polttokennoja Polttokennot ovat kemiallisia voimanlähteitä. Ne suorittavat polttoaineenergian suoran muuntamisen sähköksi ohittaen tehottomia, suurihäviöisiä polttoprosesseja. Tämä sähkökemiallinen laite tuottaa suoraan sähköä polttoaineen erittäin tehokkaan "kylmän" polton seurauksena.
Biokemistit ovat todenneet, että biologinen vety-happipolttokenno on "rakennettu" jokaiseen elävään soluun (katso luku 2).
Vedyn lähde kehossa on ruoka - rasvat, proteiinit ja hiilihydraatit. Mahalaukussa, suolistossa ja soluissa se lopulta hajoaa monomeereiksi, jotka vuorostaan antavat kemiallisten muutosten sarjan jälkeen vetyä, joka on kiinnittynyt kantajamolekyyliin.
Ilmasta tuleva happi pääsee vereen keuhkojen kautta, yhdistyy hemoglobiiniin ja kulkeutuu kaikkiin kudoksiin. Vedyn ja hapen yhdistämisprosessi on kehon bioenergian perusta. Täällä leudoissa olosuhteissa (huoneen lämpötila, normaali paine, vesiympäristö) korkean hyötysuhteen omaava kemiallinen energia muunnetaan termiseksi, mekaaniseksi (lihasliike), sähköksi (sähköramppi), valoksi (valoa säteilevät hyönteiset).
Ihminen toisti jälleen kerran luonnon luoman energian hankkimislaitteen. Samalla tämä tosiasia osoittaa suunnan näkymät. Kaikki prosessit luonnossa ovat hyvin rationaalisia, joten askeleet kohti polttokennojen todellista käyttöä herättävät toivoa energian tulevaisuudesta.
Vuonna 1838 löytö vety-happipolttokennosta kuuluu englantilaiselle tiedemiehelle W. Grovelle. Tutkiessaan veden hajoamista vedyksi ja hapeksi hän havaitsi sivuvaikutuksen - elektrolyysi tuotti sähkövirran.
Mitä polttokennossa palaa?
Fossiiliset polttoaineet (hiili, kaasu ja öljy) ovat pääosin hiiltä. Polttoaineatomit menettävät elektroneja palamisen aikana ja ilman happiatomit saavat niitä. Joten hapetusprosessissa hiili- ja happiatomit yhdistetään palamistuotteiksi - hiilidioksidimolekyyleiksi. Tämä prosessi on voimakas: palamiseen osallistuvien aineiden atomit ja molekyylit saavuttavat suuria nopeuksia, mikä johtaa niiden lämpötilan nousuun. Ne alkavat säteillä valoa - liekki ilmestyy.
Hiilen palamisen kemiallinen reaktio on muotoa:
C + O2 = CO2 + lämpö
Polttoprosessissa kemiallinen energia muunnetaan lämpöenergiaksi johtuen elektronien vaihdosta polttoaineen ja hapettimen atomien välillä. Tämä vaihto tapahtuu satunnaisesti.
Palaminen on elektronien vaihtoa atomien välillä, ja sähkövirta on elektronien suunnattua liikettä. Jos elektronit pakotetaan kemiallisen reaktion aikana tekemään työtä, palamisprosessin lämpötila laskee. FC:ssä elektronit otetaan yhden elektrodin lähtöaineista, luovuttavat energiansa sähkövirran muodossa ja liittyvät toisella reagensseihin.
Minkä tahansa HIT:n perustana on kaksi elektrodia, jotka on yhdistetty elektrolyytillä. Polttokenno koostuu anodista, katodista ja elektrolyytistä (katso luku 2). Hapeutuu anodilla, ts. luovuttaa elektroneja, pelkistimen (CO- tai H2-polttoaine), vapaat elektronit anodista tulevat ulkoiseen piiriin ja positiiviset ionit pysyvät anodi-elektrolyyttirajapinnassa (CO+, H+). Ketjun toisesta päästä elektronit lähestyvät katodia, jolla tapahtuu pelkistysreaktio (elektronien lisäys hapettimella O2–). Sitten elektrolyytti kuljettaa hapetin-ionit katodille.
FC:ssä fysikaalis-kemiallisen järjestelmän kolme vaihetta tuodaan yhteen:
kaasu (polttoaine, hapetin);
elektrolyytti (ionien johde);
metallielektrodi (elektronien johdin).
Polttokennoissa redox-reaktion energia muunnetaan sähköenergiaksi, ja hapetus- ja pelkistysprosessit erotetaan avaruudellisesti elektrolyytillä. Elektrodit ja elektrolyytti eivät osallistu reaktioon, mutta todellisissa rakenteissa ne kontaminoituvat ajan myötä polttoaineen epäpuhtauksilla. Sähkökemiallinen palaminen voi edetä matalissa lämpötiloissa ja käytännössä ilman häviöitä. Kuvassa p087 näyttää tilanteen, jossa kaasuseos (CO ja H2) tulee polttokennoon, ts. se voi polttaa kaasumaista polttoainetta (katso luku 1). Siten TE osoittautuu "kaikkisyöjäksi".
Polttokennojen käyttöä vaikeuttaa se, että polttoaine on "valmistettava" niitä varten. Polttokennoissa vetyä saadaan muuntamalla orgaanista polttoainetta tai kaasuttamalla hiiltä. Siksi polttokennon voimalaitoksen rakennekaavio sisältää polttokennon akkujen, DC-AC-muuntimen (ks. luku 3) ja apulaitteiden lisäksi vedyn tuotantoyksikön.
FC:n kehityksen kaksi suuntaa
Polttokennoilla on kaksi käyttöaluetta: autonominen ja suuren mittakaavan energia.
Itsenäisen käytön kannalta tärkeimmät ovat erityisominaisuudet ja helppokäyttöisyys. Tuotetun energian hinta ei ole pääindikaattori.
Suuressa sähköntuotannossa tehokkuus on ratkaiseva tekijä. Lisäksi asennusten tulee olla kestäviä, eivät saa sisältää kalliita materiaaleja ja käyttää luonnonpolttoaineita minimaalisilla valmistelukustannuksilla.
Suurin hyöty on polttokennojen käyttö autossa. Täällä, kuten ei missään muualla, polttokennojen tiiviys vaikuttaa. Kun sähköä saadaan suoraan polttoaineesta, jälkimmäisen säästö on noin 50 %.
Saksalainen tiedemies W. Oswald muotoili ensimmäistä kertaa ajatuksen polttokennojen käytöstä laajamittaisessa energiatekniikassa vuonna 1894. Myöhemmin kehitettiin ajatus polttokennoon perustuvien tehokkaiden autonomisten energialähteiden luomisesta.
Sen jälkeen hiiltä yritettiin käyttää polttokennoissa aktiivisena aineena toistuvasti. Saksalainen tutkija E. Bauer loi 1930-luvulla laboratorioprototyypin polttokennosta, jossa oli kiinteää elektrolyyttiä hiilen suoraa anodista hapetusta varten. Samaan aikaan tutkittiin happi-vetypolttokennoja.
Vuonna 1958 Englannissa F. Bacon loi ensimmäisen happi-vetylaitoksen, jonka kapasiteetti oli 5 kW. Mutta se oli hankalaa korkean kaasunpaineen (2 ... 4 MPa) käytön vuoksi.
Vuodesta 1955 lähtien K. Kordesh on kehittänyt matalan lämpötilan happi-vetypolttokennoja Yhdysvalloissa. He käyttivät hiilielektrodeja platinakatalyyteillä. Saksassa E. Yust työskenteli ei-platinakatalyyttien luomisessa.
Vuoden 1960 jälkeen luotiin esittely- ja mainosnäytteitä. Polttokennojen ensimmäinen käytännön sovellus löydettiin Apollo-avaruusaluksesta. Ne olivat tärkeimmät voimalaitokset laivan laitteiden virtalähteenä ja tarjosivat astronauteille vettä ja lämpöä.
Pääasialliset käyttöalueet off-grid FC -asennuksille ovat olleet sotilas- ja laivastosovellukset. 1960-luvun lopulla polttokennojen tutkimuksen määrä väheni ja 1980-luvun jälkeen taas lisääntyi suhteessa suurenergiaan.
VARTA on kehittänyt FC:itä käyttämällä kaksipuolisia kaasudiffuusioelektrodeja. Tämän tyyppisiä elektrodeja kutsutaan nimellä "Janus". Siemens on kehittänyt elektrodeja, joiden tehotiheys on jopa 90 W/kg. Yhdysvalloissa happi-vetykennojen parissa työskentelee United Technology Corp.
Suurvoimateollisuudessa polttokennojen käyttö laajamittaiseen energian varastointiin, esimerkiksi vedyn tuotantoon (ks. luku 1), on erittäin lupaavaa. (aurinko ja tuuli) ovat hajallaan (katso luku 4). Niiden vakava käyttö, joka on välttämätöntä tulevaisuudessa, on mahdotonta ajatella ilman tilavia akkuja, jotka varastoivat energiaa muodossa tai toisessa.
Akkumulaatioongelma on ajankohtainen jo nykyään: sähköjärjestelmien kuormituksen päivittäiset ja viikoittaiset vaihtelut vähentävät merkittävästi niiden tehokkuutta ja vaativat ns. ohjattavia kapasiteettia. Yksi sähkökemiallisen energian varastoinnin vaihtoehdoista on polttokenno yhdessä elektrolyysilaitteiden ja kaasupitimien kanssa*.
* Kaasupidike [kaasu + englanti. holder] - varastointi suurille kaasumäärille.
TE:n ensimmäinen sukupolvi
Ensimmäisen sukupolven keskilämpöiset polttokennot, jotka toimivat 200...230°C lämpötilassa nestemäisellä polttoaineella, maakaasulla tai teknisellä vedyllä*, ovat saavuttaneet suurimman teknologisen täydellisyyden. Niissä oleva elektrolyytti on fosforihappoa, joka täyttää huokoisen hiilimatriisin. Elektrodit on valmistettu hiilestä ja katalyytti on platina (platinaa käytetään muutaman gramman luokkaa kilowattitehoa kohden).
* Kaupallinen vety on fossiilisten polttoaineiden konversiotuote, joka sisältää pieniä epäpuhtauksia hiilimonoksidia.
Yksi tällainen voimalaitos otettiin käyttöön Kalifornian osavaltiossa vuonna 1991. Se koostuu kahdeksastatoista 18 tonnin painoisesta akusta ja sijoitettu koteloon, jonka halkaisija on hieman yli 2 m ja korkeus noin 5 m. Akun vaihtomenettely on suunniteltu kiskoja pitkin liikkuvan runkorakenteen avulla.
Yhdysvallat toimitti kaksi voimalaitosta Japaniin Japaniin. Ensimmäinen niistä lanseerattiin vuoden 1983 alussa. Aseman toiminnallinen suorituskyky vastasi laskelmia. Hän työskenteli kuormalla, joka oli 25–80 % nimellisarvosta. Hyötysuhde saavutti 30...37 % - tämä on lähellä nykyaikaisia suuria lämpövoimalaitoksia. Sen käynnistysaika kylmätilasta on 4 tunnista 10 minuuttiin ja tehonvaihdon kesto nollasta täyteen on vain 15 sekuntia.
Nyt eri puolilla Yhdysvaltoja testataan pieniä sähkön ja lämmön yhteistuotantolaitoksia, joiden teho on 40 kW ja joiden polttoaineen käyttökerroin on noin 80 %. Ne voivat lämmittää veden jopa 130 °C:seen ja ne sijoitetaan pesuloihin, urheilukeskuksiin, viestintäpisteisiin jne. Noin sata asennusta on toiminut jo yhteensä satoja tuhansia tunteja. FC-voimaloiden ympäristöystävällisyys mahdollistaa niiden sijoittamisen suoraan kaupunkeihin.
New Yorkin ensimmäinen polttoainevoimalaitos, jonka kapasiteetti oli 4,5 MW, oli 1,3 hehtaarin alueella. Nyt uusille kaksi ja puoli kertaa tehokkaammille laitoksille tarvitaan 30x60 m kokoinen tontti. Rakennuksessa on useita 11 MW:n demonstraatiovoimaloita. Rakennusaika (7 kuukautta) ja voimalaitoksen pinta-ala (30x60 m) ovat silmiinpistäviä. Uusien voimalaitosten arvioitu käyttöikä on 30 vuotta.
Toisen ja kolmannen sukupolven TE
Parhaat ominaisuudet ovat jo suunnitteilla modulaarisia laitoksia, joiden kapasiteetti on 5 MW keskilämpötilaisilla toisen sukupolven polttokennoilla. Ne toimivat 650...700°C lämpötiloissa. Niiden anodit on valmistettu sintratuista nikkeli- ja kromihiukkasista, katodit sintratusta ja hapetetusta alumiinista ja elektrolyytti on litium- ja kaliumkarbonaattien seos. Korotettu lämpötila auttaa ratkaisemaan kaksi suurta sähkökemiallista ongelmaa:
vähentää katalyytin "myrkytystä" hiilimonoksidilla;
lisää katodissa olevan hapettimen pelkistysprosessin tehokkuutta.
Kolmannen sukupolven korkean lämpötilan polttokennot, joissa on kiinteiden oksidien (pääasiassa zirkoniumdioksidin) elektrolyytti, ovat entistä tehokkaampia. Niiden käyttölämpötila on jopa 1000°C. Tällaisten polttokennojen voimalaitosten hyötysuhde on lähes 50 %. Tässä polttoaineeksi sopivat myös kivihiilen kaasutustuotteet, joissa on huomattava hiilimonoksidipitoisuus. Yhtä tärkeää on, että korkean lämpötilan laitosten hukkalämpöä voidaan käyttää höyryn tuottamiseen sähkögeneraattoreiden turbiinien käyttämiseksi.
Vestingaus on toiminut kiinteiden oksidien polttokennoliiketoiminnassa vuodesta 1958. Se kehittää voimalaitoksia, joiden teho on 25 ... 200 kW, joissa voidaan käyttää kaasumaista polttoainetta hiilestä. Useiden megawattien tehoisia koelaitteistoja valmistellaan testattavaksi. Toinen amerikkalainen yritys, Engelgurd, suunnittelee 50 kW:n polttokennoja, jotka toimivat metanolilla ja fosforihapolla elektrolyyttinä.
Yhä useammat yritykset ympäri maailmaa ovat mukana polttokennojen luomisessa. Amerikkalainen United Technology ja japanilainen Toshiba muodostivat International Fuel Cells Corporationin. Euroopassa polttokennoja harjoittavat belgialais-hollantilainen konsortio Elenko, länsisaksalainen Siemens, italialainen Fiat ja brittiläinen Jonson Metju.
Viktor LAVRUS.
Jos pidit tästä materiaalista, tarjoamme sinulle valikoiman parhaita materiaaleja sivustollamme lukijoidemme mukaan. Valikoima - TOP ympäristöystävällisistä teknologioista, uudesta tieteestä ja tieteellisistä löydöistä löydät sieltä missä sinulle parhaiten sopii
Vetypolttokennot muuttavat polttoaineen kemiallisen energian sähköksi ohittaen tehottomat, suurihäviöiset palamisprosessit ja lämpöenergian muuntamisen mekaaniseksi energiaksi.
Kuvaus:
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 polttoainetekniikoista. elementtejä.
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.
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.
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
– käytännöllisesti katsoen rajoittamaton energian varastointiaika (ei itsepurkautumista),
– kyky muuttaa järjestelmän energiaintensiteettiä muuttamalla polttoainepatruunoiden määrää, mikä tarjoaa lähes rajattoman autonomian,
– kyky tarjota lähes mikä tahansa kohtuullinen järjestelmän energiaintensiteetti muuttamalla vetyvaraston kapasiteettia,
– korkea energiankulutus
– sietokyky vedyn epäpuhtauksille,
– pitkä käyttöikä,
- ympäristöystävällisyys ja äänetön toiminta.
Sovellus:
– UAV-laitteiden virtalähdejärjestelmät,
– kannettavat laturit,
– keskeytymättömät virtalähteet,
– Muut laitteet.
Nissan vetypolttokenno
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.
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
Video: DIY vetypolttokenno
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). AT
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.
Video: Polttokenno tai ikuinen akku kotona
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 Koisler, 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 toimittaa virran kuormaan, kuten dieselgeneraattori, mutta ilman generaattoria ja dieseliä, ja myös ilman melua, savua ja ylikuumenemista. Samaan aikaan tehokkuus on paljon suurempi, koska välimekanismeja ei ole.
Video: Vetypolttokennoauto
Nanoteknologian ja nanomateriaalien käyttöön asetetaan suuria toiveita, joka 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
polttoainekenno- mikä se on? Milloin ja miten hän ilmestyi? Miksi sitä tarvitaan ja miksi niistä puhutaan niin usein meidän aikanamme? Mitkä ovat sen laajuus, ominaisuudet ja ominaisuudet? Pysäyttämätön kehitys vaatii vastauksia kaikkiin näihin kysymyksiin!
Mikä on polttokenno?
polttoainekenno- Tämä on kemiallinen virtalähde tai sähkökemiallinen generaattori, tämä on laite kemiallisen energian muuntamiseksi sähköenergiaksi. Nykyaikaisessa elämässä kemiallisia virtalähteitä käytetään kaikkialla, ja ne ovat matkapuhelimien, kannettavien tietokoneiden, PDA-laitteiden akkuja sekä autojen akkuja, keskeytymättömiä virtalähteitä jne. Seuraava vaihe tämän alueen kehityksessä on polttokennojen laaja leviäminen, ja tämä on kiistaton tosiasia.
Polttokennojen historia
Polttokennojen historia on toinen tarina siitä, kuinka Maan pinnalta löydettyjä aineen ominaisuuksia käytettiin laajalti kauas avaruudessa, ja vuosituhannen vaihteessa ne palasivat taivaasta Maahan.
Kaikki alkoi vuonna 1839 kun saksalainen kemisti Christian Schönbein julkaisi polttokennon periaatteet Philosophical Journalissa. Samana vuonna englantilainen, Oxfordista valmistunut William Robert Grove, suunnitteli galvaanisen kennon, jota myöhemmin kutsuttiin Groven galvaaniseksi kennoksi, joka tunnetaan myös ensimmäiseksi polttokennoksi. Keksinnölle annettiin nimi "polttokenno" sen vuosipäivänä - vuonna 1889. Ludwig Mond ja Karl Langer ovat termin kirjoittajia.
Hieman aikaisemmin, vuonna 1874, Jules Verne ennusti The Mysterious Islandissa nykyisen energiatilanteen kirjoittaen, että "Vettä käytetään jonakin päivänä polttoaineena, vetyä ja happea, joista se koostuu, käytetään."
Samaan aikaan uutta virtalähdetekniikkaa parannettiin vähitellen, ja 1900-luvun 50-luvulta lähtien ei kulunut vuotta ilman alan uusimpien keksintöjen julkistamista. Vuonna 1958 ensimmäinen polttokennolla toimiva traktori ilmestyi Yhdysvaltoihin, vuonna 1959. 5 kW virtalähde hitsauskoneelle vapautui jne. 70-luvulla vetytekniikka levisi avaruuteen: lentokoneiden ja rakettimoottorit ilmestyivät vedylle. 1960-luvulla RSC Energia kehitti polttokennoja Neuvostoliiton kuuohjelmaa varten. Myöskään Buran-ohjelma ei tullut toimeen ilman niitä: kehitettiin alkaliset 10 kW polttokennot. Ja vuosisadan loppua kohti polttokennot ylittivät nollakorkeuden merenpinnan yläpuolella - niiden perusteella kehitettiin sähkönjakelu Saksalainen sukellusvene. Palattuaan maan päälle vuonna 2009 ensimmäinen veturi otettiin käyttöön Yhdysvalloissa. Luonnollisesti polttokennoissa.
Kaikessa kauniissa polttokennojen historiassa on mielenkiintoista, että pyörä on edelleen ihmiskunnan vertaansa vailla oleva keksintö luonnossa. Tosiasia on, että polttokennot ovat suunnittelultaan ja toimintaperiaatteeltaan samanlaisia kuin biologinen kenno, joka itse asiassa on miniatyyri vety-happipolttokenno. Tämän seurauksena ihminen keksi jälleen kerran sen, mitä luonto on käyttänyt miljoonia vuosia.
Polttokennojen toimintaperiaate
Polttokennojen toimintaperiaate on ilmeinen jopa koulun kemian opetussuunnitelmasta, ja hän oli se, joka vahvistettiin William Groven kokeissa vuonna 1839. Asia on, että veden elektrolyysiprosessi (veden dissosiaatio) on palautuva. Aivan kuten on totta, että kun sähkövirta kuljetetaan veden läpi, tämä hajoaa vedyksi ja hapeksi, niin on myös päinvastoin: vetyä ja happea voidaan yhdistää tuottamaan vettä ja sähköä. Groven kokeessa kaksi elektrodia asetettiin kammioon, johon syötettiin rajoitettu määrä puhdasta vetyä ja happea paineen alaisena. Pienistä kaasutilavuuksista sekä hiilielektrodien kemiallisista ominaisuuksista johtuen kammiossa tapahtui hidas reaktio, jossa vapautui lämpöä, vettä ja mikä tärkeintä, muodostui potentiaaliero elektrodit.
Yksinkertaisin polttokenno koostuu elektrolyyttinä käytettävästä erityisestä kalvosta, jonka molemmille puolille on kerrostettu jauhemaisia elektrodeja. Vety tulee toiselle puolelle (anodi) ja happi (ilma) toiselle (katodi). Jokaisella elektrodilla on erilainen kemiallinen reaktio. Anodilla vety hajoaa protonien ja elektronien seokseksi. Joissakin polttokennoissa elektrodeja ympäröi katalyytti, joka on yleensä valmistettu platinasta tai muista jalometalleista, mikä auttaa dissosiaatioreaktiossa:
2H 2 → 4H + + 4e -
jossa H2 on kaksiatominen vetymolekyyli (muoto, jossa vety on läsnä kaasuna); H+ - ionisoitu vety (protoni); e - - elektroni.
Polttokennon katodipuolella protonit (jotka kulkivat elektrolyytin läpi) ja elektronit (jotka kulkivat ulkoisen kuorman läpi) yhdistyvät uudelleen ja reagoivat katodille syötetyn hapen kanssa muodostaen vettä:
4H++4e-+02 → 2H20
Yleinen reaktio polttokennossa on kirjoitettu seuraavasti:
2H2 + O2 → 2H20
Polttokennon toiminta perustuu siihen, että elektrolyytti kuljettaa protoneja läpi itsensä (katodia kohti), mutta elektronit eivät. Elektronit liikkuvat kohti katodia ulompaa johtavaa piiriä pitkin. Tämä elektronien liike on sähkövirtaa, jota voidaan käyttää polttokennoon liitetyn ulkoisen laitteen (kuorma, kuten hehkulamppu) syöttämiseen:
Polttokennot käyttävät työssään vetypolttoainetta ja happea. Helpoin tapa on happi - se otetaan ilmasta. Vetyä voidaan syöttää suoraan tietystä säiliöstä tai erottamalla se ulkoisesta polttoainelähteestä (maakaasu, bensiini tai metyylialkoholi - metanoli). Jos kyseessä on ulkoinen lähde, se on muutettava kemiallisesti vedyn poistamiseksi. Tällä hetkellä suurin osa kannettaville laitteille kehitettävistä polttokennotekniikoista käyttää metanolia.
Polttokennon ominaisuudet
ne toimivat vain niin kauan kuin polttoaine ja hapetin saadaan ulkopuolisesta lähteestä (eli ne eivät pysty varastoimaan sähköenergiaa),
elektrolyytin kemiallinen koostumus ei muutu käytön aikana (polttokennoa ei tarvitse ladata),
ne ovat täysin riippumattomia sähköstä (perinteiset akut varastoivat energiaa verkosta).
Polttokennot ovat analogisia olemassa olevien akkujen kanssa siinä mielessä, että molemmissa tapauksissa sähköenergia saadaan kemiallisesta energiasta. Mutta on myös perustavanlaatuisia eroja:
Jokainen polttokenno luo jännite 1V. Lisää jännitettä saadaan kytkemällä ne sarjaan. Tehon (virran) kasvu toteutetaan sarjaan kytkettyjen polttokennojen kaskadien rinnakkaisliitännällä.
Polttokennoille tehokkuudella ei ole kovaa rajoitusta, kuten lämpömoottoreissa (Carnot-syklin hyötysuhde on suurin mahdollinen hyötysuhde kaikista lämpömoottoreista, joilla on samat minimi- ja maksimilämpötilat).
Korkea hyötysuhde saavutetaan muuntamalla polttoaineen energia suoraan sähköksi. Jos polttoaine poltetaan ensin dieselgeneraattoreissa, muodostuva höyry tai kaasu kääntää turbiinin tai polttomoottorin akselin, joka puolestaan kääntää sähkögeneraattorin. Tuloksena on maksimi hyötysuhde 42 %, useammin se on noin 35-38 %. Lisäksi monien yhteyksien sekä lämpökoneiden maksimihyötysuhteen termodynaamisten rajoitusten vuoksi nykyistä hyötysuhdetta ei todennäköisesti nosteta korkeammalle. Olemassa oleville polttokennoille Tehokkuus on 60-80 %,
Tehokkuus melkein ei riipu kuormituskertoimesta,
Kapasiteetti on useita kertoja suurempi kuin olemassa olevat akut
Saattaa loppuun ei ympäristölle haitallisia päästöjä. Päästyy vain puhdasta vesihöyryä ja lämpöenergiaa (toisin kuin dieselgeneraattoreissa, joissa on saastuttavia päästöjä ja jotka on poistettava).
Polttokennojen tyypit
polttokennoja luokiteltu seuraavilla perusteilla:
käytetyn polttoaineen mukaan
työpaine ja lämpötila,
sovelluksen luonteen mukaan.
Yleisesti ottaen on olemassa seuraavat polttokennotyypit:
Kiinteät oksidipolttokennot (SOFC);
Polttokenno protoninvaihtokalvolla (protoninvaihtokalvon polttokenno - PEMFC);
Reversiibeli polttokenno (RFC);
Suora metanolipolttokenno (Direct-metanol polttokenno - DMFC);
Sulata karbonaattipolttokenno (Molten-carbonate polttokennot - MCFC);
Fosforihappopolttokennot (PAFC);
Alkalipolttokennot (AFC).
Yksi normaaleissa lämpötiloissa ja paineissa vetyä ja happea käyttävistä polttokennotyypeistä on elementtejä, joissa on ioninvaihtokalvo. Tuloksena oleva vesi ei liukene kiinteää elektrolyyttiä, vaan valuu alas ja poistuu helposti.
Polttokenno-ongelmat
Polttokennojen suurin ongelma liittyy "pakatun" vedyn tarpeeseen, jota voitiin ostaa vapaasti. Ilmeisesti ongelman pitäisi ratketa ajan myötä, mutta toistaiseksi tilanne herättää lievän hymyn: kumpi tulee ensin - kana vai muna? Polttokennot eivät ole vielä tarpeeksi kehittyneitä vetylaitosten rakentamiseen, mutta niiden edistyminen on mahdotonta ajatella ilman näitä laitoksia. Tässä huomautamme myös vedyn lähteen ongelmasta. Vetyä tuotetaan tällä hetkellä maakaasusta, mutta nousevat energiakustannukset nostavat myös vedyn hintaa. Samanaikaisesti CO:n ja H 2 S:n (rikkivety) läsnäolo on väistämätöntä maakaasun vedyssä, mikä myrkyttää katalyytin.
Tavallisissa platinakatalyyteissä käytetään erittäin kallista ja luonnossa korvaamatonta metallia - platinaa. Tämä ongelma on kuitenkin tarkoitus ratkaista käyttämällä entsyymeihin perustuvia katalyyttejä, jotka ovat halpa ja helposti valmistettava aine.
Myös kuumuus on ongelma. Tehokkuus kasvaa jyrkästi, jos syntyvä lämpö ohjataan hyödylliseen kanavaan - tuottamaan lämpöenergiaa lämmönjakelujärjestelmään, käyttämään sitä hukkalämmönä absorptiossa jäähdytyskoneet jne.
Metanolipolttokennot (DMFC): todellinen sovellus
Suorat metanolipolttokennot (DMFC) ovat tällä hetkellä eniten kiinnostavia. DMFC-polttokennolla toimiva Portege M100 -kannettava näyttää tältä:
Tyypillinen DMFC-piiri sisältää anodin, katodin ja kalvon lisäksi useita lisäkomponentteja: polttoainepatruunan, metanolin anturin, polttoaineen kiertopumpun, ilmapumpun, lämmönvaihtimen jne.
Esimerkiksi kannettavan tietokoneen käyttöaikaa akkuihin verrattuna on tarkoitus lisätä 4 kertaa (jopa 20 tuntia), matkapuhelimen - jopa 100 tuntia aktiivisessa tilassa ja jopa kuusi kuukautta valmiustilassa. Lataaminen tapahtuu lisäämällä osa nestemäistä metanolia.
Päätehtävänä on löytää vaihtoehtoja korkeimman pitoisuuden omaavan metanoliliuoksen käyttöön. Ongelmana on, että metanoli on melko vahvaa myrkkyä, tappava useiden kymmenien gramman annoksina. Mutta metanolin pitoisuus vaikuttaa suoraan työn kestoon. Jos aiemmin käytettiin 3-10 % metanoliliuosta, niin 50 % liuosta käyttäviä matkapuhelimia ja kämmentietokoneita on jo ilmestynyt, ja vuonna 2008 laboratorio-olosuhteissa MTI MicroFuel Cells ja hieman myöhemmin Toshiba saivat polttokennoja, jotka toimivat puhdasta metanolia.
Polttokennot ovat tulevaisuutta!
Lopuksi se tosiasia, että kansainvälinen järjestö IEC (International Electrotechnical Commission), joka määrittelee teollisuusstandardeja elektronisille laitteille, on jo ilmoittanut työryhmän perustamisesta kansainvälisen standardin kehittämiseksi pienoispolttokennoille, puhuu polttoaineen ilmeisestä suuresta tulevaisuudesta. soluja.
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.
Polttokennoja, joita käytettiin alun perin vain avaruusteollisuudessa, käytetään nykyään yhä useammin useilla eri aloilla - kiinteinä voimalaitoksina, rakennusten autonomisina lämmön- ja sähkönlähteinä, ajoneuvojen moottoreina, kannettavien tietokoneiden ja matkapuhelimien virtalähteinä. 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 prosessissa, 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 sähköenergian tuottamiseen ulkopuolisesta lähteestä tulevaa polttoainetta (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.
Puhtaan vedyn tehokkain 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 12,5 kW:n "PC11"-malli, joka ilmestyi 1970-luvulla. 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 |
|||||||||||||||
|
Joissakin polttokennoissa 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 aurinkosähköpaneelien 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, jossa aurinkosähköpaneeleilla tuotetaan vetyä ja happea vedestä elektrolyysillä. Vetyä käytetään sitten polttokennoissa sähkön 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. viisi.
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 () Levyn kanavien kautta vetymolekyylit tulevat 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 konversion vaatiman korkean lämpötilan aikaansaamiseksi osa polttokennopinon käytetystä polttoaineesta ohjataan polttimeen, joka pitää reformerin vaaditussa 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 sammuttamisen erilaisten vikojen sattuessa.
Tällaisessa polttokennossa noin 40 % polttoaineen energiasta voidaan muuntaa sähköenergiaksi. Noin saman verran, noin 40 % polttoaineenergiasta, voidaan muuntaa lämpöenergiaksi, jota sitten käytetään lämmönlähteenä lämmitykseen, kuuman veden huoltoon 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, johon polttokenno on asennettu, omistajien 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 |
||||||||||||||||||||
|
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 säätöä, joten niiden pääasiallinen käyttöalue on suuret kiinteät lämmön ja sähkön lähteet. Niille on kuitenkin ominaista 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 yksiköitä, 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, joten niitä voidaan käyttää sekä sähkö- että lämpöenergian tuottamiseen.
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 kaupallisesta mallista, joka on odotettavissa tänä vuonna (kuva 15). Tällaisten elementtien markkinasegmentti on kiinteät lämmön ja sähkön tuotantoon tarkoitetut laitokset, 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.
