lämmitykseen ja sähköntuotantoon

Kiinteitä oksidipolttokennoja (SOFC) käytetään luotettavien, energiatehokkaiden ja päästöttömien lämpövoimaloiden rakentamiseen, jotka tuottavat sähköä ja lämpöä laajasti saatavilla olevasta maakaasusta ja uusiutuvista polttoaineista. Näitä innovatiivisia yksiköitä käytetään monilla eri markkinoilla kotimaisesta sähköntuotannosta syrjäisten alueiden sähköntoimitukseen sekä apuvoimanlähteisiin.

Polttokennojen/kennojen käyttö jakeluverkoissa

Pienet lämpövoimalaitokset on suunniteltu toimimaan hajautetussa sähköntuotantoverkossa, joka koostuu suuresta määrästä pieniä generaattoreita yhden keskitetyn voimalaitoksen sijaan.

Alla olevasta kuvasta näkyy sähköntuotannon hyötysuhteen menetys, kun se tuotetaan CHP:llä ja siirretään koteihin tällä hetkellä käytössä olevien perinteisten siirtoverkkojen kautta. Aluetuotannon hyötysuhdehäviöitä ovat voimalaitoksen häviöt, pien- ja suurjännitesiirrot sekä jakeluhäviöt.

Kuvassa on pienten lämpövoimalaitosten integroinnin tulokset: sähköä tuotetaan käyttöpisteessä jopa 60 %:n hyötysuhteella. Lisäksi kotitalous voi käyttää polttokennojen tuottamaa lämpöä veden ja tilan lämmitykseen, mikä lisää polttoaineen energian käsittelyn kokonaistehokkuutta ja parantaa energiansäästöä.

Polttokennojen käyttö ympäristön suojelemiseksi – siihen liittyvän öljykaasun käyttö

Yksi öljyteollisuuden tärkeimmistä tehtävistä on siihen liittyvän öljykaasun hyödyntäminen. Nykyisillä menetelmillä siihen liittyvän öljykaasun hyödyntämiseksi on monia haittoja, joista suurin on se, että ne eivät ole taloudellisesti kannattavia. Siihen liittyvää öljykaasua poltetaan, mikä aiheuttaa suurta haittaa ympäristölle ja ihmisten terveydelle.

Innovatiiviset polttokennolämpö- ja voimalaitokset, jotka käyttävät polttoaineena öljykaasua, avaavat tien radikaalille ja kustannustehokkaalle ratkaisulle siihen liittyvän öljykaasun hyödyntämisen ongelmiin.

1. Yksi polttokennolaitteistojen tärkeimmistä eduista on, että ne voivat toimia luotettavasti ja kestävästi vaihtelevan koostumuksen mukaan liittyvällä öljykaasulla. Polttokennon toiminnan taustalla olevasta liekettömästä kemiallisesta reaktiosta johtuen esimerkiksi metaanin prosenttiosuuden pieneneminen aiheuttaa vain vastaavan tehon pienenemisen.
2. Joustavuus suhteessa kuluttajien sähkökuormaan, differentiaaliin, kuormitusaaltoon.
3. Lämpövoimalaitosten asentamiseen ja kytkemiseen polttokennoille niiden toteuttaminen ei vaadi pääomakustannuksia, koska Yksiköt on helppo asentaa valmistelemattomiin paikkoihin peltojen lähelle, ne ovat helppokäyttöisiä, luotettavia ja tehokkaita.
4. Korkea automaatio ja moderni kauko-ohjaus eivät vaadi jatkuvaa henkilöstön läsnäoloa tehtaalla.
5. Suunnittelun yksinkertaisuus ja tekninen täydellisyys: liikkuvien osien, kitkan ja voitelujärjestelmien puuttuminen tarjoaa merkittäviä taloudellisia etuja polttokennoasennuksien toiminnasta.
6. Vedenkulutus: ei lainkaan ympäristön lämpötiloissa +30 °C asti ja merkityksetön korkeammissa lämpötiloissa.
7. Veden ulostulo: ei ole.
8. Lisäksi polttokennolämpövoimalaitokset eivät aiheuta melua, eivät tärise, eivät päästä haitallisia päästöjä ilmakehään

Vetypolttokennot muuttavat polttoaineen kemiallisen energian sähköksi ohittaen tehottomat, suurihäviöiset palamisprosessit ja lämpöenergian muuntamisen mekaaniseksi energiaksi. Vetypolttokenno on sähkökemiallinen laite tuottaa polttoaineen erittäin tehokkaan "kylmän" polton seurauksena suoraan sähköä. Protoninvaihtokalvo vety-ilmapolttokenno (PEMFC) on yksi lupaavimmista polttokennotekniikoista.

Kahdeksan vuotta sitten Länsi-Euroopassa avattiin kuusi nestemäistä dieselpumppua; niitä täytyy olla kaksisataa loppuun asti. Olemme kaukana tuhansista pikalatauspäätteistä, jotka kuoriutuvat kaikkialle edistämään sähköliikkeen leviämistä. Ja siinä se hankaus sattuu. Ja meidän on parempi ilmoittaa grafeenista.

Paristot eivät ole sanoneet viimeistä sanaansa

Se on enemmän kuin autonomia, joten latausajan rajoittaminen hidastaa sähköauton leviämistä. Hän kuitenkin muistutti tässä kuussa asiakkailleen osoitetusta huomautuksesta, jonka mukaan akkujen rajoitus on rajoitettu tämän tyyppisiin antureihin erittäin korkealla jännitteellä. Thomas Brachmanille kerrotaan, että vedyn jakeluverkkoa on vielä rakennettava. Väite, että hän lakaisee kättään muistuttaen, että pikalatausliittimien lisääminen on myös erittäin kallista korkeajännitekuparikaapelien suuren poikkileikkauksen vuoksi. "Nesteytetyn vedyn kuljettaminen kuorma-autolla on helpompaa ja halvempaa tuotantolaitosten lähellä olevista haudatuista säiliöistä."

Protoneja johtava polymeerikalvo erottaa kaksi elektrodia, anodin ja katodin. Jokainen elektrodi on hiililevy (matriisi), joka on päällystetty katalyytillä. Anodikatalyytissä molekyylivety dissosioituu ja luovuttaa elektroneja. Vetykationit johdetaan kalvon läpi katodille, mutta elektroneja luovutetaan ulkoiseen piiriin, koska kalvo ei päästä elektroneja läpi.

Vety ei ole vielä puhdas sähkön vektori

Mitä tulee itse akun hintaan, joka on erittäin arkaluontoista tietoa, Thomas Brachmannilla ei ole epäilystäkään siitä, että sitä voidaan vähentää merkittävästi tehokkuuden kasvaessa. "Platina on elementti, joka maksaa enemmän." Valitettavasti lähes kaikki vety on peräisin fossiilisista energialähteistä. Lisäksi divety on vain energian vektori, ei lähde, josta sen tuotannon aikana ei kuluteta vähäistä osaa, sen nesteytys ja sitten sen muuntaminen sähköksi.

Katodikatalyytissä happimolekyyli yhdistyy elektroniin (joka syötetään sähköpiiristä) ja sisään tulevaan protoniin ja muodostaa vettä, joka on ainoa reaktiotuote (höyryn ja/tai nesteen muodossa).

Kalvoelektrodilohkot valmistetaan vetypolttokennoista, jotka ovat energiajärjestelmän avaintekijä.

Tulevaisuuden auto käyttäytyy kuin aito

Akun saldo on noin kolme kertaa korkeampi, huolimatta kuljettajien kuumenemisesta johtuvista häviöistä. Valitettavasti ihmeauto ei tunkeudu teitämme, paitsi osana julkisia mielenosoituksia. Brachmann, joka muistuttaa, että sähköauton luonnollinen hiljaisuus lisää vaikutelmaa elämisestä meluisassa maailmassa. Kaikkea vastoin ohjaus- ja jarrupoljin takaa luonnollisen johdonmukaisuuden.

Pieni akku, mutta parempi suorituskyky

Laite on havaittavissa, keskinäyttö hajottaa oikeaan peiliin asetetun kameran kuvat heti, kun suuntavilkku aktivoituu. Suurin osa yhdysvaltalaisista asiakkaistamme ei enää vaadi, ja tämä antaa meille mahdollisuuden pitää hinnat alhaisina - perustelee pääinsinööri, joka tarjoaa halvemman hinnan kuin. Polttokennopinosta kannattaa todella puhua, sillä niitä on 358, jotka toimivat yhdessä. Pääsäiliö, jonka tilavuus on 117 litraa, painettuna penkin takaseinää vasten, estää sen taittamisen, ja toinen - 24 litraa - on piilotettu istuimen alle.

Vetypolttokennojen edut perinteisiin ratkaisuihin verrattuna:

- lisääntynyt ominaisenergiaintensiteetti (500 ÷ 1000 W*h/kg),

- laajennettu käyttölämpötila-alue (-40 0 C / +40 0 C),

- lämpöpisteen, melun ja tärinän puuttuminen,

- kylmäkäynnistyksen luotettavuus

- käytännössä rajoittamaton energian varastointiaika (itsepurkauksen puute),

Ensimmäinen kaksitahtinen polttokenno

Pienestä koostaan ​​huolimatta tämä uusi polttokenno muuntaa divedyn sähköksi nopeammin ja paremmin kuin edeltäjänsä. Se kuljettaa paaluelementit hapeksi nopeudella, jota aiemmin pidettiin ristiriidassa niiden kestävyyden kanssa. Ylimääräinen vesi, joka aiemmin rajoitti virtausnopeutta, on parasta poistaa. Tämän seurauksena teho elementtiä kohti kasvaa puoleen ja hyötysuhde saavuttaa 60%.

Tämä johtuu etuistuinten alla olevasta 1,7 kWh:n litiumioniakusta, joka mahdollistaa lisävirran syöttämisen voimakkaiden kiihtyvyyksien aikana. Joko ennusteen autonomia on 460 km, mikä vastaa täydellisesti valmistajan väitteitä.

- kyky muuttaa järjestelmän energiaintensiteettiä muuttamalla polttoainepatruunoiden määrää, mikä tarjoaa lähes rajattoman autonomian,

Mahdollisuus tarjota lähes mikä tahansa kohtuullinen järjestelmän energiaintensiteetti muuttamalla vetyvaraston kapasiteettia,

- korkea energiankulutus

- sietokyky vedyn epäpuhtauksille,

Mutta tuhat osaa helpottaa ilmavirtausta ja optimoi jäähdytyksen. Tämä sähköajoneuvo osoittaa vielä enemmän kuin edeltäjänsä, että polttokenno on valokeilassa. Suuri haaste toimialalle ja johtajillemme. Samaan aikaan erittäin fiksu, joka tietää, kumpi polttokenno tai akku voittaa.

Polttokenno on sähkökemiallinen energian muunnoslaite, joka voi tuottaa sähköä tasavirran muodossa yhdistämällä polttoaineen ja hapettimen kemiallisessa reaktiossa jätetuotteen, tyypillisesti polttoaineoksidin, tuottamiseksi.

- pitkä käyttöikä,

-työn ympäristöystävällisyys ja meluttomuus.

Vetypolttokennoihin perustuvat tehonsyöttöjärjestelmät UAV:ille:

Polttokennojen asennus päälle miehittämättömät ilma-alukset perinteisten akkujen sijaan se moninkertaistaa lennon keston, hyötykuorman painon, mahdollistaa lentokoneen luotettavuuden lisäämisen, laajentaa UAV:n laukaisun ja käytön lämpötila-aluetta laskemalla rajan -40 0С. Polttokennojärjestelmät ovat polttomoottoreihin verrattuna hiljaisia, tärinättömiä, toimivat alhaisissa lämpötiloissa, ovat vaikeasti havaittavissa lennon aikana, eivät tuota haitallisia päästöjä ja voivat suorittaa tehtäviä tehokkaasti videovalvonnasta hyötykuorman toimitukseen.

Jokaisessa polttokennossa on kaksi elektrodia, yksi positiivinen ja yksi negatiivinen, ja sähköä tuottava reaktio tapahtuu elektrodeilla elektrolyytin läsnä ollessa, joka kuljettaa varautuneita hiukkasia elektrodilta elektrodille, kun taas elektronit kiertävät elektrodien välissä olevissa ulkojohtimissa. sähkön luomiseen.

Polttokenno voi tuottaa sähköä jatkuvasti niin kauan kuin vaadittu polttoaineen ja hapettimen virtaus ylläpidetään. Jotkut polttokennot tuottavat vain muutaman watin, kun taas toiset voivat tuottaa useita satoja kilowatteja, kun taas pienempiä akkuja löytyy todennäköisesti kannettavissa tietokoneista ja matkapuhelimista, mutta polttokennot ovat liian kalliita pieniksi generaattoreiksi, joita käytettäisiin sähkön tuottamiseen koteihin ja yrityksiin.

UAV:n virtalähdejärjestelmän koostumus:

Polttokennojen taloudelliset mitat

Vedyn käyttö polttoaineena aiheuttaa huomattavia kustannuksia. Tästä syystä vety on nyt ei-taloudellinen lähde, erityisesti koska voidaan käyttää muita halvempia lähteitä. Vedyn tuotantokustannukset voivat vaihdella, koska ne kuvastavat niiden resurssien kustannuksia, joista se on otettu.

Akun polttoainelähteet

Polttokennot luokitellaan yleensä seuraaviin luokkiin: vetypolttokennot, orgaaniset polttokennot, metalliset polttokennot ja redox-akut. Kun vetyä käytetään polttoaineen lähteenä, kemiallinen energia muunnetaan sähköksi käänteisen hydrolyysin aikana, jolloin jätteeksi jää vain vettä ja lämpöä. Vetypolttokenno on hyvin alhainen, mutta se voi olla enemmän tai vähemmän korkea vedyn tuotannossa, varsinkin jos se on valmistettu fossiilisista polttoaineista.

• - polttokennoakku,
• - Li-Po-puskuriakku kattamaan lyhytaikaiset huippukuormitukset,
• - elektroninen ohjausjärjestelmä ,
• - polttoainejärjestelmä, joka koostuu sylinteristä, jossa on puristettua vetyä tai kiinteää vetylähdettä.

Polttoainejärjestelmä käyttää erittäin lujia kevyitä sylintereitä ja supistuslaitteita varmistaakseen puristetun vedyn maksimaalisen syötön aluksella. On sallittua käyttää erilaisia ​​​​standardikokoisia sylintereitä (0,5 - 25 litraa) supistimella, jotka tarjoavat tarvittavan vetyvirtauksen.

Vetyakut jaetaan kahteen luokkaan: matalan lämpötilan akut ja korkean lämpötilan akut, joissa korkean lämpötilan akut voivat myös käyttää suoraan fossiilisia polttoaineita. Jälkimmäiset koostuvat hiilivedyistä, kuten öljystä tai bensiinistä, alkoholista tai biomassasta.

Muita akkujen polttoainelähteitä ovat, mutta eivät rajoitu niihin, alkoholit, sinkki, alumiini, magnesium, ioniliuokset ja monet hiilivedyt. Muita hapettavia aineita ovat, mutta eivät rajoitu niihin, ilma, kloori ja klooridioksidi. Tällä hetkellä polttokennoja on useita tyyppejä.

UAV:n virtalähdejärjestelmän ominaisuudet:

Vetypolttokennoihin perustuvat kannettavat laturit:

Vetypolttokennoihin perustuvat kannettavat laturit ovat kompakteja laitteita, jotka ovat painoltaan ja mitoiltaan verrattavissa olemassa oleviin ja laajalti käytettyihin akkulaturiin maailmassa.

Nykymaailmassa kaikkialla oleva kannettava tekniikka on ladattava säännöllisesti. Perinteiset kannettavat järjestelmät ovat käytännössä hyödyttömiä negatiivisissa lämpötiloissa, ja ne vaativat tehtävänsä suorittamisen jälkeen myös lataamista käyttämällä (sähköverkkoja), mikä myös vähentää niiden tehokkuutta ja laitteen autonomiaa.

Jokaisessa divetymolekyylissä on 2 elektronia. H-ioni siirtyy anodilta katodille ja indusoi sähkövirran, kun elektroni siirtyy. Miltä lentokoneiden polttokennot voisivat näyttää? Nykyään lentokoneilla testataan lentämistä polttokennolitiumioniakulla. Polttokennon todellinen hyöty on sen alhaisessa painossa: se on kevyempi, mikä auttaa vähentämään lentokoneen painoa ja siten polttoaineen kulutusta.

Mutta toistaiseksi polttokennolentokoneella lentäminen ei ole mahdollista, koska siinä on edelleen monia haittoja. Kuva polttokennosta. Mitkä ovat polttokennon haitat? Ensinnäkin, jos vety olisi yleistä, sen käyttö suurina määrinä olisi ongelmallista. Itse asiassa se ei ole saatavilla vain maan päällä. Sitä löytyy happea sisältävästä vedestä, ammoniakista. Siksi on välttämätöntä suorittaa veden elektrolyysi sen saamiseksi, eikä tämä ole vielä laajalti käytetty menetelmä.

Vetypolttokennojärjestelmät vaativat vain kompaktin polttoainepatruunan vaihdon, jonka jälkeen laite on heti käyttövalmis.

Kannettavien laturien ominaisuudet:

Vetypolttokennoihin perustuvat keskeytymättömät virtalähteet:

Vetypolttokennoihin perustuvat keskeytymättömät virransyöttöjärjestelmät on suunniteltu järjestämään varavirtalähde ja tilapäinen virransyöttö. Vetypolttokennoihin perustuvat keskeytymättömät tehonsyöttöjärjestelmät tarjoavat merkittäviä etuja verrattuna perinteisiin tilapäisen ja varavirransyötön organisointiratkaisuihin, joissa käytetään akkuja ja dieselgeneraattoreita.

Vety on kaasu, ja siksi sitä on vaikea pitää sisällään ja kuljettaa. Toinen vedyn käyttöön liittyvä riski on räjähdysvaara, koska se on erittäin helposti syttyvä kaasu. se mikä toimittaa akkua sen tuotantoon suuressa mittakaavassa, vaatii erilaisen energialähteen, oli se sitten öljyä, kaasua tai hiiltä tai ydinvoimaa, mikä tekee sen ympäristötasapainosta huomattavasti huonomman kuin kerosiini ja tekee kasasta, platinasta, metallista, joka on vielä harvinaisempaa ja arvokkaampaa kuin kulta.

Polttokenno tuottaa energiaa hapettamalla polttoainetta anodilla ja pelkistämällä katodilla hapetinta. Polttokennoperiaatteen löytäminen ja ensimmäiset laboratoriototeutukset, joissa käytettiin rikkihappoa elektrolyyttinä, ovat kemisti William Groven ansiota.

Keskeytymättömän virtalähdejärjestelmän ominaisuudet:

polttoainekenno on galvaanisen kennon kaltainen sähkökemiallinen laite, mutta eroaa siitä siinä, että sähkökemiallisen reaktion aineet syötetään siihen ulkopuolelta - toisin kuin galvaaniseen kennoon tai akkuun varastoitunut rajoitettu energiamäärä.

Polttokennoissa onkin joitain etuja: divetyä ja dioksidia käyttävät päästävät vain vesihöyryä: kyseessä on siis puhdas tekniikka. Polttokennoja on useita tyyppejä riippuen elektrolyytin laadusta, polttoaineen laadusta, suorasta tai epäsuorasta hapetuksesta ja käyttölämpötilasta.

Seuraavassa taulukossa on yhteenveto näiden eri laitteiden tärkeimmistä ominaisuuksista. Useat eurooppalaiset ohjelmat etsivät muita polymeerejä, kuten polybentsimidatsolijohdannaisia, jotka ovat vakaampia ja halvempia. Akun tiiviys on myös jatkuva haaste 15-50 µm:n kalvoilla, huokoisilla hiilianodeilla ja ruostumattomasta teräksestä valmistetuilla bipolaarisilla levyillä. Myös käyttöikää voidaan pidentää, koska toisaalta muutaman miljoonasosan suuruiset hiilimonoksidijäämät vedyssä ovat todellisia myrkkyjä katalyytille, ja toisaalta polymeerin veden hallinta on välttämätöntä.

Riisi. yksi. Jotkut polttokennot

Polttokennot muuttavat polttoaineen kemiallisen energian sähköksi ohittaen tehottomia palamisprosesseja, jotka tapahtuvat suurilla häviöillä. Kemiallisen reaktion seurauksena ne muuttavat vedyn ja hapen sähköksi. Tämän prosessin seurauksena muodostuu vettä ja vapautuu suuri määrä lämpöä. Polttokenno on hyvin samanlainen kuin akku, joka voidaan ladata ja käyttää sitten sähköenergian varastointiin. Polttokennon keksijä on William R. Grove, joka keksi sen jo vuonna 1839. Tässä polttokennossa käytettiin elektrolyyttinä rikkihapon liuosta ja polttoaineena vetyä, joka sekoittui hapen kanssa hapetusväliaineessa. Viime aikoihin asti polttokennoja käytettiin vain laboratorioissa ja avaruusaluksissa.

Toisin kuin muut generaattorit, kuten polttomoottorit tai kaasulla, hiilellä, öljyllä jne. toimivat turbiinit, polttokennot eivät polta polttoainetta. Tämä tarkoittaa, että ei meluisia korkeapaineroottoreita, ei kovaa pakoputken ääntä, ei tärinää. Polttokennot tuottavat sähköä hiljaisen sähkökemiallisen reaktion kautta. Toinen polttokennojen ominaisuus on, että ne muuttavat polttoaineen kemiallisen energian suoraan sähköksi, lämmöksi ja vedeksi.

Polttokennot ovat erittäin tehokkaita eivätkä tuota suuria määriä kasvihuonekaasuja, kuten hiilidioksidia, metaania ja typpioksiduulia. Ainoat polttokennojen päästöt ovat vesihöyryn muodossa ja pieni määrä hiilidioksidia, jota ei vapaudu lainkaan, jos polttoaineena käytetään puhdasta vetyä. Polttokennot kootaan kokoonpanoiksi ja sitten yksittäisiksi toimintamoduuleiksi.

Polttokennoissa ei ole liikkuvia osia (ei ainakaan itse kennon sisällä), joten ne eivät noudata Carnotin lakia. Toisin sanoen niiden tehokkuus on yli 50 % ja ne ovat erityisen tehokkaita pienillä kuormilla. Näin ollen polttokennoajoneuvot voivat olla (ja on jo todistettu olevan) polttoainetehokkaampia kuin perinteiset ajoneuvot todellisissa ajo-olosuhteissa.

Polttokenno tuottaa tasavirtaa, jota voidaan käyttää sähkömoottorin, valaisimien ja muiden ajoneuvon sähköjärjestelmien ohjaamiseen.

Polttokennoja on useita tyyppejä, jotka eroavat käytetyistä kemiallisista prosesseista. Polttokennot luokitellaan yleensä käytetyn elektrolyytin tyypin mukaan.

Jotkut polttokennotyypit ovat lupaavia käytettäväksi voimalaitosten voimalaitoksina, kun taas toiset ovat kannettaviin laitteisiin tai autojen ajamiseen.

1. Alkalipolttokennot (AFC)

Alkalinen polttokenno- Tämä on yksi ensimmäisistä kehitetyistä elementeistä. Alkaliset polttokennot (ALFC) ovat yksi tutkituimmista tekniikoista, joita NASA on käyttänyt 1960-luvun puolivälistä lähtien Apollo- ja Space Shuttle -ohjelmissa. Näissä avaruusaluksissa polttokennot tuottavat sähköä ja juomavettä.

Alkalipolttokennot ovat yksi tehokkaimmista sähköntuotantoon käytetyistä elementeistä, ja sähköntuotannon hyötysuhde on jopa 70 %.

Alkalisissa polttokennoissa käytetään elektrolyyttiä, eli kaliumhydroksidin vesiliuosta, joka on huokoisessa, stabiloidussa matriisissa. Kaliumhydroksidin pitoisuus voi vaihdella polttokennon käyttölämpötilan mukaan, joka vaihtelee välillä 65°C - 220°C. Varauksen kantaja SFC:ssä on hydroksidi-ioni (OH-), joka siirtyy katodilta anodille, jossa se reagoi vedyn kanssa muodostaen vettä ja elektroneja. Anodilla tuotettu vesi siirtyy takaisin katodille, jolloin syntyy jälleen hydroksidi-ioneja. Tämän polttokennossa tapahtuvan reaktiosarjan seurauksena syntyy sähköä ja sivutuotteena lämpöä:

Anodireaktio: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e

Reaktio katodilla: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH

Järjestelmän yleinen reaktio: 2H2 + O2 => 2H2O

SFC-kennojen etuna on se, että nämä polttokennot ovat halvimpia valmistaa, koska elektrodeille tarvittava katalyytti voi olla mitä tahansa aineita, jotka ovat halvempia kuin muiden polttokennojen katalyytteinä käytetyt. Lisäksi SFC:t toimivat suhteellisen alhaisissa lämpötiloissa ja ovat tehokkaimpia.

Yksi SFC:n ominaispiirteistä on sen korkea herkkyys CO2:lle, joka voi olla polttoaineessa tai ilmassa. CO2 reagoi elektrolyytin kanssa, myrkyttää sen nopeasti ja heikentää huomattavasti polttokennon tehokkuutta. Siksi SFC:iden käyttö rajoittuu suljettuihin tiloihin, kuten avaruus- ja vedenalaisiin ajoneuvoihin, ne toimivat puhtaalla vedyllä ja hapella.

2. Karbonaattisulatetut polttokennot (MCFC)

Polttokennot sulalla karbonaattielektrolyytillä ovat korkean lämpötilan polttokennoja. Korkea käyttölämpötila mahdollistaa maakaasun suoran käytön ilman polttoaineprosessoria ja matalalämpöarvoista polttokaasua prosessipolttoaineista ja muista lähteistä. Tämä prosessi kehitettiin 1960-luvun puolivälissä. Siitä lähtien valmistustekniikkaa, suorituskykyä ja luotettavuutta on parannettu.

RCFC:n toiminta eroaa muista polttokennoista. Nämä kennot käyttävät elektrolyyttiä sulan karbonaattisuolojen seoksesta. Tällä hetkellä käytetään kahden tyyppisiä seoksia: litiumkarbonaattia ja kaliumkarbonaattia tai litiumkarbonaattia ja natriumkarbonaattia. Karbonaattisuolojen sulattamiseksi ja ionien korkean liikkuvuuden saavuttamiseksi elektrolyytissä polttokennot, joissa on sulaa karbonaattielektrolyyttiä, toimivat korkeissa lämpötiloissa (650 °C). Tehokkuus vaihtelee välillä 60-80 %.

Kuumennettaessa 650 °C:n lämpötilaan suoloista tulee karbonaatti-ionien (CO32-) johtimia. Nämä ionit kulkevat katodilta anodille, jossa ne yhdistyvät vedyn kanssa muodostaen vettä, hiilidioksidia ja vapaita elektroneja. Nämä elektronit lähetetään ulkoisen sähköpiirin kautta takaisin katodille, jolloin sivutuotteena syntyy sähkövirtaa ja lämpöä.

Anodireaktio: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e

Reaktio katodilla: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-

Yleinen alkuainereaktio: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(katodi) => H2O(g) + CO2(anodi)

Sulavien karbonkorkeilla käyttölämpötiloilla on tiettyjä etuja. Etuna on kyky käyttää vakiomateriaaleja (ruostumaton teräslevy ja nikkelikatalyytti elektrodeissa). Hukkalämmöstä voidaan valmistaa korkeapaineista höyryä. Myös korkeilla reaktiolämpötiloilla elektrolyytissä on etunsa. Korkeiden lämpötilojen käytössä kestää kauan saavuttaa optimaaliset käyttöolosuhteet ja järjestelmä reagoi hitaammin energiankulutuksen muutoksiin. Nämä ominaisuudet mahdollistavat sulan karbonaattielektrolyytin sisältävien polttokennojärjestelmien käytön tasaisen tehon olosuhteissa. Korkeat lämpötilat estävät polttokennoa vahingoittamasta hiilimonoksidin, "myrkytysten" jne.

Sulat karbonaattipolttokennot soveltuvat käytettäväksi suurissa kiinteissä asennuksissa. Lämpövoimalaitoksia, joiden sähköteho on 2,8 MW, valmistetaan teollisesti. Kehitellään laitoksia, joiden lähtöteho on jopa 100 MW.

3. Fosforihappoon (PFC) perustuvat polttokennot

Fosfori(ortofosfori)happoon perustuvat polttokennot tuli ensimmäiset polttokennot kaupalliseen käyttöön. Tämä prosessi kehitettiin XX-luvun 60-luvun puolivälissä, testejä on tehty XX-luvun 70-luvulta lähtien. Tämän seurauksena vakaus ja suorituskyky ovat lisääntyneet ja kustannukset ovat laskeneet.

Fosfori(ortofosfori)happoon perustuvissa polttokennoissa käytetään ortofosforihappoon (H3PO4) perustuvaa elektrolyyttiä, jonka pitoisuus on jopa 100 %. Fosforihapon ioninjohtavuus on alhainen matalissa lämpötiloissa, joten näitä polttokennoja käytetään 150-220°C lämpötiloissa.

Varauksen kantaja tämän tyyppisissä polttokennoissa on vety (H+, protoni). Samanlainen prosessi tapahtuu pr(MEFC), joissa anodille syötetty vety jaetaan protoneiksi ja elektroneiksi. Protonit kulkevat elektrolyytin läpi ja yhdistyvät katodilla ilmasta tulevan hapen kanssa muodostaen vettä. Elektronit ohjataan ulkoista sähköpiiriä pitkin ja syntyy sähkövirta. Alla on reaktiot, jotka tuottavat sähköä ja lämpöä.

Anodireaktio: 2H2 => 4H+ + 4e

Reaktio katodilla: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O

Yleinen alkuainereaktio: 2H2 + O2 => 2H2O

Fosfori (ortofosfori) happoon perustuvien polttokennojen hyötysuhde on yli 40 % sähköenergian tuotannossa. Lämmön ja sähkön yhteistuotannossa kokonaishyötysuhde on noin 85 %. Lisäksi hukkalämpöä voidaan käyttölämpötiloissa käyttää veden lämmittämiseen ja höyryn tuottamiseen ilmakehän paineessa.

Fosfori (ortofosfori) happoon perustuvien polttokennojen lämpövoimalaitosten korkea suorituskyky lämmön ja sähkön yhteistuotannossa on yksi tämäntyyppisten polttokennojen eduista. Laitokset käyttävät häkää noin 1,5 %:n pitoisuutena, mikä laajentaa huomattavasti polttoainevalikoimaa. Yksinkertainen rakenne, alhainen elektrolyytin haihtuvuus ja lisääntynyt stabiilisuus ovat myös tällaisten polttokennojen etuja.

Teollisesti tuotetaan lämpövoimaloita, joiden sähköteho on jopa 400 kW. Teholtaan 11 MW:n laitokset ovat läpäisseet asiaankuuluvat testit. Kehitellään laitoksia, joiden lähtöteho on jopa 100 MW.

4. Polttokennot protoninvaihtokalvolla (MOFEC)

Polttokennot protoninvaihtokalvolla katsotaan olevan paras polttokennotyyppi ajoneuvojen sähköntuotannossa, joka voi korvata bensiini- ja dieselpolttomoottorit. NASA käytti näitä polttokennoja ensimmäisenä Gemini-ohjelmassa. MOPFC-asennukset teholla 1 W - 2 kW on kehitetty ja esitetty.

Näiden polttokennojen elektrolyytti on kiinteä polymeerikalvo (ohut muovikalvo). Kun tämä polymeeri on kyllästetty vedellä, se läpäisee protonit, mutta ei johda elektroneja.

Polttoaine on vety ja varauksenkantaja vetyioni (protoni). Anodilla vetymolekyyli erotetaan vetyioniksi (protoniksi) ja elektroneiksi. Vetyionit kulkevat elektrolyytin läpi katodille, kun taas elektronit liikkuvat ulkokehän ympäri ja tuottavat sähköenergiaa. Happi, joka otetaan ilmasta, syötetään katodille ja yhdistyy elektronien ja vetyionien kanssa muodostaen vettä. Seuraavat reaktiot tapahtuvat elektrodeilla: Anodireaktio: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4eKatonireaktio: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH Kennojen kokonaisreaktio: 2H2 + O2 => 2H2O Verrattuna muihin polttokennoihin, polttokennoihin protoninvaihtokalvolla tuottaa enemmän energiaa polttokennon tietylle tilavuudelle tai painolle. Tämän ominaisuuden ansiosta ne ovat kompakteja ja kevyitä. Lisäksi käyttölämpötila on alle 100°C, mikä mahdollistaa nopean käytön. Nämä ominaisuudet sekä kyky muuttaa nopeasti energiantuotantoa ovat vain muutamia ominaisuuksia, jotka tekevät näistä polttokennoista erinomaisen ehdokkaan käytettäväksi ajoneuvoissa.

Toinen etu on, että elektrolyytti on kiinteää ainetta enemmän kuin nestettä. Kiinteällä elektrolyytillä on helpompi pitää kaasut katodilla ja anodilla, joten tällaiset polttokennot ovat halvempia valmistaa. Kiinteää elektrolyyttiä käytettäessä ei ole vaikeuksia, kuten orientaatio, ja vähemmän ongelmia korroosion esiintymisen vuoksi, mikä lisää kennon ja sen komponenttien kestävyyttä.

5. Kiinteät oksidipolttokennot (SOFC)

Kiinteät oksidipolttokennot ovat polttokennoja, joiden käyttölämpötila on korkein. Käyttölämpötila voi vaihdella 600°C - 1000°C, mikä mahdollistaa erityyppisten polttoaineiden käytön ilman erityistä esikäsittelyä. Näiden korkeiden lämpötilojen käsittelemiseksi elektrolyyttinä käytetään ohutta keraamipohjaista kiinteää metallioksidia, usein yttriumin ja zirkoniumin seosta, joka on happi- (O2-)-ionien johde. Kiinteiden oksidien polttokennojen käyttötekniikkaa on kehitetty 1950-luvun lopulta lähtien, ja siinä on kaksi konfiguraatiota: tasomainen ja putkimainen.

Kiinteä elektrolyytti tarjoaa hermeettisen kaasun siirtymisen elektrodista toiseen, kun taas nestemäiset elektrolyytit sijaitsevat huokoisessa substraatissa. Varauksen kantaja tämän tyyppisissä polttokennoissa on happi-ioni (О2-). Katodilla happimolekyylit erotetaan ilmasta happi-ioniksi ja neljäksi elektroniksi. Happi-ionit kulkevat elektrolyytin läpi ja yhdistyvät vedyn kanssa muodostaen neljä vapaata elektronia. Elektronit ohjataan ulkoisen sähköpiirin läpi tuottaen sähkövirtaa ja hukkalämpöä.

Anodireaktio: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e

Reaktio katodilla: O2 + 4e- => 2O2-

Yleinen alkuainereaktio: 2H2 + O2 => 2H2O

Sähköenergian tuotannon hyötysuhde on polttokennoista korkein - noin 60 %. Lisäksi korkeat käyttölämpötilat mahdollistavat yhdistetyn lämmön ja sähkön tuotannon korkeapaineisen höyryn tuottamiseksi. Korkean lämpötilan polttokennon yhdistäminen turbiiniin luo hybridipolttokennon, joka lisää sähköntuotannon hyötysuhdetta jopa 70 %.

Kiinteäoksidipolttokennot toimivat erittäin korkeissa lämpötiloissa (600°C - 1000°C), mikä johtaa merkittävästi optimaalisten käyttöolosuhteiden saavuttamiseen, ja järjestelmä reagoi hitaammin virrankulutuksen muutoksiin. Tällaisissa korkeissa käyttölämpötiloissa ei tarvita konvertteria ottamaan vetyä polttoaineesta, jolloin lämpövoimalaitos voi toimia suhteellisen epäpuhtailla polttoaineilla hiilen kaasutuksesta tai jätekaasuista ja vastaavista. Lisäksi tämä polttokenno sopii erinomaisesti suuritehoisiin sovelluksiin, mukaan lukien teollisuus- ja suuret keskusvoimalaitokset. Teollisesti tuotetut moduulit, joiden sähköteho on 100 kW.

6. Polttokennot, joissa on suora metanolihapetus (DOMTE)

Polttokennot, joissa on suora metanolihapetus käytetään menestyksekkäästi matkapuhelimien, kannettavien tietokoneiden virtalähteenä sekä kannettavien virtalähteiden luomiseen, mihin tällaisten elementtien tuleva käyttö on tarkoitettu.

Polttokennojen rakenne, joissa metanoli hapetetaan suoraan, on samanlainen kuin protoninvaihtokalvolla (MOFEC) varustettujen polttokennojen rakenne, ts. polymeeriä käytetään elektrolyyttinä ja vety-ionia (protonia) käytetään varauksen kantajana. Mutta nestemäinen metanoli (CH3OH) hapettuu veden läsnä ollessa anodilla, jolloin vapautuu CO2:ta, vetyioneja ja elektroneja, jotka lähetetään ulkoisen sähköpiirin kautta, ja syntyy sähkövirta. Vetyionit kulkevat elektrolyytin läpi ja reagoivat ilman hapen ja ulkoisen piirin elektronien kanssa muodostaen vettä anodilla.

Anodireaktio: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6eKatodireaktio: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O Alkuainereaktio: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O 1990-luku ja niiden ominaisteho ja hyötysuhde lisääntyivät 40 %:iin.

Nämä elementit testattiin lämpötila-alueella 50-120 °C. Alhaisten käyttölämpötilojen ja muuntimen tarpeettomuuden vuoksi nämä polttokennot soveltuvat parhaiten matkapuhelimiin ja muihin kuluttajatuotteisiin sekä autojen moottoreihin. Niiden etuna on myös pienet mitat.

7. Po(PETE)

Polympolymeerikalvo koostuu polymeerikuiduista, joissa on vesialueita, joissa vesi-ionien H2O+ (protoni, punainen) johtuminen on kiinnittynyt vesimolekyyliin. Vesimolekyylit aiheuttavat ongelman hitaasta ioninvaihdosta johtuen. Siksi sekä polttoaineessa että pakoelektrodeissa tarvitaan korkea vesipitoisuus, mikä rajoittaa käyttölämpötilan 100°C:een.

8. Kiinteät happamat polttokennot (SCFC)

Kiinteissä happamissa polttokennoissa elektrolyytti (CsHSO4) ei sisällä vettä. Käyttölämpötila on siis 100-300°C. SO42-oksianionien pyöriminen mahdollistaa protonien (punaisten) liikkumisen kuvan osoittamalla tavalla. Tyypillisesti kiinteähappopolttokenno on kerros, jossa erittäin ohut kerros kiinteää happoyhdistettä on kerrostettu kahden tiiviisti puristetun elektrodin väliin hyvän kontaktin varmistamiseksi. Kuumennettaessa orgaaninen komponentti haihtuu poistuen elektrodien huokosten läpi, jolloin polttoaineen (tai kennon toisessa päässä olevan hapen), elektrolyytin ja elektrodien välillä on useita kontakteja.

9. Polttokennojen tärkeimpien ominaisuuksien vertailu

Polttokennon ominaisuudet

Polttokennotyyppi	Työskentelylämpötila	Sähköntuotannon tehokkuus	Polttoainetyyppi	Laajuus
				Keskikokoiset ja suuret asennukset
			puhdasta vetyä	asennukset
			puhdasta vetyä	Pienet asennukset
			Suurin osa hiilivetypolttoaineista	Pienet, keskisuuret ja suuret asennukset
				Kannettava asennukset
			puhdasta vetyä	Avaruus tutkittu
			puhdasta vetyä	Pienet asennukset

10. Polttokennojen käyttö autoissa

Tiedon ekologia. Tiede ja teknologia: Mobiilielektroniikka kehittyy vuosi vuodelta, yleistyy ja helpottaa saatavuutta: kämmentietokoneet, kannettavat tietokoneet, mobiili- ja digitaaliset laitteet, valokuvakehykset jne. Kaikkia niitä täydennetään jatkuvasti

DIY polttokenno kotona

Mobiilielektroniikka kehittyy vuosi vuodelta, yleistyy ja helpottaa saatavuutta: kämmentietokoneet, kannettavat tietokoneet, mobiili- ja digitaaliset laitteet, valokuvakehykset jne. Kaikkiin niihin päivitetään jatkuvasti uusia ominaisuuksia, suurempia näyttöjä, langatonta viestintää, vahvemmat prosessorit, mutta niiden määrä vähenee koko.. Tehoteknologiat, toisin kuin puolijohdeteknologia, eivät kulje harppauksin.

Käytettävissä olevat paristot ja akut teollisuuden saavutusten tehostamiseksi ovat alkamassa riittämättömäksi, joten vaihtoehtoisten lähteiden kysymys on erittäin akuutti. Polttokennot ovat ylivoimaisesti lupaavin suunta. Niiden toimintaperiaatteen löysi jo vuonna 1839 William Grove, joka tuotti sähköä muuttamalla veden elektrolyysiä.

Mitä ovat polttokennot?

Video: dokumentti, liikenteen polttokennot: menneisyys, nykyisyys, tulevaisuus

Polttokennot kiinnostavat autonvalmistajia, ja niistä ovat kiinnostuneita myös avaruusalusten tekijät. Vuonna 1965 Amerikka jopa testasi niitä avaruuteen lähetetyllä Gemini 5:llä ja myöhemmin Apollolla. Polttokennotutkimukseen panostetaan miljoonia dollareita vielä tänäkin päivänä, kun ympäristön saastumiseen liittyy ongelmia, jotka kasvavat fossiilisten polttoaineiden poltosta aiheutuviin kasvihuonekaasupäästöihin, joiden varastot eivät myöskään ole loputtomat.

Polttokenno, jota usein kutsutaan sähkökemialliseksi generaattoriksi, toimii alla kuvatulla tavalla.

Akkujen ja paristojen tapaan galvaaninen kenno, mutta sillä erolla, että aktiiviset aineet varastoidaan siihen erikseen. Ne tulevat elektrodeille sitä mukaa kun niitä käytetään. Luonnonpolttoaine tai mikä tahansa siitä saatu aine palaa negatiivisella elektrodilla, joka voi olla kaasumaista (esim. vety ja hiilimonoksidi) tai nestemäistä, kuten alkoholit. Positiivisella elektrodilla happi yleensä reagoi.

Mutta yksinkertaisen näköistä toimintaperiaatetta ei ole helppo muuntaa todellisuudeksi.

DIY polttokenno

Valitettavasti meillä ei ole kuvia siitä, miltä tämän polttoaine-elementin pitäisi näyttää, toivomme mielikuvitustasi.

Pienitehoinen polttokenno omilla käsillä voidaan valmistaa jopa koulun laboratoriossa. On tarpeen varastoida vanha kaasunaamari, useita pleksilasia, alkalia ja etyylialkoholin vesiliuosta (yksinkertaisemmin vodkaa), joka toimii polttokennon "polttoaineena".

Ensinnäkin polttokennolle tarvitset kotelon, joka on parasta tehdä vähintään viiden millimetrin paksuisesta pleksilasista. Sisäiset väliseinät (viisi lokeroa sisällä) voidaan tehdä hieman ohuemmaksi - 3 cm. Pleksilasin liimaamiseen käytetään seuraavan koostumuksen liimaa: kuusi grammaa pleksilastuja liuotetaan sataan grammaan kloroformia tai dikloorietaania (ne toimivat konepellin alla ).

Ulkoseinään on nyt tarpeen porata reikä, johon sinun on asetettava tyhjennyslasiputki, jonka halkaisija on 5-6 senttimetriä kumitulpan läpi.

Kaikki tietävät, että jaksollisessa taulukossa vasemmassa alakulmassa on aktiivisimmat metallit ja korkea-aktiiviset metalloidit ovat taulukossa oikeassa yläkulmassa, ts. kyky luovuttaa elektroneja kasvaa ylhäältä alas ja oikealta vasemmalle. Elementit, jotka voivat tietyissä olosuhteissa ilmetä metalleina tai metalloideina, ovat taulukon keskellä.

Nyt kaadamme toisessa ja neljännessä osastossa aktiivihiiltä kaasunaamarista (ensimmäisen väliseinän ja toisen sekä kolmannen ja neljännen välissä), joka toimii elektrodeina. Jotta hiili ei läikkyisi reikien läpi, se voidaan laittaa nylonkankaaseen (naisten nylonsukkahousut käyvät).

Polttoaine kiertää ensimmäisessä kammiossa, viidennessä tulisi olla hapen toimittaja - ilma. Elektrolyyttiä tulee elektrodien väliin, ja jotta se ei pääse vuotamaan ilmakammioon, se on liotettava parafiiniliuoksella bensiinissä (suhde 2 grammaa parafiinia puoleen lasilliseen bensiiniä) ennen kuin täytät neljännen kammion hiilellä ilmaelektrolyyttiä varten. Hiilikerroksen päälle on asetettava (hieman puristavia) kuparilevyjä, joihin johdot juotetaan. Niiden kautta virta ohjataan elektrodeilta.

Jäljelle jää vain elementin lataaminen. Tätä varten tarvitaan vodkaa, joka on laimennettava vedellä suhteessa 1: 1. Lisää sitten varovasti kolmesataa-kolmesataaviisikymmentä grammaa kaustista kaliumia. Elektrolyyttiä varten 70 grammaa emäksistä kaliumia liuotetaan 200 grammaan vettä.

Polttokenno on valmis testattavaksi. Nyt sinun on kaada samanaikaisesti polttoainetta ensimmäiseen kammioon ja elektrolyyttiä kolmanteen. Elektrodeihin kiinnitetyn volttimittarin pitäisi näyttää 07 volttia 0,9 volttiin. Elementin jatkuvan toiminnan varmistamiseksi on välttämätöntä tyhjentää käytetty polttoaine (tyhjentää lasiin) ja lisätä uutta polttoainetta (kumiputken kautta). Syöttönopeutta säädetään puristamalla putkea. Tältä näyttää laboratorio-olosuhteissa polttokennon toiminta, jonka teho on ymmärrettävästi pieni.

Tehon lisäämiseksi tiedemiehet ovat työskennelleet tämän ongelman parissa pitkään. Metanoli ja etanolipolttokennot sijaitsevat aktiivisen kehitysteräksen päällä. Mutta valitettavasti toistaiseksi ei ole mahdollista toteuttaa niitä käytännössä.

Miksi polttokenno on valittu vaihtoehtoiseksi virtalähteeksi?

Vaihtoehtoiseksi voimanlähteeksi valittiin polttokenno, koska vedyn palamisen lopputuote siinä on vesi. Ongelmana on vain löytää halpa ja tehokas tapa tuottaa vetyä. Vetygeneraattoreiden ja polttokennojen kehittämiseen sijoitetut valtavat varat eivät voi olla kantamatta hedelmää, joten tekninen läpimurto ja niiden todellinen käyttö arjessa on vain ajan kysymys.

Jo tänään autoteollisuuden hirviöt: General Motors, Honda, Dreimler Coisler, Ballard esittelevät linja-autoja ja autoja, jotka toimivat polttokennoilla, joiden teho on jopa 50 kW. Mutta niiden turvallisuuteen, luotettavuuteen ja kustannuksiin liittyviä ongelmia ei ole vielä ratkaistu. Kuten jo mainittiin, toisin kuin perinteiset virtalähteet - akut ja akut, tässä tapauksessa hapetin ja polttoaine syötetään ulkopuolelta, ja polttokenno on vain välittäjä käynnissä olevassa reaktiossa polttoaineen polttamiseksi ja vapautuneen energian muuntamiseksi sähköksi. . "Palovamma" tapahtuu vain, jos elementti antaa virran kuormaan, kuten dieselsähkögeneraattori, mutta ilman generaattoria ja dieseliä, ja myös ilman melua, savua ja ylikuumenemista. Samaan aikaan tehokkuus on paljon suurempi, koska välimekanismeja ei ole.

Suuria toiveita asetetaan nanoteknologioiden ja nanomateriaalien käyttöön, mikä auttaa pienentämään polttokennoja ja lisäämään niiden tehoa. On raportoitu, että on luotu erittäin tehokkaita katalyyttejä sekä polttokennomalleja, joissa ei ole kalvoja. Niissä yhdessä hapettimen kanssa polttoainetta (esimerkiksi metaania) syötetään elementtiin. Mielenkiintoisia ovat ratkaisut, joissa hapettavana aineena käytetään veteen liuennutta happea ja polttoaineena saastuneisiin vesiin kertyviä orgaanisia epäpuhtauksia. Nämä ovat niin sanottuja biopolttokennoja.

Polttokennot voivat asiantuntijoiden mukaan tulla massamarkkinoille tulevina vuosina. julkaistu

Liity joukkoomme klo

Patentin RU 2379795 omistajat:

Keksintö koskee suoravaikutteisia alkoholipolttokennoja, joissa käytetään kiinteitä happamia elektrolyyttejä ja sisäisiä reformointikatalyyttejä. Keksinnön teknisenä tuloksena on lisätty elementin ominaisteho ja jännite. Keksinnön mukaisesti polttokenno sisältää anodin, katodin, kiinteän happoelektrolyytin, kaasudiffuusiokerroksen ja sisäisen reformointikatalyytin. Sisäinen reformointikatalyytti voi käsittää minkä tahansa sopivan reformaattorin ja se on anodin vieressä. Tässä konfiguraatiossa polttokennokatalyytin eksotermisissä reaktioissa syntyvä lämpö ja polttokennoelektrolyytin ohminen kuumennus on liikkeellepaneva voima endotermiselle polttoaineen reformointireaktiolle alkoholipolttoaineen muuntamiseksi vedyksi. On mahdollista käyttää mitä tahansa alkoholipolttoainetta, kuten metanolia tai etanolia. 5 n. ja 20 z.p. f-ly, 4 ill.

Tekninen ala

Keksintö koskee suoravaikutteisia alkoholipolttokennoja, joissa käytetään kiinteitä happamia elektrolyyttejä.

alan huippua

Alkoholit ovat viime aikoina joutuneet intensiivisen tarkastelun kohteeksi mahdollisina polttoaineina. Alkoholit, kuten metanoli ja etanoli, ovat erityisen haluttuja polttoaineina, koska niiden ominaisenergiat ovat 5-7 kertaa tavallisen puristetun vedyn ominaisenergiat. Esimerkiksi yksi litra metanolia vastaa energeettisesti 5,2 litraa 320 atm:n paineeseen puristettua vetyä. Lisäksi yksi litra etanolia vastaa energeettisesti 7,2 litraa 350 atm:n paineeseen puristettua vetyä. Tällaiset alkoholit ovat myös toivottavia, koska niitä on helppo käsitellä, varastoida ja kuljettaa.

Metanolia ja etanolia on tutkittu paljon alkoholipolttoaineiden osalta. Etanolia saadaan fermentoimalla sokeria ja tärkkelystä sisältäviä kasveja. Metanolia voidaan saada kaasuttamalla puuta tai jätepuuta/viljaa (olki). Metanolin synteesi on kuitenkin tehokkaampaa. Nämä alkoholit ovat muun muassa uusiutuvia luonnonvaroja ja siksi niillä odotetaan olevan tärkeä rooli sekä kasvihuonekaasupäästöjen vähentämisessä että riippuvuuden vähentämisessä fossiilisista polttoaineista.

Polttokennoja on ehdotettu laitteiksi, jotka muuttavat tällaisten alkoholien kemiallisen energian sähköenergiaksi. Tältä osin suoravaikutteisia alkoholipolttokennoja, joissa on polymeerielektrolyyttikalvot, on tutkittu intensiivisesti. Erityisesti suoria metanolipolttokennoja ja suoria etanolipolttokennoja on tutkittu. Suoran etanolin polttokennojen tutkimus on kuitenkin ollut rajallista, koska etanolin hapettaminen on suhteellisen vaikeaa hapettavaan metanoliin verrattuna.

Näistä laajasta tutkimustyöstä huolimatta suoravaikutteisten alkoholipolttokennojen suorituskyky on edelleen epätyydyttävä, mikä johtuu pääasiassa elektrodikatalyyttien asettamista kineettisistä rajoituksista. Esimerkiksi tyypillisten suoravaikutteisten metanolipolttokennojen tehotiheys on noin 50 mW/cm2. Korkeampia ominaistehotasoja on saatu, esimerkiksi 335 mW/cm 2 , mutta vain erittäin ankarissa olosuhteissa (Nafion®, 130°C, happi 5 atm ja metanoli 1 M virtausnopeudella 2 cc/min paineessa 1,8 atm). Vastaavasti suoran etanolipolttokennon tehotiheys on 110 mW/cm2 samanlaisissa erittäin ankarissa olosuhteissa (Nafion® piidioksidi, 140 °C, anodi 4 atm, happi 5,5 atm). Näin ollen on olemassa tarve suoravaikutteisille alkoholipolttokennoille, joilla on korkea tehotiheys tällaisten ääriolosuhteiden puuttuessa.

Lyhyt yhteenveto keksinnöstä

Esillä oleva keksintö koskee alkoholipolttokennoja, jotka sisältävät kiinteitä happamia elektrolyyttejä ja joissa käytetään sisäistä reformointikatalyyttiä. Polttokenno sisältää yleensä anodin, katodin, kiinteän happoelektrolyytin ja sisäisen reformaattorin. Reformaattori mahdollistaa alkoholipolttoaineen reformoinnin vedyn tuottamiseksi. Reformointireaktion liikkeellepaneva voima on polttokennon eksotermisten reaktioiden aikana syntyvä lämpö.

Kiinteiden happamien elektrolyyttien käyttö polttokennossa mahdollistaa reformerin sijoittamisen suoraan anodin viereen. Tätä ei aiemmin pidetty mahdollisena tunnettujen reformointimateriaalien tehokkaan toiminnan edellyttämien kohotettujen lämpötilojen ja tyypillisten polymeerielektrolyyttikalvojen lämpöherkkyyden vuoksi. Kuitenkin verrattuna tavanomaisiin polymeerielektrolyyttikalvoihin kiinteät happamat elektrolyytit kestävät paljon korkeampia lämpötiloja, mikä mahdollistaa reformerin sijoittamisen anodin viereen ja siten lähelle elektrolyyttiä. Tässä konfiguraatiossa reformointilaite absorboi elektrolyytin tuottaman hukkalämmön ja ohjaa endotermisen reformointireaktion.

Lyhyt kuvaus piirustuksista

Nämä ja muut esillä olevan keksinnön piirteet ja edut ymmärretään paremmin, kun luetaan seuraava yksityiskohtainen kuvaus yhdessä oheisten piirustusten kanssa, jossa:

kuvio 1 on kaavamainen esitys esillä olevan keksinnön yhden suoritusmuodon mukaisesta polttokennosta;

Kuvio 2 on esimerkkien 1 ja 2 sekä vertailuesimerkin 1 mukaisesti saatujen polttokennojen tehotiheyden ja kennojännitteen välisten käyrien graafinen vertailu;

Kuvio 3 on esimerkkien 3, 4 ja 5 ja vertailuesimerkin 2 mukaisesti saatujen polttokennojen tehotiheyden ja kennojännitteen välisten käyrien graafinen vertailu; ja

Kuva 4 on graafinen vertailu polttokennojen tehotiheyden ja kennojännitteen välisistä käyristä, jotka on saatu vertailuesimerkkien 2 ja 3 mukaisesti.

Yksityiskohtainen kuvaus keksinnöstä

Esillä oleva keksintö koskee suoraan alkoholipolttokennoja, jotka sisältävät kiinteitä happoelektrolyyttejä ja joissa käytetään sisäistä reformointikatalyyttiä fyysisessä kosketuksessa kalvoelektrodikokoonpanon (MEA) kanssa, joka on suunniteltu reformoimaan alkoholipolttoainetta tuottamaan vetyä. Kuten edellä mainittiin, alkoholien kemiallisen energian suoraan sähkövoimaksi muuntavien polttokennojen suorituskyky pysyy epätyydyttävänä poltasettamien kineettisten rajoitusten vuoksi. On kuitenkin hyvin tunnettua, että nämä kineettiset rajat pienenevät suuresti, kun käytetään vetypolttoainetta. Tämän mukaisesti esillä olevassa keksinnössä käytetään reformointikatalyyttiä tai reformaattoria alkoholipolttoaineen reformoimiseksi vedyksi, mikä vähentää tai eliminoi alkoholipolttoaineeseen liittyviä kineettisiä rajoituksia. Alkoholipolttoaineet höyryreformoidaan seuraavien reaktioesimerkkien mukaisesti:

Metanoli vedyksi: CH3OH+H2O→3H2+CO2;

Etanoli vedyksi: C2H5OH+3H2O→6H2+2CO2.

Reformointireaktio on kuitenkin erittäin endoterminen. Siksi reformointilaitetta on lämmitettävä reformointireaktion käyttövoiman saamiseksi. Tarvittava lämmön määrä on tyypillisesti noin 59 kJ metanolin moolia kohden (vastaa noin 0,25 moolia vetyä) ja noin 190 kJ per mooli etanolia (vastaa noin 0,78 moolia vetyä).

Polttokennojen käytön aikana kulkevan sähkövirran seurauksena syntyy hukkalämpöä, jonka tehokas poistaminen on ongelmallista. Tämän hukkalämmön tuottaminen tekee reformerin sijoittamisesta suoraan polttokennon viereen kuitenkin luonnollisen valinnan. Tällainen konfiguraatio mahdollistaa vedyn syöttämisen reformerista polttokennoon ja polttokennon jäähdyttämisen sekä sallii polttokennon lämmittää reformeria ja synnyttää liikkeellepaneva voiman reaktioihin siinä. Tätä konfiguraatiota käytetään sulassa karbonaattipolttokennoissa ja metaanin reformointireaktioissa noin 650 °C:n lämpötilassa. Alkoholin reformointireaktiot etenevät kuitenkin yleensä lämpötiloissa, jotka vaihtelevat välillä noin 200 °C - noin 350 °C, eikä sopivaa alkoholia reformoivaa polttokennoa ole vielä kehitetty.

Esillä oleva keksintö koskee tällaista polttokennoa, jossa käytetään alkoholireformointia. Kuten kuviossa 1 on havainnollistettu, esillä olevan keksinnön mukainen polttokenno 10 sisältää yleisesti ensimmäisen virrankeräimen/kaasudiffuusiokerroksen 12, anodin 12a, toisen virrankeräimen/kaasudiffuusiokerroksen 14, katodin 14a, elektrolyytin 16 ja sisäinen reformointikatalyytti 18. Sisäinen reformointikatalyytti 18 sijoitettuna anodin 12a viereen. Tarkemmin sanottuna reformointikatalyytti 18 on sijoitettu ensimmäisen kaasudiffuusiokerroksen 12 ja anodin 12a väliin. Voidaan käyttää mitä tahansa tunnettua sopivaa reformointikatalyyttiä 18. Ei-rajoittavia esimerkkejä sopivista reformointikatalyyteistä ovat Cu-Zn-Al-oksidien seokset, Cu-Co-Zn-Al-oksidien seokset ja Cu-Zn-Al-Zr-oksidien seokset .

Mitä tahansa alkoholipolttoainetta, kuten metanolia, etanolia ja propanolia, voidaan käyttää. Lisäksi dimetyylieetteriä voidaan käyttää polttoaineena.

Historiallisesti tätä konfiguraatiota ei ole pidetty mahdollisena alkoholipolttokennoissa reformointireaktion endotermisen luonteen ja elektrolyytin lämpöherkkyyden vuoksi. Tyypillisissä alkoholipolttokennoissa käytetään polymeerielektrolyyttikalvoja, jotka eivät kestä reformointikatalyytin käyttämiseen tarvittavaa lämpöä. Esillä olevan keksinnön mukaisissa polttokennoissa käytetyt elektrolyytit sisältävät kuitenkin kiinteitä happoelektrolyyttejä, kuten niitä, jotka on kuvattu US-patentissa vireillä olevassa US-patenttihakemuksessa 10/139043, jonka otsikko on PROTONIN JOHTAVA MEMBRAANI KÄYTETTÄVÄN KIINTEÄ HAPOA, jonka koko sisältö on myös sisällytetty. tässä viitteenä. Yksi ei-rajoittava esimerkki kiinteästä haposta, joka soveltuu käytettäväksi elektrolyyttinä esillä olevassa keksinnössä, on CsH2P04. Tämän keksinnön mukaisissa polttokennoissa käytetyt kiinteät happamat elektrolyytit kestävät paljon korkeampia lämpötiloja, mikä mahdollistaa reformointikatalyytin sijoittamisen suoraan anodin viereen. Lisäksi endoterminen reformointireaktio kuluttaa polttokennon eksotermisissä reaktioissa syntyneen lämmön muodostaen termisesti tasapainotetun järjestelmän.

Näitä kiinteitä happoja käytetään superprotonisissa faaseissaan ja ne toimivat protoneja johtavina kalvoina lämpötila-alueella noin 100 °C - noin 350 °C. Tämän lämpötila-alueen yläpää on ihanteellinen metanolin reformointiin. Riittävän lämmön tuottamiseksi reformointireaktion käyttövoiman tuottamiseksi ja kiinteän happaman elektrolyytin protonijohtavuuden aikaansaamiseksi esillä olevan keksinnön mukaista polttokennoa käytetään edullisesti lämpötiloissa, jotka vaihtelevat välillä noin 100 °C - noin 500 °C. On kuitenkin edullisempaa käyttää polttokennoa lämpötiloissa, jotka vaihtelevat välillä noin 200 °C - noin 350 °C. Alkoholipolttokennojen suorituskyvyn huomattavan parantamisen lisäksi keksinnön alkoholipolttokennojen suhteellisen korkeat käyttölämpötilat voivat mahdollistaa kalliiden metallikatalyyttien, kuten Pt/Ru:n ja Pt:n korvaamisen anodilla ja katodilla, vastaavasti vähemmällä. kalliita katalyyttimateriaaleja.

Seuraavat esimerkit ja vertailuesimerkit havainnollistavat keksinnön alkoholipolttokennojen ylivoimaista suorituskykyä. Nämä esimerkit on kuitenkin esitetty vain havainnollistamistarkoituksessa, eikä niitä tule pitää keksintöä näihin esimerkkeihin rajoittavina.

Esimerkki 1 Metanolipolttokenno

13 mg/cm2 Pt/Ru:ta käytettiin anodielektrokatalyyttinä. Cu (30 painoprosenttia) - Zn (20 painoprosenttia) - AI:ta käytettiin sisäisenä reformointikatalyyttinä. Katodielektrokatalyyttinä käytettiin 15 mg/cm2 Pt:tä. Käytetty elektrolyytti oli CsH 2 PO 4 -kalvo, jonka paksuus oli 160 μm. Höyrytettyjä metanolin ja veden seoksia syötettiin anoditilaan virtausnopeudella 100 μl/min. Katodille syötettiin 30 % kostutettua happea virtausnopeudella 50 cm3/min (standardilämpötila ja -paine). Metanoli:vesi-suhde oli 25:75. Elementin lämpötilaksi asetettiin 260°C.

Esimerkki 2 Etanolipolttokenno

13 mg/cm2 Pt/Ru:ta käytettiin anodielektrokatalyyttinä. Cu (30 painoprosenttia) - Zn (20 painoprosenttia) - AI:ta käytettiin sisäisenä reformointikatalyyttinä. Katodielektrokatalyyttinä käytettiin 15 mg/cm2 Pt:tä. Käytetty elektrolyytti oli CsH 2 PO 4 -kalvo, jonka paksuus oli 160 μm. Höyrytettyjä etanolin ja veden seoksia syötettiin anoditilaan virtausnopeudella 100 μl/min. Katodille syötettiin 30 % kostutettua happea virtausnopeudella 50 cm3/min (standardilämpötila ja -paine). Etanolin ja veden suhde oli 15:85. Elementin lämpötilaksi asetettiin 260°C.

Vertailuesimerkki 1 Polttokenno, jossa käytetään puhdasta H2:ta

13 mg/cm2 Pt/Ru:ta käytettiin anodielektrokatalyyttinä. Katodielektrokatalyyttinä käytettiin 15 mg/cm2 Pt:tä. Käytetty elektrolyytti oli CsH 2 PO 4 -kalvo, jonka paksuus oli 160 μm. 3 % kostutettua vetyä syötettiin anoditilaan virtausnopeudella 100 ul/min. Katodille syötettiin 30 % kostutettua happea virtausnopeudella 50 cm3/min (standardilämpötila ja -paine). Elementin lämpötilaksi asetettiin 260°C.

Kuvassa 2 esitetään tehotiheyden ja kennojännitteen väliset käyrät esimerkeissä 1 ja 2 sekä vertailuesimerkissä 1. Kuten on esitetty, metanolipolttokenno (esimerkki 1) saavuttaa huipputehotiheyden 69 mW/cm kenno saavuttaa huipputehotiheyden 53 mW /cm 2 ja vetypolttokenno (vertailuesimerkki 1) saavuttaa huipputehotiheyden 80

mW / cm2. Nämä tulokset osoittavat, että esimerkin 1 ja vertailuesimerkin 1 mukaisesti valmistetut polttokennot ovat hyvin samankaltaisia, mikä osoittaa, että metanolipolttokennon, jossa on reformeri, suorituskyky on lähes yhtä hyvä kuin vetypolttokennon, mikä on merkittävä parannus. Kuitenkin, kuten seuraavissa esimerkeissä ja vertailuesimerkeissä esitetään, elektrolyytin paksuutta pienentämällä saavutetaan tehotiheyden lisälisäys.

Polttokenno valmistettiin CsH 2 PO 4:n lietekerrostuksella huokoiselle ruostumattomasta teräksestä valmistettuun alustaan, joka toimi sekä kaasudiffuusiokerroksena että virrankerääjänä. Katodielektrokatalyyttikerros kerrostettiin ensin kaasudiffuusiokerrokselle ja sitten puristettiin ennen elektrolyyttikerroksen kerrostumista. Sen jälkeen kerrostettiin anodielektrokatalyyttikerros, minkä jälkeen asetettiin toinen kaasudiffuusioelektrodi rakenteen lopulliseksi kerrokseksi.

Anodielektrodina CsH 2 PO 4:n, Pt:n (50 paino-%) Ru:n, Pt:n (40 paino-%) - Ru:n (20 paino-%) ja naftaleenin seos. käytettiin. Komponenttien suhde CsH2PO4:Pt-Ru:Pt-Ru-C:naftaleeni-seoksessa oli 3:3:1:0,5 (paino). Seosta käytettiin yhteensä 50 mg. Download Pt ja Ru olivat vastaavasti 5,6 mg/cm2 ja 2,9 mg/cm2. Anodielektrodin pinta-ala oli 1,74 cm 2 .

Katodielektrodina käytettiin CsH2P04:n, Pt:n, Pt:n (50 paino-%) seosta, joka oli kerrostettu C:lle (50 paino-%), ja naftaleenista. Komponenttien suhde CsH2PO 4:Pt:Pt-C:naftaleeni-seoksessa oli 3:3:1:1 (paino). Seosta käytettiin yhteensä 50 mg. Pt-kuormitukset olivat 7,7 mg/cm2. Katodin pinta-ala oli 2,3-2,9 cm1.

Reformointikatalyyttinä käytettiin CuO:ta (30 painoprosenttia) - ZnO:ta (20 painoprosenttia) - AI203:a eli CuO:a (31 mol-prosenttia) - ZnO:ta (16 mol-prosenttia) - A1203:a. Reformointikatalyytti valmistettiin yhteissaostusprosessilla käyttämällä kuparin, sinkin ja alumiininitraatin liuosta (metallin kokonaispitoisuus oli 1 mol/l) ja natriumkarbonaattien vesiliuosta (1,1 mol/l). Sakka pestiin deionisoidulla vedellä, suodatettiin pois ja kuivattiin ilmassa 120 °C:ssa 12 tuntia. Kuivattu jauhe 1 g:n määränä puristettiin kevyesti 3,1 mm:n paksuuteen ja 15,6 mm:n halkaisijaan, minkä jälkeen sitä kalsinoitiin 350 °C:ssa 2 tuntia.

Käytetty elektrolyytti oli CsH 2 PO 4 -kalvo, jonka paksuus oli 47 μm.

Metanoli-vesiliuos (43 tilavuusprosenttia tai 37 painoprosenttia tai 25 mooliprosenttia tai 1,85 M metanolia) syötettiin lasihaihduttimen (200 °C) läpi virtausnopeudella 135 µl/min. Elementin lämpötilaksi asetettiin 260°C.

Polttokenno valmistettiin yllä olevan esimerkin 3 mukaisesti, paitsi että haihduttimen (200°C) läpi virtausnopeudella 114 μl/min syötettiin ei metanoli-veden seosta, vaan etanoli-vesi-seosta ( 36 tilavuusprosenttia tai 31 % massasta tai 15 mooliprosenttia tai 0,98 M etanolia).

Polttokenno valmistettiin yllä olevan esimerkin 3 mukaisesti, paitsi että virtausnopeudella 100 μl/min vodkaa (Absolut Vodka, Ruotsi) (40 tilavuusprosenttia tai 34 painoprosenttia tai 17 mooliprosenttia) toimitetaan metanolin ja veden seoksen sijaan. etanoli).

Vertailuesimerkki 2

Polttokenno valmistettiin edellä olevan esimerkin 3 mukaisesti, paitsi että metanoli-veden sijasta käytettiin kuivattua vetyä 100 sccm:ssä, joka oli kostutettu kuumalla vedellä (70 °C).

Vertailuesimerkki 3

Polttokenno valmistettiin edellä olevan esimerkin 3 mukaisesti, paitsi että reformointikatalyyttiä ei käytetty ja kennon lämpötila asetettiin 240 °C:seen.

Vertailuesimerkki 4

Polttokenno valmistettiin vertailuesimerkin 2 mukaisesti, paitsi että kennon lämpötila asetettiin 240 °C:seen.

Kuvassa 3 esitetään tehotiheyden ja kennojännitteen väliset käyrät esimerkeissä 3, 4 ja 5 sekä vertailuesimerkissä 2. Kuten on esitetty, metanolipolttokenno (esimerkki 3) saavuttaa huipputehotiheyden 224 mW/cm2, mikä on merkittävä lisäys. ominaisteho verrattuna esimerkin 1 mukaisesti saatuun polttokennoon, jolla on paljon paksumpi elektrolyytti. Tämän metanolipolttokennon suorituskyvyssä on myös dramaattinen parannus verrattuna metanolipolttokennoihin, joissa ei käytetä sisäistä reformeria, mikä näkyy paremmin kuvassa 4. Etanolipolttokennon (esimerkki 4) tehotiheys ja jännite on myös lisääntynyt verrattuna etanolipolttokenno, jossa on paksumpi elektrolyyttikalvo (esimerkki 2). Kuitenkin, kuten on esitetty, metanolipolttokenno (esimerkki 3) toimii paremmin kuin etanolipolttokenno (esimerkki 4). Vodkapolttokennolle (esimerkki 5) saavutetaan erityistehoja, jotka ovat verrattavissa etanolipolttokennon tehoihin. Kuten kuvassa 3 esitetään, metanolipolttokennon (esimerkki 3) suorituskyky on suunnilleen yhtä hyvä kuin vetypolttokennon (vertailuesimerkki 2).

Kuvassa 4 esitetään tehotiheys vs. kennojännitekäyrät vertaileville esimerkeille 3 ja 4. Kuten esitetään, metanolipolttokenno ilman reformeria (vertailuesimerkki 3) saavuttaa merkittävästi pienemmät tehotiheydet kuin vetypolttokennolla saavutetut (vertailuesimerkki 4). Lisäksi kuviot 2, 3 ja 4 osoittavat, että verrattuna metanolipolttokennoon ilman reformaattoria (vertailuesimerkki 3), metanolipolttokennoille, joissa on reformerit, saavutetaan merkittävästi suurempi tehotiheys (esimerkit 1 ja 3).

Edellä oleva kuvaus on esitetty esittelemään keksinnön tällä hetkellä edullisia suoritusmuotoja. Alan ja tekniikan, johon tämä keksintö liittyy, asiantuntijoiden tulee ymmärtää, että kuvattuihin suoritusmuotoihin voidaan tehdä muutoksia ja muunnoksia poikkeamatta olennaisesti tämän keksinnön periaatteista, laajuudesta ja hengestä. Näin ollen edellä olevan kuvauksen ei tule katsoa viittaavan vain kuvattuihin spesifisiin suoritusmuotoihin, vaan sen tulee ymmärtää olevan johdonmukainen seuraavien patenttivaatimusten kanssa ja perustelevan niitä, jotka sisältävät keksinnön täydellisimmän ja objektiivisimman suojapiirin.

1. Polttokenno, joka käsittää: anodin sähkökatalyyttisen kerroksen, katodielektrokatalyyttisen kerroksen, elektrolyyttikerroksen, joka sisältää kiinteän hapon, kaasudiffuusiokerroksen ja sisäisen reformointikatalyytin, joka on sijoitettu anodin sähkökatalyyttisen kerroksen viereen siten, että sisäinen reformointikatalyytti sijaitsee anodin sähkökatalyyttisen kerroksen ja kaasudiffuusiokerroksen välillä ja on fyysisessä kosketuksessa anodin sähkökatalyyttisen kerroksen kanssa.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen polttokenno, tunnettu siitä, että kiinteä hapan elektrolyytti sisältää CsH2PO4:a.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen polttokenno, tunnettu siitä, että reformointikatalyytti on valittu ryhmästä, joka koostuu Cu-Zn-Al-oksidiseoksista, Cu-Co-Zn-Al-oksidiseoksista ja Cu-Zn-Al-Zr-oksidiseoksista.

4. Menetelmä polttokennon käyttämiseksi, mukaan lukien:





polttoaineen toimitus; ja polttokennoa käytetään lämpötilassa, joka on alueella noin 100 °C - noin 500 °C.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että polttoaine on alkoholi.

6. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että polttoaine valitaan ryhmästä, joka koostuu metanolista, etanolista, propanolista ja dimetyylieetteristä.

7. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että polttokennoa käytetään lämpötila-alueella noin 200 °C - noin 350 °C.

8. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että reformointikatalyytti valitaan ryhmästä, jonka muodostavat Cu-Zn-Al-oksidiseokset, Cu-Co-Zn-Al-oksidiseokset ja Cu-Zn-Al-Zr-oksidiseokset.

9. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että elektrolyytti sisältää kiinteää happoa.

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kiinteä happo sisältää CsH2PO4:a.

11. Menetelmä polttokennon käyttämiseksi, mukaan lukien:
anodin sähkökatalyyttisen kerroksen muodostaminen;
katodielektrokatalyyttisen kerroksen muodostaminen;
muodostetaan elektrolyyttikerros, joka sisältää kiinteän hapon;
kaasudiffuusiokerroksen muodostuminen ja
muodostetaan sisäinen reformointikatalyytti anodin sähkökatalyyttisen kerroksen viereen siten, että sisäinen reformointikatalyytti on sijoitettu anodin sähkökatalyyttisen kerroksen ja kaasudiffuusiokerroksen väliin ja on fyysisessä kosketuksessa anodin sähkökatalyyttisen kerroksen kanssa;
polttoaineen toimitus; ja polttokennoa käytetään lämpötilassa, joka on alueella noin 200 °C - noin 350 °C.

12. Patenttivaatimuksen 11 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että polttoaine on alkoholi.

13. Patenttivaatimuksen 11 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että polttoaine valitaan ryhmästä, joka koostuu metanolista, etanolista, propanolista ja dimetyylieetteristä.

14. Patenttivaatimuksen 11 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että reformointikatalyytti valitaan ryhmästä, jonka muodostavat Cu-Zn-Al-oksidiseokset, Cu-Co-Zn-Al-oksidiseokset ja Cu-Zn-Al-Zr-oksidiseokset.

15. Patenttivaatimuksen 11 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että elektrolyytti sisältää kiinteää happoa.

16. Patenttivaatimuksen 15 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kiinteä happo sisältää CsH2P04:a.

17. Menetelmä polttokennon käyttämiseksi, mukaan lukien:
anodin sähkökatalyyttisen kerroksen muodostaminen;
katodielektrokatalyyttisen kerroksen muodostaminen;
muodostetaan elektrolyyttikerros, joka sisältää kiinteän hapon;
kaasudiffuusiokerroksen muodostuminen ja
muodostetaan sisäinen reformointikatalyytti anodin sähkökatalyyttisen kerroksen viereen siten, että sisäinen reformointikatalyytti on sijoitettu anodin sähkökatalyyttisen kerroksen ja kaasudiffuusiokerroksen väliin ja on fyysisessä kosketuksessa anodin sähkökatalyyttisen kerroksen kanssa;
alkoholin polttoaineen toimitus; ja polttokennoa käytetään lämpötilassa, joka on alueella noin 100 °C - noin 500 °C.

18. Patenttivaatimuksen 17 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että polttoaine valitaan ryhmästä, joka koostuu metanolista, etanolista, propanolista ja dimetyylieetteristä.

19. Patenttivaatimuksen 17 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että polttokennoa käytetään lämpötila-alueella noin 200 °C - noin 350 °C.

20. Patenttivaatimuksen 17 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että reformointikatalyytti valitaan ryhmästä, jonka muodostavat Cu-Zn-Al-oksidiseokset, Cu-Co-Zn-Al-oksidiseokset ja Cu-Zn-Al-Zr-oksidiseokset.

21. Patenttivaatimuksen 17 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kiinteä hapan elektrolyytti sisältää CsH2P04:a.

22. Menetelmä polttokennon käyttämiseksi, mukaan lukien:
anodin sähkökatalyyttisen kerroksen muodostaminen;
katodielektrokatalyyttisen kerroksen muodostaminen;
muodostetaan elektrolyyttikerros, joka sisältää kiinteän hapon;
kaasudiffuusiokerroksen muodostuminen ja
muodostetaan sisäinen reformointikatalyytti anodin sähkökatalyyttisen kerroksen viereen siten, että sisäinen reformointikatalyytti on sijoitettu anodin sähkökatalyyttisen kerroksen ja kaasudiffuusiokerroksen väliin ja on fyysisessä kosketuksessa anodin sähkökatalyyttisen kerroksen kanssa;
alkoholin polttoaineen toimitus; ja polttokennoa käytetään lämpötilassa, joka on alueella noin 200 °C - noin 350 °C.

Keksintö koskee suoravaikutteisia alkoholipolttokennoja, joissa käytetään kiinteitä happamia elektrolyyttejä ja sisäisiä reformointikatalyyttejä