Auto poháňané vodou sa možno čoskoro stane realitou a vodíkové palivové články budú inštalované v mnohých domácnostiach...

Technológia vodíkových palivových článkov nie je nová. Začalo to v roku 1776, keď Henry Cavendish prvýkrát objavil vodík pri rozpúšťaní kovov v zriedených kyselinách. Prvý vodíkový palivový článok vynašiel už v roku 1839 William Grove. Odvtedy sa vodíkové palivové články postupne zdokonaľovali a dnes sa inštalujú do raketoplánov, dodávajú im energiu a slúžia ako zdroj vody. V súčasnosti je technológia vodíkových palivových článkov na pokraji dosiahnutia masového trhu v automobiloch, domácnostiach a prenosných zariadeniach.

Vo vodíkovom palivovom článku sa chemická energia (vo forme vodíka a kyslíka) premieňa priamo (bez spaľovania) na elektrickú energiu. Palivový článok pozostáva z katódy, elektród a anódy. Vodík sa privádza do anódy, kde sa rozdelí na protóny a elektróny. Protóny a elektróny majú rôzne cesty ku katóde. Protóny putujú cez elektródu ku katóde a elektróny putujú okolo palivových článkov, aby sa dostali ku katóde. Tento pohyb vytvára následne využiteľnú elektrickú energiu. Na druhej strane sa vodíkové protóny a elektróny spájajú s kyslíkom a vytvárajú vodu.

Elektrolyzéry sú jedným zo spôsobov, ako extrahovať vodík z vody. Tento proces je v podstate opačný, ako keď funguje vodíkový palivový článok. Elektrolyzér pozostáva z anódy, elektrochemického článku a katódy. Voda a napätie sú privedené na anódu, ktorá rozdeľuje vodu na vodík a kyslík. Vodík prechádza elektrochemickým článkom ku katóde a kyslík sa privádza priamo ku katóde. Odtiaľ je možné extrahovať a skladovať vodík a kyslík. V časoch, keď nie je potrebné vyrábať elektrinu, môže byť nahromadený plyn vytiahnutý zo zásobníka a vedený späť cez palivový článok.

Tento systém využíva ako palivo vodík, zrejme preto koluje veľa mýtov o jeho bezpečnosti. Po výbuchu Hindenburgu sa mnohí ľudia ďaleko od vedy a dokonca aj niektorí vedci začali domnievať, že používanie vodíka je veľmi nebezpečné. Nedávny výskum však ukázal, že príčinou tejto tragédie bol druh materiálu, ktorý bol použitý pri konštrukcii, a nie vodík, ktorý bol napumpovaný dovnútra. Po testovaní bezpečnosti skladovania vodíka sa zistilo, že skladovanie vodíka v palivových článkoch je bezpečnejšie než skladovanie benzínu v palivovej nádrži auta.

Koľko stoja moderné vodíkové palivové články?? Spoločnosti v súčasnosti ponúkajú vodíkové palivové systémy na výrobu energie za približne 3 000 dolárov za kilowatt. Prieskum trhu zistil, že keď náklady klesnú na 1 500 USD za kilowatt, spotrebitelia na trhu s hromadnou energiou budú pripravení prejsť na tento typ paliva.

Vozidlá s vodíkovými palivovými článkami sú stále drahšie ako vozidlá so spaľovacím motorom, no výrobcovia hľadajú spôsoby, ako dostať cenu na porovnateľnú úroveň. V niektorých odľahlých oblastiach, kde nie sú elektrické vedenia, môže byť teraz používanie vodíka ako paliva alebo autonómneho zdroja energie v domácnostiach ekonomickejšie ako napríklad budovanie infraštruktúry pre tradičné energetické nosiče.

Prečo sa vodíkové palivové články stále veľmi nepoužívajú? V súčasnosti je hlavným problémom distribúcie vodíkových palivových článkov ich vysoká cena. Vodíkové palivové systémy jednoducho v súčasnosti nemajú masový dopyt. Veda však nestojí na mieste a v blízkej budúcnosti sa auto jazdiace po vode môže stať skutočnou realitou.

Výroba, montáž, testovanie a testovanie palivových (vodíkových) článkov/článkov
Vyrábané v továrňach v USA a Kanade

Palivové (vodíkové) články/články

Spoločnosť Intech GmbH / LLC Intech GmbH je na trhu inžinierskych služieb od roku 1997, dlhoročný oficiálny predstaviteľ rôznych priemyselných zariadení, dáva do vašej pozornosti rôzne palivové (vodíkové) články / články.

Palivový článok/článok je

Výhody palivových článkov/článkov

Palivový článok/článok je zariadenie, ktoré efektívne generuje jednosmerný prúd a teplo z paliva bohatého na vodík prostredníctvom elektrochemickej reakcie.

Palivový článok je podobný batérii v tom, že generuje jednosmerný prúd prostredníctvom chemickej reakcie. Palivový článok obsahuje anódu, katódu a elektrolyt. Na rozdiel od batérií však palivové články/články nedokážu uchovávať elektrickú energiu, nevybíjajú sa a nevyžadujú dobíjanie elektriny. Palivové články/články môžu nepretržite vyrábať elektrinu, pokiaľ majú zásobu paliva a vzduchu.

Na rozdiel od iných generátorov energie, ako sú spaľovacie motory alebo turbíny poháňané plynom, uhlím, ropou atď., palivové články/články nespaľujú palivo. To znamená žiadne hlučné vysokotlakové rotory, žiadny hlasný hluk výfuku, žiadne vibrácie. Palivové články/články generujú elektrinu tichou elektrochemickou reakciou. Ďalšou vlastnosťou palivových článkov/článkov je, že premieňajú chemickú energiu paliva priamo na elektrinu, teplo a vodu.

Palivové články sú vysoko účinné a neprodukujú veľké množstvo skleníkových plynov, ako je oxid uhličitý, metán a oxid dusný. Jedinými produktmi emitovanými počas prevádzky je voda vo forme pary a malé množstvo oxidu uhličitého, ktorý sa pri použití čistého vodíka ako paliva neuvoľňuje vôbec. Palivové články/články sa skladajú do zostáv a následne do jednotlivých funkčných modulov.

História vývoja palivových článkov/článkov

V 50. a 60. rokoch sa jedna z najväčších výziev pre palivové články zrodila z potreby Národného úradu pre letectvo a vesmír (NASA) po energetických zdrojoch pre dlhodobé vesmírne misie. Alkalický palivový článok/článok agentúry NASA využíva vodík a kyslík ako palivo, pričom tieto dva typy kombinuje v elektrochemickej reakcii. Výstupom sú tri vedľajšie produkty reakcie užitočné pri kozmických letoch – elektrina na poháňanie kozmickej lode, voda na pitie a chladenie a teplo na udržanie kozmonautov v teple.

Objav palivových článkov sa datuje na začiatok 19. storočia. Prvý dôkaz o účinku palivových článkov bol získaný v roku 1838.

Koncom 30. rokov sa začali práce na alkalických palivových článkoch a do roku 1939 bol postavený článok využívajúci vysokotlakové poniklované elektródy. Počas druhej svetovej vojny boli vyvinuté palivové články/články pre ponorky britského námorníctva a v roku 1958 bola predstavená palivová zostava pozostávajúca z alkalických palivových článkov/článkov s priemerom niečo vyše 25 cm.

Záujem sa zvýšil v 50. a 60. rokoch 20. storočia a tiež v 80. rokoch, keď priemyselný svet zaznamenal nedostatok vykurovacieho oleja. V tom istom období sa svetové krajiny začali zaujímať aj o problém znečistenia ovzdušia a uvažovali o spôsoboch výroby elektriny šetrnej k životnému prostrediu. V súčasnosti prechádza technológia palivových článkov/článkov rýchlym vývojom.

Ako fungujú palivové články/články

Palivové články/články vytvárajú elektrinu a teplo prostredníctvom prebiehajúcej elektrochemickej reakcie pomocou elektrolytu, katódy a anódy.

Anóda a katóda sú oddelené elektrolytom, ktorý vedie protóny. Po vstupe vodíka do anódy a vstupe kyslíka do katódy začína chemická reakcia, v dôsledku ktorej vzniká elektrický prúd, teplo a voda.

Na anódovom katalyzátore molekulárny vodík disociuje a stráca elektróny. Vodíkové ióny (protóny) sú vedené cez elektrolyt ku katóde, zatiaľ čo elektróny prechádzajú cez elektrolyt a prechádzajú cez vonkajší elektrický obvod, čím vytvárajú jednosmerný prúd, ktorý možno použiť na napájanie zariadení. Na katódovom katalyzátore sa molekula kyslíka spája s elektrónom (ktorý je dodávaný z vonkajšej komunikácie) a prichádzajúcim protónom a vytvára vodu, ktorá je jediným reakčným produktom (vo forme pary a / alebo kvapaliny).

Nižšie je zodpovedajúca reakcia:

Anódová reakcia: 2H2 => 4H+ + 4e -
Reakcia na katóde: 02 + 4H+ + 4e - => 2H20
Všeobecná reakcia prvkov: 2H2 + 02 => 2H20

Typy a rozmanitosť palivových článkov/článkov

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

Palivové články sa delia na vysokoteplotné a nízkoteplotné. Nízkoteplotné palivové články vyžadujú ako palivo relatívne čistý vodík. To často znamená, že na premenu primárneho paliva (ako je zemný plyn) na čistý vodík je potrebné spracovanie paliva. Tento proces spotrebúva dodatočnú energiu a vyžaduje špeciálne vybavenie. Vysokoteplotné palivové články nepotrebujú tento dodatočný postup, pretože dokážu „interne premeniť“ palivo pri zvýšených teplotách, čo znamená, že nie je potrebné investovať do vodíkovej infraštruktúry.

Palivové články/články na roztavenom uhličitane (MCFC)

Palivové články s roztaveným uhličitanom sú vysokoteplotné palivové články. Vysoká prevádzková teplota umožňuje priame využitie zemného plynu bez palivového procesora a palivového plynu s nízkou výhrevnosťou z procesných palív a iných zdrojov.

Prevádzka RCFC sa líši od ostatných palivových článkov. Tieto články využívajú elektrolyt zo zmesi roztavených uhličitanových solí. V súčasnosti sa používajú dva typy zmesí: uhličitan lítny a uhličitan draselný alebo uhličitan lítny a uhličitan sodný. Na roztavenie uhličitanových solí a dosiahnutie vysokého stupňa mobility iónov v elektrolyte pracujú palivové články s roztaveným uhličitanovým elektrolytom pri vysokých teplotách (650°C). Účinnosť sa pohybuje medzi 60-80%.

Pri zahriatí na teplotu 650°C sa soli stávajú vodičmi pre uhličitanové ióny (CO 3 2-). Tieto ióny prechádzajú z katódy na anódu, kde sa spájajú s vodíkom za vzniku vody, oxidu uhličitého a voľných elektrónov. Tieto elektróny sa posielajú cez vonkajší elektrický obvod späť ku katóde, pričom ako vedľajší produkt generujú elektrický prúd a teplo.

Anódová reakcia: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Reakcia na katóde: CO 2 + 1/2O 2 + 2e - => CO 3 2-
Všeobecná reakcia prvkov: H 2 (g) + 1/20 2 (g) + CO 2 (katóda) => H 2 O (g) + CO 2 (anóda)

Vysoké prevádzkové teploty palivových článkov s roztaveným uhličitanom majú určité výhody. Pri vysokých teplotách sa zemný plyn vnútorne reformuje, čím sa eliminuje potreba procesora paliva. Okrem toho medzi výhody patrí možnosť použitia štandardných konštrukčných materiálov, ako je nerezový plech a niklový katalyzátor na elektródach. Odpadové teplo je možné využiť na výrobu vysokotlakovej pary na rôzne priemyselné a komerčné účely.

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

Palivové články s roztaveným uhličitanom sú vhodné na použitie vo veľkých stacionárnych inštaláciách. Priemyselne sa vyrábajú tepelné elektrárne s výstupným elektrickým výkonom 3,0 MW. Vyvíjajú sa elektrárne s výstupným výkonom do 110 MW.

Palivové články/články na báze kyseliny fosforečnej (PFC)

Palivové články na báze kyseliny fosforečnej (ortofosforečnej) boli prvými palivovými článkami na komerčné využitie.

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

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

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

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

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

Priemyselne sa vyrábajú tepelné elektrárne s výstupným elektrickým výkonom do 500 kW. Zariadenia s výkonom 11 MW prešli príslušnými skúškami. Vyvíjajú sa elektrárne s výstupným výkonom do 100 MW.

Palivové články/články s pevným oxidom (SOFC)

Palivové články s pevným oxidom sú palivové články s najvyššou prevádzkovou teplotou. Prevádzková teplota sa môže meniť od 600°C do 1000°C, čo umožňuje použitie rôznych druhov paliva bez špeciálnej predúpravy. Na zvládnutie týchto vysokých teplôt sa ako elektrolyt používa tenký pevný oxid kovu na keramickej báze, často zliatina ytria a zirkónu, ktorý je vodičom kyslíkových (O2-) iónov.

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

Reakcia na anóde: 2H2 + 2O2- => 2H20 + 4e -
Reakcia na katóde: O 2 + 4e - \u003d\u003e 2O 2-
Všeobecná reakcia prvkov: 2H2 + 02 => 2H20

Účinnosť vytvorenej elektrickej energie je najvyššia zo všetkých palivových článkov – okolo 60 – 70 %. Vysoké prevádzkové teploty umožňujú kombinovanú výrobu tepla a elektriny na výrobu vysokotlakovej pary. Spojením vysokoteplotného palivového článku s turbínou vzniká hybridný palivový článok, ktorý zvyšuje účinnosť výroby energie až o 75 %.

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

Palivové články/články s priamou oxidáciou metanolu (DOMTE)

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

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

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

Výhodou tohto typu palivových článkov je ich malá veľkosť, vzhľadom na použitie kvapalného paliva, a absencia potreby použitia konvertora.

Alkalické palivové články/články (AFC)

Alkalické palivové články sú jedným z najefektívnejších prvkov používaných na výrobu elektriny, pričom účinnosť výroby energie dosahuje až 70 %.

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

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

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

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

Palivové články/články s polymérnym elektrolytom (PETE)

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

Tuhé kyslé palivové články/články (SCFC)

V pevných kyslých palivových článkoch elektrolyt (CsHSO 4 ) neobsahuje vodu. Prevádzková teplota je teda 100-300°C. Rotácia SO 4 2-oxy aniónov umožňuje protónom (červená) pohybovať sa, ako je znázornené na obrázku. Palivový článok s tuhou kyselinou je typicky sendvič, v ktorom je veľmi tenká vrstva tuhej kyslej zlúčeniny vložená medzi dve tesne stlačené elektródy, aby sa zabezpečil dobrý kontakt. Pri zahriatí sa organická zložka vyparí, opustí póry v elektródach, pričom si zachová schopnosť početných kontaktov medzi palivom (alebo kyslíkom na druhom konci článku), elektrolytom a elektródami.

Inovatívne energeticky úsporné mestské teplárne a elektrárne sú zvyčajne postavené na palivových článkoch s pevným oxidom (SOFC), palivových článkoch s polymérnym elektrolytom (PEFC), palivových článkoch s kyselinou fosforečnou (PCFC), palivových článkoch s protónovou výmennou membránou (MPFC) a alkalických palivových článkoch ( APFC). Zvyčajne majú nasledujúce vlastnosti:

Palivové články s pevným oxidom (SOFC) by sa mali považovať za najvhodnejšie, ktoré:

• pracovať pri vyššej teplote, čo znižuje potrebu drahých drahých kovov (ako je platina)
• môže fungovať na rôzne druhy uhľovodíkových palív, najmä na zemný plyn
• majú dlhší čas nábehu, a preto sú vhodnejšie na dlhodobú prevádzku
• preukázať vysokú účinnosť výroby energie (až 70%)
• z dôvodu vysokých prevádzkových teplôt je možné jednotky kombinovať so systémami rekuperácie tepla, čím sa celková účinnosť systému zvýši až na 85 %
• majú takmer nulové emisie, fungujú ticho a majú nízke prevádzkové požiadavky v porovnaní s existujúcimi technológiami výroby energie

Typ palivového článku	Pracovná teplota	Účinnosť výroby energie	Druh paliva	Oblasť použitia
RKTE	550 až 700 °C	50-70%		Stredné a veľké inštalácie
FKTE	100 až 220 °C	35-40%	čistý vodík	Veľké inštalácie
MOPTE	30-100 °C	35-50%	čistý vodík	Malé inštalácie
SOFC	450-1000 °C	45-70%	Väčšina uhľovodíkových palív	Malé, stredné a veľké inštalácie
POMTE	20-90 °C	20-30%	metanol	Prenosný
SHTE	50 až 200 °C	40-70%	čistý vodík	vesmírny výskum
PETE	30-100 °C	35-50%	čistý vodík	Malé inštalácie

Keďže malé tepelné elektrárne môžu byť napojené na klasickú sieť zásobovania plynom, palivové články nevyžadujú samostatný systém zásobovania vodíkom. Pri použití malých tepelných elektrární založených na palivových článkoch s tuhými oxidmi je možné generované teplo integrovať do výmenníkov tepla na ohrev vody a vetracieho vzduchu, čím sa zvýši celková účinnosť systému. Táto inovatívna technológia je najvhodnejšia na efektívnu výrobu energie bez potreby nákladnej infraštruktúry a komplexnej integrácie nástrojov.

Aplikácie palivového článku/článku

Aplikácia palivových článkov/článkov v telekomunikačných systémoch

S rýchlym rozšírením bezdrôtových komunikačných systémov po celom svete a rastúcimi sociálnymi a ekonomickými výhodami technológie mobilných telefónov sa potreba spoľahlivého a nákladovo efektívneho záložného napájania stala kritickou. Straty siete počas roka v dôsledku nepriaznivého počasia, prírodných katastrof alebo obmedzenej kapacity siete sú pre prevádzkovateľov sústav neustálou výzvou.

Tradičné telekomunikačné riešenia zálohovania energie zahŕňajú batérie (ventilom regulovaný olovený batériový článok) pre krátkodobé záložné napájanie a dieselové a propánové generátory pre dlhšiu záložnú energiu. Batérie sú relatívne lacným zdrojom záložnej energie na 1 až 2 hodiny. Batérie však nie sú vhodné na dlhšie obdobia zálohovania, pretože sú nákladné na údržbu, po dlhšom používaní sa stávajú nespoľahlivými, sú citlivé na teploty a po likvidácii sú nebezpečné pre životné prostredie. Naftové a propánové generátory môžu poskytovať nepretržitú záložnú energiu. Generátory však môžu byť nespoľahlivé, vyžadujú si rozsiahlu údržbu a do atmosféry uvoľňujú vysoké úrovne znečisťujúcich látok a skleníkových plynov.

Aby sa odstránili obmedzenia tradičných riešení záložného napájania, bola vyvinutá inovatívna technológia zelených palivových článkov. Palivové články sú spoľahlivé, tiché, obsahujú menej pohyblivých častí ako generátor, majú širší rozsah prevádzkových teplôt ako batéria od -40°C do +50°C a v dôsledku toho poskytujú extrémne vysokú úroveň úspory energie. Okrem toho sú náklady na životnosť takéhoto zariadenia nižšie ako náklady na generátor. Nižšie náklady na palivové články sú výsledkom iba jednej údržby za rok a výrazne vyššej produktivity závodu. Koniec koncov, palivový článok je ekologickým technologickým riešením s minimálnym dopadom na životné prostredie.

Jednotky palivových článkov poskytujú záložné napájanie pre kritické komunikačné sieťové infraštruktúry pre bezdrôtovú, trvalú a širokopásmovú komunikáciu v telekomunikačnom systéme, v rozsahu od 250 W do 15 kW, ponúkajú mnoho bezkonkurenčných inovatívnych funkcií:

• SPOĽAHLIVOSŤ– Málo pohyblivých častí a žiadne pohotovostné vybíjanie
• ÚSPORA ENERGIE
• TICHO- nízka hladina hluku
• STABILITA– prevádzkový rozsah od -40°C do +50°C
• PRISPÔSOBIVOSŤ– vonkajšia a vnútorná inštalácia (nádoba/ochranná nádoba)
• VEĽKÁ SILA- do 15 kW
• NÍZKA POTREBA ÚDRŽBY– minimálna ročná údržba
• EKONOMIKA- atraktívne celkové náklady na vlastníctvo
• ČISTÁ ENERGIA– nízke emisie s minimálnym dopadom na životné prostredie

Systém neustále sníma napätie jednosmernej zbernice a hladko akceptuje kritické záťaže, ak napätie jednosmernej zbernice klesne pod užívateľom definovanú požadovanú hodnotu. Systém beží na vodík, ktorý vstupuje do zásobníka palivových článkov jedným z dvoch spôsobov – buď z komerčného zdroja vodíka, alebo z kvapalného paliva z metanolu a vody pomocou palubného reformovacieho systému.

Elektrická energia je produkovaná sústavou palivových článkov vo forme jednosmerného prúdu. Jednosmerný prúd sa posiela do konvertora, ktorý premieňa neregulovaný jednosmerný prúd zo zásobníka palivových článkov na vysoko kvalitný, regulovaný jednosmerný prúd pre požadované zaťaženie. Inštalácia palivových článkov môže poskytnúť záložnú energiu na mnoho dní, pretože trvanie je obmedzené iba množstvom vodíka alebo paliva s metanolom/vodou, ktoré je k dispozícii na sklade.

Palivové články ponúkajú vynikajúcu energetickú účinnosť, zvýšenú spoľahlivosť systému, predvídateľnejší výkon v širokom spektre klimatických podmienok a spoľahlivú životnosť v porovnaní s priemyselnými štandardnými ventilom riadenými olovenými batériami. Náklady na životný cyklus sú tiež nižšie vďaka výrazne nižším požiadavkám na údržbu a výmenu. Palivové články ponúkajú konečnému užívateľovi environmentálne výhody, pretože náklady na likvidáciu a riziká zodpovednosti spojené s olovenými článkami sú čoraz väčším problémom.

Výkon elektrických batérií môže byť nepriaznivo ovplyvnený širokou škálou faktorov, ako je úroveň nabitia, teplota, cykly, životnosť a ďalšie premenné. Poskytnutá energia sa bude líšiť v závislosti od týchto faktorov a nie je ľahké ju predvídať. Výkon palivového článku s protónovou výmennou membránou (PEMFC) nie je týmito faktormi relatívne ovplyvnený a môže poskytovať kritickú energiu, pokiaľ je k dispozícii palivo. Zvýšená predvídateľnosť je dôležitou výhodou pri prechode na palivové články pre kritické aplikácie záložného napájania.

Palivové články generujú energiu iba vtedy, keď je dodávané palivo, ako generátor plynovej turbíny, ale nemajú pohyblivé časti v zóne výroby. Preto na rozdiel od generátora nepodliehajú rýchlemu opotrebovaniu a nevyžadujú neustálu údržbu a mazanie.

Palivo používané na pohon konvertora paliva Extended Duration Fuel Converter je zmes metanolu a vody. Metanol je široko dostupné komerčné palivo, ktoré má v súčasnosti mnoho využití, vrátane ostrekovačov čelného skla, plastových fliaš, motorových aditív a emulzných farieb. Metanol sa ľahko prepravuje, je miešateľný s vodou, má dobrú biologickú odbúrateľnosť a neobsahuje síru. Má nízky bod tuhnutia (-71°C) a pri dlhom skladovaní sa nerozkladá.

Aplikácia palivových článkov/článkov v komunikačných sieťach

Bezpečnostné siete vyžadujú spoľahlivé riešenia záložného napájania, ktoré v prípade núdze vydržia niekoľko hodín alebo dní, ak sa elektrická sieť stane nedostupnou.

S malým počtom pohyblivých častí a bez zníženia spotreby energie v pohotovostnom režime ponúka inovatívna technológia palivových článkov atraktívne riešenie v porovnaní so súčasne dostupnými systémami záložného napájania.

Najzávažnejším dôvodom pre použitie technológie palivových článkov v komunikačných sieťach je zvýšená celková spoľahlivosť a bezpečnosť. Počas udalostí, akými sú výpadky elektriny, zemetrasenia, búrky a hurikány, je dôležité, aby systémy naďalej fungovali a mali spoľahlivé záložné napájanie na dlhší čas bez ohľadu na teplotu alebo vek záložného energetického systému.

Rad napájacích zdrojov s palivovými článkami je ideálny na podporu bezpečných komunikačných sietí. Vďaka princípom energeticky úsporného dizajnu poskytujú ekologický, spoľahlivý záložný zdroj s predĺženou dobou trvania (až niekoľko dní) pre použitie vo výkonovom rozsahu od 250 W do 15 kW.

Aplikácia palivových článkov/článkov v dátových sieťach

Spoľahlivé napájanie dátových sietí, ako sú vysokorýchlostné dátové siete a chrbtica z optických vlákien, má kľúčový význam na celom svete. Informácie prenášané cez takéto siete obsahujú kritické údaje pre inštitúcie, ako sú banky, letecké spoločnosti alebo zdravotné strediská. Výpadok prúdu v takýchto sieťach predstavuje nielen nebezpečenstvo pre prenášané informácie, ale spravidla vedie aj k významným finančným stratám. Spoľahlivé, inovatívne inštalácie palivových článkov, ktoré poskytujú záložné napájanie, poskytujú spoľahlivosť, ktorú potrebujete na zabezpečenie nepretržitého napájania.

Jednotky palivových článkov pracujúce na kvapalnej palivovej zmesi metanolu a vody poskytujú spoľahlivé záložné napájanie s predĺženou výdržou, až niekoľko dní. Okrem toho sa tieto jednotky vyznačujú výrazne zníženými požiadavkami na údržbu v porovnaní s generátormi a batériami a vyžadujú len jednu údržbu za rok.

Typické aplikačné charakteristiky pre použitie inštalácií palivových článkov v dátových sieťach:

• Aplikácie s príkonmi od 100 W do 15 kW
• Aplikácie s požiadavkami na výdrž batérie > 4 hodiny
• Opakovače v optických systémoch (hierarchia synchrónnych digitálnych systémov, vysokorýchlostný internet, hlas cez IP...)
• Sieťové uzly vysokorýchlostného prenosu dát
• Prenosové uzly WiMAX

Pohotovostné inštalácie palivových článkov ponúkajú množstvo výhod pre kritickú infraštruktúru dátových sietí v porovnaní s tradičnými batériovými alebo dieselovými generátormi, čo umožňuje zvýšené využitie na mieste:

1. Technológia kvapalného paliva rieši problém so skladovaním vodíka a poskytuje prakticky neobmedzenú záložnú energiu.
2. Vďaka tichej prevádzke, nízkej hmotnosti, odolnosti voči extrémnym teplotám a prevádzke prakticky bez vibrácií je možné palivové články inštalovať vonku, v priemyselných priestoroch/kontajneroch alebo na strechách.
3. Príprava na použitie systému na mieste je rýchla a hospodárna a prevádzkové náklady sú nízke.
4. Palivo je biologicky odbúrateľné a predstavuje ekologické riešenie pre mestské prostredie.

Aplikácia palivových článkov/článkov v bezpečnostných systémoch

Najdôkladnejšie navrhnuté bezpečnostné a komunikačné systémy budov sú len také spoľahlivé, ako je výkon, ktorý ich poháňa. Zatiaľ čo väčšina systémov obsahuje nejaký typ záložného systému neprerušiteľného napájania pre krátkodobé straty energie, nezabezpečujú dlhšie výpadky napájania, ktoré môžu nastať po prírodných katastrofách alebo teroristických útokoch. Toto môže byť kritický problém pre mnohé korporátne a vládne agentúry.

Životne dôležité systémy, ako sú CCTV monitorovacie a prístupové systémy (čítačky identifikačných kariet, zariadenia na zatváranie dverí, biometrická identifikačná technika atď.), automatické požiarne poplachové a hasiace systémy, riadiace systémy výťahov a telekomunikačné siete, sú ohrozené, ak neexistuje spoľahlivý alternatívny zdroj nepretržitého napájania.

Dieselové generátory sú hlučné, ťažko sa nachádzajú a sú si dobre vedomé ich spoľahlivosti a problémov s údržbou. Na rozdiel od toho je inštalácia záložného palivového článku tichá, spoľahlivá, má nulové alebo veľmi nízke emisie a ľahko sa inštaluje na strechu alebo mimo budovy. V pohotovostnom režime sa nevybíja ani nestráca energiu. Zabezpečuje nepretržitú prevádzku kritických systémov aj po ukončení činnosti inštitúcie a opustení budovy ľuďmi.

Inovatívne inštalácie palivových článkov chránia drahé investície do kritických aplikácií. Poskytujú ekologickú, spoľahlivú, dlhotrvajúcu záložnú energiu (až niekoľko dní) pre použitie vo výkonovom rozsahu od 250 W do 15 kW v kombinácii s mnohými neprekonateľnými funkciami a najmä vysokou úrovňou úspory energie.

Záložné jednotky s palivovými článkami ponúkajú v porovnaní s tradičnými batériovými alebo dieselovými generátormi množstvo výhod pre kritické aplikácie, ako sú systémy zabezpečenia a správy budov. Technológia kvapalného paliva rieši problém so skladovaním vodíka a poskytuje prakticky neobmedzenú záložnú energiu.

Aplikácia palivových článkov/článkov pri vykurovaní domácností a výrobe energie

Palivové články s pevným oxidom (SOFC) sa používajú na stavbu spoľahlivých, energeticky účinných a bezemisných tepelných elektrární na výrobu elektriny a tepla zo široko dostupného zemného plynu a obnoviteľných palív. Tieto inovatívne jednotky sa používajú na rôznych trhoch, od domácej výroby energie po napájanie vzdialených oblastí, ako aj pomocné zdroje energie.

Tieto energeticky úsporné jednotky vyrábajú teplo na vykurovanie priestorov a teplú vodu, ako aj elektrinu, ktorú možno použiť v domácnosti a vrátiť ju späť do elektrickej siete. Distribuované zdroje výroby energie môžu zahŕňať fotovoltaické (solárne) články a mikroveterné turbíny. Tieto technológie sú viditeľné a všeobecne známe, ale ich prevádzka je závislá od poveternostných podmienok a nedokážu konzistentne vyrábať elektrinu po celý rok. Z hľadiska výkonu sa tepelné elektrárne môžu meniť od menej ako 1 kW po 6 MW a viac.

Aplikácia palivových článkov/článkov v distribučných sieťach

Malé tepelné elektrárne sú navrhnuté tak, aby fungovali v distribuovanej sieti na výrobu elektrickej energie pozostávajúcej z veľkého počtu malých agregátov namiesto jednej centralizovanej elektrárne.

Obrázok nižšie ukazuje stratu účinnosti výroby elektriny, keď sa vyrába kogeneráciou a prenáša sa do domácností prostredníctvom tradičných prenosových sietí, ktoré sa v súčasnosti používajú. Straty účinnosti v okresnej výrobe zahŕňajú straty z elektrárne, prenosu nízkeho a vysokého napätia a straty v distribúcii.

Na obrázku sú výsledky integrácie malých tepelných elektrární: elektrina sa vyrába s účinnosťou výroby až 60 % v mieste použitia. Okrem toho môže domácnosť využiť teplo generované palivovými článkami na ohrev vody a priestoru, čo zvyšuje celkovú efektivitu spracovania energie paliva a zlepšuje úsporu energie.

Používanie palivových článkov na ochranu životného prostredia – využitie pridruženého ropného plynu

Jednou z najdôležitejších úloh v ropnom priemysle je využitie súvisiaceho ropného plynu. Existujúce spôsoby využitia pridruženého ropného plynu majú množstvo nevýhod, z ktorých hlavnou je, že nie sú ekonomicky životaschopné. Pridružený ropný plyn je spálený, čo spôsobuje veľké škody na životnom prostredí a ľudskom zdraví.

Inovatívne elektrárne s palivovými článkami využívajúce pridružený ropný plyn ako palivo otvárajú cestu k radikálnemu a nákladovo efektívnemu riešeniu problémov súvisiacich s využívaním ropných plynov.

1. Jednou z hlavných výhod inštalácií palivových článkov je to, že môžu spoľahlivo a trvalo fungovať pri premenlivom zložení súvisiacej s ropným plynom. V dôsledku chemickej reakcie bez plameňa, ktorá je základom činnosti palivového článku, zníženie percenta, napríklad metánu, spôsobí iba zodpovedajúce zníženie výkonu.
2. Flexibilita vo vzťahu k elektrickému zaťaženiu spotrebičov, diferenciál, záťažový ráz.
3. Pre inštaláciu a pripojenie tepelných elektrární na palivové články si ich realizácia nevyžaduje kapitálové výdavky, pretože Jednotky sa ľahko montujú na nepripravené miesta v blízkosti polí, sú ľahko ovládateľné, spoľahlivé a efektívne.
4. Vysoká automatizácia a moderné diaľkové ovládanie nevyžadujú stálu prítomnosť personálu v závode.
5. Jednoduchosť a technická dokonalosť dizajnu: absencia pohyblivých častí, trenie, mazacie systémy poskytuje značné ekonomické výhody z prevádzky inštalácií palivových článkov.
6. Spotreba vody: žiadna pri teplote okolia do +30 °C a zanedbateľná pri vyšších teplotách.
7. Výstup vody: žiadny.
8. Tepelné elektrárne s palivovými článkami navyše nevydávajú hluk, nevibrujú,

Palivové články predstavujú spôsob, ako elektrochemicky premieňať energiu vodíkového paliva na elektrinu a jediným vedľajším produktom tohto procesu je voda.

Vodíkové palivo, ktoré sa v súčasnosti používa v palivových článkoch, sa zvyčajne získava z parného reformovania metánu (t. j. premeny uhľovodíkov pomocou pary a tepla na metán), hoci môže existovať aj ekologickejší prístup, ako je elektrolýza vody pomocou slnečnej energie.

Hlavnými komponentmi palivového článku sú:

• anóda, v ktorej sa oxiduje vodík;
• katóda, kde je redukovaný kyslík;
• polymérna elektrolytová membrána, cez ktorú sa transportujú protóny alebo hydroxidové ióny (v závislosti od média) - neprepúšťa vodík a kyslík;
• prietokové polia kyslíka a vodíka, ktoré sú zodpovedné za dodávku týchto plynov do elektródy.

Aby bolo možné napájať napríklad auto, niekoľko palivových článkov je zostavených do batérie a množstvo energie dodávanej touto batériou závisí od celkovej plochy elektród a počtu článkov v nej. Energia v palivovom článku sa generuje nasledovne: vodík sa oxiduje na anóde a elektróny z neho sa posielajú na katódu, kde sa redukuje kyslík. Elektróny získané oxidáciou vodíka na anóde majú vyšší chemický potenciál ako elektróny, ktoré redukujú kyslík na katóde. Tento rozdiel medzi chemickými potenciálmi elektrónov umožňuje získavať energiu z palivových článkov.

História stvorenia

História palivových článkov siaha až do 30. rokov 20. storočia, kedy prvý vodíkový palivový článok navrhol William R. Grove. Tento článok používal ako elektrolyt kyselinu sírovú. Grove sa pokúsil uložiť meď z vodného roztoku síranu meďnatého na železný povrch. Všimol si, že pôsobením elektrónového prúdu sa voda rozkladá na vodík a kyslík. Po tomto objave Grove a Christian Schoenbein, chemik na univerzite v Bazileji (Švajčiarsko), ktorí s ním paralelne pracovali, v roku 1839 súčasne preukázali možnosť výroby energie vo vodíkovo-kyslíkovom palivovom článku pomocou kyslého elektrolytu. Tieto skoré pokusy, hoci boli svojou povahou dosť primitívne, pritiahli pozornosť niekoľkých ich súčasníkov, vrátane Michaela Faradaya.

Výskum palivových článkov pokračoval a v 30. rokoch 20. storočia F.T. Bacon zaviedol do alkalického palivového článku (jeden z typov palivových článkov) nový komponent – ​​iónomeničovú membránu na uľahčenie transportu hydroxidových iónov.

Jedným z najznámejších historických príkladov využitia alkalických palivových článkov je ich využitie ako hlavného zdroja energie počas vesmírnych letov v programe Apollo.

NASA si ich vybrala pre ich odolnosť a technickú stabilitu. Použili membránu vodivú pre hydroxid, ktorá bola efektívnejšia ako jej sestra na výmenu protónov.

Za takmer dve storočia od vytvorenia prvého prototypu palivových článkov sa vykonalo veľa práce na ich zdokonalení. Vo všeobecnosti konečná energia získaná z palivového článku závisí od kinetiky redoxnej reakcie, vnútorného odporu článku a prenosu hmoty reagujúcich plynov a iónov na katalyticky aktívne zložky. V priebehu rokov došlo k mnohým zlepšeniam pôvodnej myšlienky, ako napríklad:

1) nahradenie platinových drôtov elektródami na báze uhlíka nanočasticami platiny; 2) vynález membrán s vysokou vodivosťou a selektivitou, ako je Nafion, na uľahčenie transportu iónov; 3) spojenie katalytickej vrstvy, napríklad nanočastíc platiny, distribuovaných na uhlíkovej báze, s iónomeničovými membránami, výsledkom čoho je membránovo-elektródová jednotka s minimálnym vnútorným odporom; 4) využitie a optimalizácia prietokových polí na dodávanie vodíka a kyslíka na katalytický povrch namiesto ich priameho riedenia v roztoku.

Tieto a ďalšie vylepšenia nakoniec vyústili do technológie, ktorá bola dostatočne efektívna na použitie vo vozidlách, ako je Toyota Mirai.

Palivové články s membránami na výmenu hydroxidov

Univerzita v Delaware vykonáva výskum vývoja palivových článkov s membránami na výmenu hydroxidov – HEMFC (hydroxide exchange membrána fuel cells). Palivové články s membránami na výmenu hydroxidov namiesto membrán na výmenu protónov - PEMFC (protónové výmenné membránové palivové články) - čelia menšiemu jednému z veľkých problémov PEMFC - problému stability katalyzátora, pretože oveľa viac katalyzátorov zo základných kovov je stabilných v alkalickom prostredí ako v kyslom. Stabilita katalyzátorov v alkalických roztokoch je vyššia v dôsledku skutočnosti, že rozpúšťanie kovov uvoľňuje viac energie pri nízkom pH ako pri vysokom pH. Väčšina práce v tomto laboratóriu je venovaná aj vývoju nových anodických a katódových katalyzátorov pre reakcie oxidácie vodíka a redukcie kyslíka s cieľom ich ešte efektívnejšieho urýchlenia. Okrem toho laboratórium vyvíja nové membrány na výmenu hydroxidov, pretože vodivosť a trvanlivosť takýchto membrán sa ešte musí zlepšiť, aby mohli konkurovať membránam na výmenu protónov.

Hľadajte nové katalyzátory

Príčina prepäťových strát pri reakcii redukcie kyslíka je vysvetlená lineárnymi vzťahmi medzi medziproduktmi tejto reakcie. V tradičnom štvorelektrónovom mechanizme tejto reakcie sa kyslík postupne redukuje, pričom vznikajú medziprodukty - OOH*, O* a OH*, aby nakoniec na katalytickom povrchu vznikla voda (H2O). Pretože adsorpčné energie medziproduktov na jednotlivom katalyzátore navzájom vysoko korelujú, nebol doteraz nájdený žiadny katalyzátor, ktorý by, aspoň teoreticky, nemal straty prepätím. Hoci je rýchlosť tejto reakcie nízka, prechod z kyslého prostredia na zásadité, ako napríklad v HEMFC, ju príliš neovplyvňuje. Rýchlosť reakcie oxidácie vodíka je však takmer polovičná a táto skutočnosť motivuje výskum zameraný na hľadanie príčiny tohto poklesu a objavenie nových katalyzátorov.

Výhody palivových článkov

Na rozdiel od uhľovodíkových palív sú palivové články šetrnejšie k životnému prostrediu, ak nie dokonale, a svojou činnosťou neprodukujú skleníkové plyny. Okrem toho je ich palivo (vodík) v princípe obnoviteľné, pretože ho možno získať hydrolýzou vody. Vodíkové palivové články teda v budúcnosti sľubujú, že sa stanú plnohodnotnou súčasťou procesu výroby energie, v ktorom sa slnečná a veterná energia využíva na výrobu vodíkového paliva, ktoré sa následne využíva v palivovom článku na výrobu vody. Cyklus je teda uzavretý a nezostane žiadna uhlíková stopa.

Palivové články majú na rozdiel od dobíjacích batérií tú výhodu, že sa nemusia dobíjať – môžu okamžite začať dodávať energiu, akonáhle je to potrebné. To znamená, že ak sa aplikujú napríklad v oblasti vozidiel, tak zo strany spotrebiteľa nenastanú takmer žiadne zmeny. Na rozdiel od slnečnej energie a veternej energie dokážu palivové články vyrábať energiu nepretržite a sú oveľa menej závislé od vonkajších podmienok. Geotermálna energia je zasa dostupná len v určitých geografických oblastiach, zatiaľ čo palivové články tento problém opäť nemajú.

Vodíkové palivové články sú jedným z najsľubnejších zdrojov energie vďaka ich prenosnosti a flexibilite z hľadiska rozsahu.

Zložitosť skladovania vodíka

Okrem problémov s nedostatkami súčasných membrán a katalyzátorov sú ďalšie technické ťažkosti palivových článkov spojené so skladovaním a prepravou vodíkového paliva. Vodík má veľmi nízku špecifickú energiu na jednotku objemu (množstvo energie na jednotku objemu pri danej teplote a tlaku), a preto sa musí skladovať pri veľmi vysokom tlaku, aby sa mohol použiť vo vozidlách. V opačnom prípade bude veľkosť nádoby na skladovanie potrebného množstva paliva nemožne veľká. Kvôli týmto obmedzeniam skladovania vodíka boli urobené pokusy nájsť spôsoby výroby vodíka z niečoho iného, ​​ako je jeho plynná forma, ako napríklad v palivových článkoch s hydridom kovu. Súčasné spotrebiteľské aplikácie palivových článkov, ako napríklad Toyota Mirai, však používajú superkritický vodík (vodík, ktorý má teploty nad 33 K a tlaky nad 13,3 atmosféry, teda nad kritické hodnoty), a toto je teraz najpohodlnejšia možnosť.

Perspektívy regiónu

Vzhľadom na existujúce technické ťažkosti a problémy pri získavaní vodíka z vody pomocou solárnej energie sa v blízkej budúcnosti výskum pravdepodobne zameria najmä na hľadanie alternatívnych zdrojov vodíka. Jedným z populárnych nápadov je použiť amoniak (nitrid vodíka) priamo v palivovom článku namiesto vodíka alebo vyrobiť vodík z amoniaku. Dôvodom je, že čpavok je menej náročný na tlak, čo uľahčuje jeho skladovanie a presun. Okrem toho je amoniak atraktívny ako zdroj vodíka, pretože neobsahuje uhlík. To rieši problém otravy katalyzátora v dôsledku určitého množstva CO vo vodíku vyrobenom z metánu.

V budúcnosti môžu palivové články nájsť široké uplatnenie v technológii vozidiel a distribuovanej výrobe energie, napríklad v obytných oblastiach. Napriek tomu, že v súčasnosti si využitie palivových článkov ako hlavného zdroja energie vyžaduje veľa peňazí, ak sa nájdu lacnejšie a efektívnejšie katalyzátory, stabilné membrány s vysokou vodivosťou a alternatívne zdroje vodíka, vodíkové palivové články sa môžu stať vysoko ekonomicky atraktívne.

Palivový článok je elektrochemické zariadenie na premenu energie, ktoré premieňa vodík a kyslík na elektrinu prostredníctvom chemickej reakcie. V dôsledku tohto procesu vzniká voda a uvoľňuje sa veľké množstvo tepla. Palivový článok je veľmi podobný batérii, ktorú je možné nabiť a následne použiť na uskladnenie elektrickej energie.
Za vynálezcu palivového článku sa považuje William R. Grove, ktorý ho vynašiel už v roku 1839. V tomto palivovom článku bol ako elektrolyt použitý roztok kyseliny sírovej a ako palivo vodík, ktorý sa spojil s kyslíkom v oxidačnom médiu. Treba si uvedomiť, že donedávna sa palivové články používali len v laboratóriách a na kozmických lodiach.
V budúcnosti budú palivové články schopné konkurovať mnohým ďalším systémom premeny energie (vrátane plynových turbín v elektrárňach), spaľovacím motorom v automobiloch a elektrickým batériám v prenosných zariadeniach. Spaľovacie motory spaľujú palivo a využívajú tlak vytvorený expanziou spalín na vykonávanie mechanickej práce. Batérie uchovávajú elektrickú energiu a potom ju premieňajú na chemickú energiu, ktorá sa v prípade potreby môže premeniť späť na elektrickú energiu. Palivové články sú potenciálne veľmi účinné. Už v roku 1824 francúzsky vedec Carnot dokázal, že cykly kompresie a expanzie spaľovacieho motora nedokážu zabezpečiť účinnosť premeny tepelnej energie (čo je chemická energia spaľovania paliva) na mechanickú energiu nad 50 %. Palivový článok nemá žiadne pohyblivé časti (aspoň nie vo vnútri samotného článku), a preto sa neriadia Carnotovým zákonom. Prirodzene, budú mať viac ako 50% účinnosť a sú obzvlášť účinné pri nízkom zaťažení. Vozidlá s palivovými článkami sú teda pripravené byť (a už sa preukázalo, že sú) palivovo úspornejšie ako konvenčné vozidlá v reálnych jazdných podmienkach.
Palivový článok generuje jednosmerný elektrický prúd, ktorý možno použiť na pohon elektrického motora, svietidiel a iných elektrických systémov vo vozidle. Existuje niekoľko typov palivových článkov, ktoré sa líšia použitými chemickými procesmi. Palivové články sa zvyčajne klasifikujú podľa typu elektrolytu, ktorý používajú. Niektoré typy palivových článkov sú sľubné pre aplikácie v elektrárňach, zatiaľ čo iné môžu byť užitočné pre malé prenosné zariadenia alebo na riadenie áut.
Alkalický palivový článok je jedným z prvých vyvinutých prvkov. Od 60. rokov ich využíval americký vesmírny program. Takéto palivové články sú veľmi náchylné na kontamináciu, a preto vyžadujú veľmi čistý vodík a kyslík. Navyše sú veľmi drahé, a preto tento typ palivových článkov pravdepodobne nenájde široké uplatnenie v automobiloch.
Palivové články na báze kyseliny fosforečnej možno použiť v stacionárnych inštaláciách s nízkym výkonom. Pracujú pri pomerne vysokých teplotách, a preto sa dlho zahrievajú, čo ich robí neefektívnymi na použitie v automobiloch.
Palivové články s pevným oxidom sú vhodnejšie pre veľké stacionárne generátory energie, ktoré by mohli poskytovať elektrinu továrňam alebo komunitám. Tento typ palivového článku pracuje pri veľmi vysokých teplotách (asi 1000 °C). Vysoká prevádzková teplota vytvára určité problémy, no na druhej strane je tu aj výhoda – para produkovaná palivovým článkom môže byť posielaná do turbín, aby vyrábali viac elektriny. Celkovo to zlepšuje celkovú efektivitu systému.
Jedným z najsľubnejších systémov je palivový článok s protónovou výmennou membránou – POMFC (PEMFC – Protone Exchange Membrane Fuel Cell). V súčasnosti je tento typ palivových článkov najsľubnejší, pretože môže poháňať autá, autobusy a iné vozidlá.

Chemické procesy v palivovom článku

Palivové články využívajú elektrochemický proces na spojenie vodíka s kyslíkom zo vzduchu. Podobne ako batérie, aj palivové články využívajú elektródy (pevné elektrické vodiče) v elektrolyte (elektricky vodivom médiu). Keď sa molekuly vodíka dostanú do kontaktu so zápornou elektródou (anódou), táto sa rozdelí na protóny a elektróny. Protóny prechádzajú cez membránu na výmenu protónov (POM) ku kladnej elektróde (katóde) palivového článku a vyrábajú elektrinu. Existuje chemická kombinácia molekúl vodíka a kyslíka s tvorbou vody, ktorá je vedľajším produktom tejto reakcie. Jediným typom emisií z palivového článku je vodná para.
Elektrickú energiu vyrobenú palivovými článkami možno použiť v elektrickom pohonnom ústrojenstve vozidla (pozostávajúcom z meniča elektrickej energie a indukčného motora na striedavý prúd) na zabezpečenie mechanickej energie na pohon vozidla. Úlohou meniča výkonu je premieňať jednosmerný prúd produkovaný palivovými článkami na striedavý prúd, ktorý využíva trakčný motor vozidla.

Schematický diagram palivového článku s membránou na výmenu protónov:
1 - anóda;
2 - membrána na výmenu protónov (REM);
3 - katalyzátor (červený);
4 - katóda

Protónový výmenný membránový palivový článok (PEMFC) využíva jednu z najjednoduchších reakcií zo všetkých palivových článkov.

Samostatný palivový článok

Zvážte, ako funguje palivový článok. Anóda, záporný pól palivového článku, vedie elektróny, ktoré sa zbavia molekúl vodíka, aby mohli byť použité vo vonkajšom elektrickom obvode (obvode). Na tento účel sú v ňom vyryté kanály, ktoré rozdeľujú vodík rovnomerne po celom povrchu katalyzátora. Katóda (kladný pól palivového článku) má vyryté kanály, ktoré rozvádzajú kyslík po povrchu katalyzátora. Tiež vedie elektróny späť z vonkajšieho okruhu (okruhu) do katalyzátora, kde sa môžu spojiť s vodíkovými iónmi a kyslíkom za vzniku vody. Elektrolytom je membrána na výmenu protónov. Ide o špeciálny materiál, podobný bežnému plastu, ale so schopnosťou prepúšťať kladne nabité ióny a blokovať prechod elektrónov.
Katalyzátor je špeciálny materiál, ktorý uľahčuje reakciu medzi kyslíkom a vodíkom. Katalyzátor je zvyčajne vyrobený z platinového prášku naneseného vo veľmi tenkej vrstve na uhlíkovom papieri alebo tkanine. Katalyzátor musí byť drsný a pórovitý, aby sa jeho povrch čo najviac dostal do kontaktu s vodíkom a kyslíkom. Platinou potiahnutá strana katalyzátora je pred protónovou výmennou membránou (POM).
Plynný vodík (H 2 ) sa do palivového článku privádza pod tlakom zo strany anódy. Keď sa molekula H2 dostane do kontaktu s platinou na katalyzátore, rozdelí sa na dve časti, dva ióny (H+) a dva elektróny (e–). Elektróny sú vedené cez anódu, kde prechádzajú vonkajším obvodom (obvodom), kde vykonávajú užitočnú prácu (napr. poháňajú elektromotor) a vracajú sa z katódovej strany palivového článku.
Medzitým sa z katódovej strany palivového článku plynný kyslík (O 2 ) tlačí cez katalyzátor, kde vytvára dva atómy kyslíka. Každý z týchto atómov má silný záporný náboj, ktorý priťahuje dva ióny H+ cez membránu, kde sa spoja s atómom kyslíka a dvoma elektrónmi z vonkajšej slučky (reťazca) za vzniku molekuly vody (H 2 O).
Táto reakcia v jedinom palivovom článku produkuje výkon približne 0,7 wattu. Aby sa výkon zvýšil na požadovanú úroveň, je potrebné skombinovať veľa jednotlivých palivových článkov, aby vytvorili súbor palivových článkov.
Palivové články POM pracujú pri relatívne nízkej teplote (asi 80 °C), čo znamená, že sa dajú rýchlo zahriať na prevádzkovú teplotu a nevyžadujú drahé chladiace systémy. Neustálym zdokonaľovaním technológie a materiálov používaných v týchto článkoch sa ich výkon priblížil na úroveň, kedy batéria takýchto palivových článkov, zaberajúca malú časť kufra auta, môže poskytnúť energiu potrebnú na pohon auta.
Počas posledných rokov väčšina popredných svetových výrobcov automobilov investovala značné prostriedky do vývoja automobilových konštrukcií využívajúcich palivové články. Mnohí už predviedli vozidlá s palivovými článkami s uspokojivým výkonom a dynamikou, hoci boli dosť drahé.
Vylepšovanie dizajnu takýchto áut je veľmi intenzívne.

Auto na palivové články, využíva elektrocentrálu umiestnenú pod podlahou auta

NECAR V vychádza z Mercedesu-Benz triedy A, pričom celá elektráreň spolu s palivovými článkami je umiestnená pod podlahou vozidla. Takéto konštruktívne riešenie umožňuje umiestniť do auta štyroch cestujúcich a batožinu. Tu sa ako palivo pre auto nepoužíva vodík, ale metanol. Metanol sa pomocou reformátora (zariadenia, ktoré premieňa metanol na vodík) premieňa na vodík, ktorý je nevyhnutný pre pohon palivového článku. Použitie reformátora na palube auta umožňuje použiť ako palivo takmer akýkoľvek uhľovodík, čo umožňuje tankovať auto s palivovými článkami pomocou existujúcej siete čerpacích staníc. Teoreticky palivové články neprodukujú nič iné ako elektrinu a vodu. Premena paliva (benzínu alebo metanolu) na vodík potrebný pre palivový článok trochu znižuje environmentálnu príťažlivosť takéhoto vozidla.
Spoločnosť Honda, ktorá pôsobí v oblasti palivových článkov od roku 1989, vyrobila v roku 2003 malú sériu vozidiel Honda FCX-V4 s palivovými článkami typu Ballard s protónovou výmennou membránou. Tieto palivové články generujú elektrický výkon 78 kW a na pohon hnacích kolies sú použité trakčné motory s výkonom 60 kW a krútiacim momentom 272 N m. Má výbornú dynamiku a prísun stlačeného vodíka umožňuje jazdu do 355 km.

Honda FCX využíva na svoj pohon energiu palivových článkov.
Honda FCX je prvé vozidlo na svete s palivovými článkami, ktoré získalo vládnu certifikáciu v Spojených štátoch. Auto má certifikáciu ZEV – vozidlo s nulovými emisiami (zero pollution vehicle). Honda sa zatiaľ nechystá tieto autá predávať, ale prenajíma si približne 30 áut na kus. Kalifornia a Tokio, kde už existuje infraštruktúra na zásobovanie vodíkom.

Koncepčný automobil Hy Wire od General Motors má elektráreň s palivovými článkami

Veľký výskum vývoja a výroby vozidiel s palivovými článkami vykonáva General Motors.

Hy Wire podvozok vozidla

Koncepčný automobil GM Hy Wire získal 26 patentov. Základom auta je funkčná platforma s hrúbkou 150 mm. Vo vnútri platformy sú vodíkové fľaše, elektráreň s palivovými článkami a riadiace systémy vozidla využívajúce najnovšiu elektronickú technológiu ovládania po drôte. Podvozok auta Hy Wire je tenká platforma, ktorá obsahuje všetky hlavné konštrukčné prvky auta: vodíkové valce, palivové články, batérie, elektromotory a riadiace systémy. Tento prístup k dizajnu umožňuje meniť karosérie automobilov počas prevádzky.Spoločnosť tiež testuje experimentálne vozidlá Opel s palivovými článkami a navrhuje závod na výrobu palivových článkov.

Návrh "bezpečnej" palivovej nádrže na skvapalnený vodík:
1 - plniace zariadenie;
2 - vonkajšia nádrž;
3 - podpery;
4 - snímač hladiny;
5 - vnútorná nádrž;
6 - plniaca linka;
7 - izolácia a vákuum;
8 - ohrievač;
9 - montážna krabica

BMW venuje veľkú pozornosť problému využívania vodíka ako paliva pre automobily. Spoločne s Magna Steyer, preslávená svojou prácou na využití skvapalneného vodíka vo vesmírnom výskume, BMW vyvinulo palivovú nádrž na skvapalnený vodík, ktorú možno použiť v automobiloch.

Testy potvrdili bezpečnosť používania palivovej nádrže s kvapalným vodíkom

Spoločnosť vykonala sériu testov bezpečnosti konštrukcie podľa štandardných metód a potvrdila jej spoľahlivosť.
V roku 2002 sa na autosalóne vo Frankfurte (Nemecko) ukázal Mini Cooper Hydrogen, ktorý ako palivo využíva skvapalnený vodík. Palivová nádrž tohto auta zaberá rovnaký priestor ako bežná plynová nádrž. Vodík sa v tomto aute nepoužíva na palivové články, ale ako palivo pre spaľovacie motory.

Prvý sériovo vyrábaný automobil na svete s palivovým článkom namiesto batérie

V roku 2003 BMW oznámilo uvedenie prvého sériovo vyrábaného vozidla s palivovými článkami, BMW 750 hL. Namiesto klasickej batérie sa používa batéria s palivovými článkami. Toto auto má 12-valcový spaľovací motor poháňaný vodíkom a palivový článok slúži ako alternatíva ku klasickej batérii, čo umožňuje klimatizácii a iným spotrebičom pracovať, keď je auto na dlhší čas odstavené s vypnutým motorom.

Tankovanie vodíka vykonáva robot, vodič nie je zapojený do tohto procesu

Tá istá spoločnosť BMW vyvinula aj robotické dávkovače paliva, ktoré umožňujú rýchle a bezpečné tankovanie skvapalneného vodíka do áut.
Veľký počet vývojov zameraných na vytváranie vozidiel využívajúcich alternatívne palivá a alternatívne elektrárne v posledných rokoch naznačuje, že spaľovacie motory, ktoré dominovali autám v minulom storočí, nakoniec ustúpia čistejším, efektívnejším a tichším dizajnom. Ich širokému využívaniu v súčasnosti bránia technické, ale skôr ekonomické a sociálne problémy. Pre ich široké využitie je potrebné vytvoriť určitú infraštruktúru pre rozvoj výroby alternatívnych palív, vznik a distribúciu nových čerpacích staníc a prekonať množstvo psychologických bariér. Používanie vodíka ako paliva vozidla si bude vyžadovať riešenie problémov so skladovaním, dodávkou a distribúciou a zaviesť seriózne bezpečnostné opatrenia.
Teoreticky je vodík dostupný v neobmedzenom množstve, no jeho výroba je energeticky veľmi náročná. Okrem toho, aby sa autá zmenili na vodíkové palivo, musia sa urobiť dve veľké zmeny v elektrickom systéme: po prvé, previesť jeho prevádzku z benzínu na metanol a potom na nejaký čas na vodík. Kým sa tento problém vyrieši, potrvá nejaký čas.

Popis:

Tento článok podrobnejšie rozoberá ich štruktúru, klasifikáciu, výhody a nevýhody, rozsah, efektivitu, históriu vzniku a moderné vyhliadky na použitie.

Použitie palivových článkov na napájanie budov

Časť 1

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

Úvod

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

Palivové články, ktoré sa pôvodne používali len vo vesmírnom priemysle, sa v súčasnosti čoraz viac využívajú v rôznych oblastiach – ako sú stacionárne elektrárne, zásobovanie teplom a energiou budov, motory vozidiel, napájacie zdroje pre notebooky a mobilné telefóny. Niektoré z týchto zariadení sú laboratórne prototypy, niektoré prechádzajú predsériovým testovaním alebo sa používajú na demonštračné účely, no mnohé modely sú sériovo vyrábané a používané v komerčných projektoch.

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

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

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

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

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

Výhody a nevýhody palivových článkov

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

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

Dôležitou výhodou palivových článkov je ich šetrnosť k životnému prostrediu. Emisie do ovzdušia z palivových článkov sú také nízke, že v niektorých oblastiach Spojených štátov amerických nevyžadujú špeciálne povolenia od vládnych agentúr pre kvalitu ovzdušia.

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

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

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

Čo najefektívnejšie využitie čistého vodíka ako paliva si však vyžiada vytvorenie špeciálnej infraštruktúry na jeho výrobu a prepravu. V súčasnosti všetky komerčné konštrukcie využívajú zemný plyn a podobné palivá. Motorové vozidlá môžu používať bežný benzín, čo umožní zachovať existujúcu rozvinutú sieť čerpacích staníc. Používanie takéhoto paliva však vedie k škodlivým emisiám do atmosféry (hoci veľmi nízkym) a komplikuje (a teda zvyšuje cenu) palivový článok. V budúcnosti sa uvažuje o možnosti využitia ekologických obnoviteľných zdrojov energie (napríklad slnečnej energie alebo veternej energie) elektrolýzou rozložiť vodu na vodík a kyslík a následne premeniť vzniknuté palivo v palivovom článku. Takéto kombinované zariadenia pracujúce v uzavretom cykle môžu byť úplne ekologickým, spoľahlivým, odolným a efektívnym zdrojom energie.

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

História a moderné využitie palivových článkov

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

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

Aj u nás sa pracovalo na vytvorení palivových článkov pre využitie v kozmonautike. Palivové články slúžili napríklad na pohon sovietskeho raketoplánu Buran.

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

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

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

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

stôl 1 Rozsah palivových článkov

región aplikácie Ohodnotené moc Príklady použitia Stacionárne inštalácie 5–250 kW a vyššie Autonómne zdroje tepla a elektriny pre obytné, verejné a priemyselné budovy, zdroje neprerušiteľného napájania, záložné a núdzové zdroje energie Prenosný inštalácie 1-50 kW Dopravné značky, chladiarenské nákladné autá a železnice, invalidné vozíky, golfové vozíky, kozmické lode a satelity Mobilné inštalácie 25-150 kW Autá (prototypy vytvorili napr. DaimlerCrysler, FIAT, Ford, General Motors, Honda, Hyundai, Nissan, Toyota, Volkswagen, VAZ), autobusy (napr. MAN, Neoplan, Renault) a ďalšie vozidlá, vojnové lode a ponorky Mikrozariadenia 1-500W Mobilné telefóny, notebooky, PDA, rôzne zariadenia spotrebnej elektroniky, moderné vojenské zariadenia

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

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

Princíp činnosti palivových článkov

Uveďme si ako príklad princíp fungovania palivového článku s použitím najjednoduchšieho prvku s protónovou výmennou membránou (Proton Exchange Membrane, PEM). Takýto prvok pozostáva z polymérnej membrány umiestnenej medzi anódou (kladná elektróda) ​​a katódou (záporná elektróda) ​​spolu s anódou a katódovým katalyzátorom. Ako elektrolyt sa používa polymérna membrána. Schéma prvku PEM je znázornená na obr. 5.

Protónová výmenná membrána (PEM) je tenká (približne 2-7 hárkov hrubého obyčajného papiera) tuhá organická zlúčenina. Táto membrána funguje ako elektrolyt: v prítomnosti vody rozdeľuje hmotu na kladne a záporne nabité ióny.

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

Anóda a katóda sú umiestnené medzi dvoma kovovými platňami, ktoré privádzajú vodík a kyslík k anóde a katóde a odvádzajú teplo a vodu, ako aj elektrickú energiu.

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

	Obrázok 5 () Schematický diagram palivového článku s protónovou výmennou membránou (PEM).
	Obrázok 6 () Molekuly vodíka cez kanály v platni vstupujú do anódy, kde sa molekuly rozkladajú na jednotlivé atómy
	Obrázok 7 () V dôsledku chemisorpcie v prítomnosti katalyzátora sa atómy vodíka premieňajú na protóny
	Obrázok 8 () Kladne nabité vodíkové ióny difundujú cez membránu ku katóde a tok elektrónov je nasmerovaný na katódu cez vonkajší elektrický obvod, ku ktorému je pripojená záťaž.
	Obrázok 9 () Kyslík privádzaný na katódu v prítomnosti katalyzátora vstupuje do chemickej reakcie s vodíkovými iónmi z protónovej výmennej membrány a elektrónmi z vonkajšieho elektrického obvodu. Voda vzniká ako výsledok chemickej reakcie

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

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

Kyslík privádzaný na katódu v prítomnosti katalyzátora vstupuje do chemickej reakcie s vodíkovými iónmi (protónmi) z protónovej výmennej membrány a elektrónmi z vonkajšieho elektrického obvodu (obr. 9). V dôsledku chemickej reakcie vzniká voda.

Chemická reakcia v palivovom článku iného typu (napríklad s kyslým elektrolytom, ktorým je roztok kyseliny fosforečnej H 3 PO 4) je absolútne identická s chemickou reakciou v palivovom článku s protónovou výmennou membránou.

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

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

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

Zariadenie na palivové články

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

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

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

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

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

CH4 (metán) + H20 3H2 + CO

(endotermická reakcia s absorpciou tepla);

CO + H20 H2 + CO2

(reakcia je exotermická, s uvoľňovaním tepla).

Celková reakcia je vyjadrená rovnicou:

CH4 (metán) + 2H204H2 + C02

(endotermická reakcia s absorpciou tepla).

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

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

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

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

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

Typy palivových článkov

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

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

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

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

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

Jednou z kľúčových charakteristík rôznych typov palivových článkov je prevádzková teplota. V mnohých ohľadoch je to teplota, ktorá určuje rozsah palivových článkov. Napríklad vysoké teploty sú kritické pre notebooky, preto sa pre tento segment trhu vyvíjajú palivové články s protónovou výmennou membránou s nízkymi prevádzkovými teplotami.

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

Protónové výmenné membránové palivové články (PEMFC)

Tieto palivové články pracujú pri relatívne nízkych prevádzkových teplotách (60-160°C). Vyznačujú sa vysokou hustotou výkonu, umožňujú rýchle nastavenie výstupného výkonu a dajú sa rýchlo zapnúť. Nevýhodou tohto typu prvkov sú vysoké požiadavky na kvalitu paliva, pretože znečistené palivo môže poškodiť membránu. Nominálny výkon palivových článkov tohto typu je 1-100 kW.

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

Tento typ palivových článkov sa používa ako zdroj energie pre širokú škálu zariadení, vrátane prototypov a prototypov, od mobilných telefónov po autobusy a stacionárne energetické systémy. Nízka prevádzková teplota umožňuje použitie takýchto článkov na napájanie rôznych typov zložitých elektronických zariadení. Menej efektívne je ich využitie ako zdroja tepla a elektrickej energie pre verejné a priemyselné budovy, kde je potrebné veľké množstvo tepelnej energie. Zároveň sú takéto prvky perspektívne ako autonómny zdroj napájania pre malé obytné budovy, ako sú chaty postavené v regiónoch s horúcou klímou.

tabuľka 2 Typy palivových článkov

Typ položky pracovníkov teplota, °C efektívnosť výstupu elektrické energia), % Celkom Účinnosť, % Palivové články s membrána na výmenu protónov (PEMFC) 60–160 30–35 50–70 palivové články na báze ortofosforečnej kyselina (fosforečná) (PAFC) 150–200 35 70–80 Na báze palivových článkov roztavený uhličitan (MCFC) 600–700 45–50 70–80 Oxid v tuhom stave palivové články (SOFC) 700–1 000 50–60 70–80

Palivové články s kyselinou fosforečnou (PAFC)

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

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

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

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

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

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

Roztavené karbonátové palivové články (MCFC)

Palivové články tohto typu pracujú pri veľmi vysokých teplotách - 600-700 °C. Tieto prevádzkové teploty umožňujú použitie paliva priamo v samotnom článku bez potreby samostatného reformátora. Tento proces sa nazýva „vnútorná reforma“. Umožňuje výrazne zjednodušiť konštrukciu palivového článku.

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

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

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

Oxidové palivové články v tuhom stave (SOFC)

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

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

Pri vysokých prevádzkových teplotách sa na katóde vytvárajú kyslíkové ióny, ktoré migrujú cez kryštálovú mriežku na anódu, kde interagujú s vodíkovými iónmi, tvoria vodu a uvoľňujú voľné elektróny. V tomto prípade sa vodík uvoľňuje zo zemného plynu priamo v článku, to znamená, že nie je potrebný samostatný reformátor.

Teoretické základy pre vytvorenie palivových článkov s oxidom v tuhom stave boli položené koncom 30. rokov 20. storočia, keď švajčiarski vedci Bauer (Emil Bauer) a Preis (H. Preis) experimentovali so zirkónom, ytriom, cérom, lantánom a volfrámom. ako elektrolyty.

Prvé prototypy takýchto palivových článkov boli vytvorené koncom 50. rokov 20. storočia množstvom amerických a holandských spoločností. Väčšina z týchto spoločností čoskoro opustila ďalší výskum kvôli technologickým ťažkostiam, ale jedna z nich, Westinghouse Electric Corp. (teraz "Siemens Westinghouse Power Corporation") pokračovala v práci. Spoločnosť v súčasnosti prijíma predbežné objednávky na komerčný model rúrkového topologického palivového článku s tuhým oxidom, ktorý sa očakáva tento rok (obrázok 15). Trhovým segmentom takýchto prvkov sú stacionárne zariadenia na výrobu tepla a elektrickej energie s výkonom od 250 kW do 5 MW.

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

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

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

HISTÓRIA TVORBY

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

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

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

"Grow's Battery"

(zdroj: Kráľovská spoločnosť Národného prírodovedného múzea)

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

AKO TO FUNGUJE?

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

Princíp činnosti vodíkového palivového článku

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

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

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

2H2 + 4OH - → 4H20 + 4e -

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

4e- + 02 + 2H20 → 4OH -

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

TYPY PALIVOVÝCH ČLÁNKOV

FC sa klasifikuje podľa typu elektrolytu použitého na reakciu:

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

Účinnosť PALIVOVÉHO ČLÁNKU

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

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

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

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

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

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

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

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

PROBLÉMY S PALIVOVÝMI ČLÁNKAMI

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

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

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

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

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

Katalyzátor

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

POUŽÍVANIE PALIVOVÝCH ČLÁNKOV

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

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

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

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

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

Mercedes-Benz - Ener-G-Force poháňaný vodíkom

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

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

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

Palivové články (elektrochemické generátory) sú veľmi efektívnym, odolným, spoľahlivým a ekologickým spôsobom výroby energie. Spočiatku sa používali iba vo vesmírnom priemysle, ale dnes sa elektrochemické generátory čoraz viac používajú v rôznych oblastiach: sú to zdroje pre mobilné telefóny a notebooky, motory vozidiel, autonómne zdroje energie pre budovy a stacionárne elektrárne. Niektoré z týchto zariadení fungujú ako laboratórne prototypy, niektoré sa používajú na demonštračné účely alebo prechádzajú predsériovým testovaním. Mnohé modely sa však už používajú v komerčných projektoch a sú sériovo vyrábané.

Zariadenie

Palivové články sú elektrochemické zariadenia schopné poskytnúť vysokú mieru premeny existujúcej chemickej energie na elektrickú energiu.

Zariadenie palivových článkov pozostáva z troch hlavných častí:

1. Sekcia výroby energie;
2. CPU;
3. Napäťový transformátor.

Hlavnou časťou palivového článku je časť na výrobu energie, čo je batéria zložená z jednotlivých palivových článkov. V štruktúre elektród palivových článkov je zahrnutý platinový katalyzátor. Pomocou týchto článkov vzniká jednosmerný elektrický prúd.

Jedno z týchto zariadení má nasledujúce vlastnosti: pri napätí 155 voltov sa vydáva 1400 ampérov. Rozmery batérie sú 0,9 m na šírku a výšku, ako aj 2,9 m na dĺžku. Elektrochemický proces v ňom prebieha pri teplote 177 ° C, čo si vyžaduje zahrievanie batérie v čase spustenia, ako aj odvod tepla počas jej prevádzky. Na tento účel je v zložení palivového článku zahrnutý samostatný vodný okruh, vrátane batérie je vybavená špeciálnymi chladiacimi doskami.

Proces paliva premieňa zemný plyn na vodík, ktorý je potrebný na elektrochemickú reakciu. Hlavným prvkom procesora paliva je reformátor. V ňom zemný plyn (alebo iné palivo obsahujúce vodík) interaguje pri vysokom tlaku a vysokej teplote (asi 900 ° C) s vodnou parou pôsobením niklového katalyzátora.

Na udržanie požadovanej teploty reformátora je k dispozícii horák. Para potrebná na reformovanie vzniká z kondenzátu. V zásobníku palivových článkov vzniká nestabilný jednosmerný prúd a na jeho premenu sa používa menič napätia.

V jednotke meniča napätia sú tiež:

• ovládacie zariadenia.
• Bezpečnostné blokovacie obvody, ktoré odstavia palivový článok pri rôznych poruchách.

Princíp fungovania

Najjednoduchší prvok s protónovou výmennou membránou pozostáva z polymérnej membrány, ktorá je umiestnená medzi anódou a katódou, ako aj katódových a anódových katalyzátorov. Polymérna membrána sa používa ako elektrolyt.

• Protónová výmenná membrána vyzerá ako tenká pevná organická zlúčenina malej hrúbky. Táto membrána funguje ako elektrolyt, v prítomnosti vody rozdeľuje látku na záporne a kladne nabité ióny.
• Oxidácia začína na anóde a redukcia nastáva na katóde. Katóda a anóda v PEM článku sú vyrobené z porézneho materiálu, je to zmes platinových a uhlíkových častíc. Platina pôsobí ako katalyzátor, ktorý podporuje disociačnú reakciu. Katóda a anóda sú porézne, takže cez ne môže voľne prechádzať kyslík a vodík.
• Anóda a katóda sú umiestnené medzi dvoma kovovými platňami, dodávajú katóde a anóde kyslík a vodík a odoberajú elektrickú energiu, teplo a vodu.
• Cez kanály v platni vstupujú molekuly vodíka do anódy, kde sa molekuly rozkladajú na atómy.
• V dôsledku chemisorpcie, keď sú vystavené katalyzátoru, sa atómy vodíka premenia na kladne nabité vodíkové ióny H +, to znamená protóny.
• Protóny difundujú ku katóde cez membránu a tok elektrónov ide ku katóde cez špeciálny vonkajší elektrický obvod. K nemu je pripojená záťaž, to znamená spotrebiteľ elektrickej energie.
• Kyslík privádzaný na katódu, keď je vystavený, vstupuje do chemickej reakcie s elektrónmi z vonkajšieho elektrického obvodu a vodíkovými iónmi z membrány na výmenu protónov. Výsledkom tejto chemickej reakcie je voda.

Chemická reakcia, ku ktorej dochádza v palivových článkoch iných typov (napríklad s kyslým elektrolytom vo forme kyseliny ortofosforečnej H3PO4), je úplne identická s reakciou zariadenia s membránou na výmenu protónov.

Druhy

V súčasnosti je známych niekoľko typov palivových článkov, ktoré sa líšia zložením použitého elektrolytu:

• Palivové články na báze kyseliny ortofosforečnej alebo fosforečnej (PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cells).
• Zariadenia s protónovou výmennou membránou (PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cells).
• Palivové články s pevným oxidom (SOFC, Solid Oxide Fuel Cells).
• Elektrochemické generátory na báze roztaveného uhličitanu (MCFC, Molten Carbonate Fuel Cells).

V súčasnosti sa viac rozšírili elektrochemické generátory využívajúce technológiu PAFC.

Aplikácia

Dnes sa palivové články používajú v raketoplánoch, opakovane použiteľných vesmírnych vozidlách. Používajú 12W jednotky. Vyrábajú všetku elektrinu v kozmickej lodi. Voda, ktorá vzniká pri elektrochemickej reakcii, sa používa na pitie, vrátane chladiacich zariadení.

Elektrochemické generátory sa používali aj na pohon sovietskeho Buranu, opakovane použiteľnej lode.

Palivové články sa využívajú aj v civilnom sektore.

• Stacionárne inštalácie s výkonom 5–250 kW a viac. Používajú sa ako autonómne zdroje pre zásobovanie teplom a energiou priemyselných, verejných a obytných budov, núdzové a záložné zdroje, zdroje neprerušiteľného napájania.
• Prenosné jednotky s výkonom 1–50 kW. Používajú sa pre vesmírne satelity a lode. Inštancie sú vytvorené pre golfové vozíky, invalidné vozíky, železničné a nákladné chladničky, dopravné značky.
• Mobilné jednotky s výkonom 25–150 kW. Začínajú sa používať vo vojnových lodiach a ponorkách, vrátane áut a iných vozidiel. Prototypy už vytvorili takí automobiloví giganti ako Renault, Neoplan, Toyota, Volkswagen, Hyundai, Nissan, VAZ, General Motors, Honda, Ford a ďalší.
• Mikrozariadenia s výkonom 1–500 W. Uplatnenie nachádzajú vo vyspelých vreckových počítačoch, notebookoch, zariadeniach spotrebnej elektroniky, mobilných telefónoch, moderných vojenských zariadeniach.

Zvláštnosti

• Časť energie chemickej reakcie v každom palivovom článku sa uvoľňuje ako teplo. Vyžaduje sa chladenie. Vo vonkajšom obvode tok elektrónov vytvára jednosmerný prúd používaný na prácu. Zastavenie pohybu vodíkových iónov alebo otvorenie vonkajšieho okruhu vedie k ukončeniu chemickej reakcie.
• Množstvo elektriny, ktorú palivové články vytvárajú, je určené tlakom plynu, teplotou, geometrickými rozmermi a typom palivového článku. Pre zvýšenie množstva elektriny vytvorenej reakciou je možné zväčšiť veľkosť palivových článkov, no v praxi sa používa viacero prvkov, ktoré sa spájajú do batérií.
• Chemický proces v niektorých typoch palivových článkov je možné zvrátiť. To znamená, že keď sa na elektródy aplikuje potenciálny rozdiel, voda sa môže rozložiť na kyslík a vodík, ktoré sa budú zhromažďovať na poréznych elektródach. So zahrnutím záťaže bude takýto palivový článok generovať elektrickú energiu.

vyhliadky

V súčasnosti si elektrochemické generátory na použitie ako hlavný zdroj energie vyžadujú vysoké počiatočné náklady. Zavedením stabilnejších membrán s vysokou vodivosťou, účinných a lacných katalyzátorov, alternatívnych zdrojov vodíka, sa palivové články stanú ekonomicky vysoko atraktívne a budú sa zavádzať všade.

• Autá budú jazdiť na palivové články, vôbec nebudú mať spaľovacie motory. Ako zdroj energie sa bude využívať voda alebo pevný vodík. Tankovanie bude jednoduché a bezpečné a jazda bude ekologická – bude sa vytvárať iba vodná para.
• Všetky budovy budú mať svoje vlastné prenosné generátory na palivové články.
• Elektrochemické generátory nahradia všetky batérie a budú v akejkoľvek elektronike a domácich spotrebičoch.

Výhody a nevýhody

Každý typ palivového článku má svoje výhody a nevýhody. Niektoré vyžadujú vysoko kvalitné palivo, iné majú zložitú konštrukciu a potrebujú vysokú prevádzkovú teplotu.

Vo všeobecnosti možno uviesť nasledujúce výhody palivových článkov:

• bezpečnosť pre životné prostredie;
• elektrochemické generátory nie je potrebné dobíjať;
• elektrochemické generátory dokážu vytvárať energiu neustále, nestarajú sa o vonkajšie podmienky;
• flexibilitu, pokiaľ ide o rozsah a prenosnosť.

Medzi nevýhody patrí:

• technické ťažkosti so skladovaním a prepravou paliva;
• nedokonalé prvky zariadenia: katalyzátory, membrány atď.

palivový článok ( palivový článok) je zariadenie, ktoré premieňa chemickú energiu na elektrickú energiu. V princípe je podobná klasickej batérii, líši sa však tým, že jej prevádzka vyžaduje neustály prísun látok zvonku, aby došlo k elektrochemickej reakcii. Do palivových článkov sa privádza vodík a kyslík a výstupom je elektrina, voda a teplo. Medzi ich výhody patrí šetrnosť k životnému prostrediu, spoľahlivosť, odolnosť a jednoduchá obsluha. Na rozdiel od bežných batérií môžu elektrochemické konvertory fungovať prakticky neobmedzene, pokiaľ je k dispozícii palivo. Do úplného nabitia ich netreba nabíjať celé hodiny. Samotné články navyše dokážu nabíjať batériu, keď je auto zaparkované s vypnutým motorom.

Vo vozidlách na vodík sa najčastejšie používajú palivové články s protónovou membránou (PEMFC) a palivové články s pevným oxidom (SOFC).

Palivový článok s membránou na výmenu protónov funguje nasledovne. Medzi anódou a katódou je špeciálna membrána a katalyzátor potiahnutý platinou. Vodík vstupuje do anódy a kyslík vstupuje do katódy (napríklad zo vzduchu). Na anóde sa vodík pomocou katalyzátora rozkladá na protóny a elektróny. Vodíkové protóny prechádzajú cez membránu a vstupujú do katódy, zatiaľ čo elektróny sú vydávané do vonkajšieho okruhu (membrána ich neprepustí). Takto získaný potenciálny rozdiel vedie k vzniku elektrického prúdu. Na katódovej strane sú vodíkové protóny oxidované kyslíkom. V dôsledku toho sa vytvára vodná para, ktorá je hlavným prvkom výfukových plynov automobilov. PEM články s vysokou účinnosťou majú jednu významnú nevýhodu - ich prevádzka vyžaduje čistý vodík, ktorého skladovanie je dosť vážny problém.

Ak sa nájde taký katalyzátor, ktorý v týchto článkoch nahradí drahú platinu, tak okamžite vznikne lacný palivový článok na výrobu elektriny, čo znamená, že svet sa zbaví závislosti od ropy.

Pevné oxidové bunky

Články SOFC s pevným oxidom sú oveľa menej náročné na čistotu paliva. Navyše, vďaka použitiu POX reformeru (Partial Oxidation - čiastočná oxidácia) môžu takéto články spotrebovať ako palivo bežný benzín. Proces premeny benzínu priamo na elektrickú energiu je nasledovný. V špeciálnom zariadení - reformátore sa benzín pri teplote asi 800 °C vyparuje a rozkladá na základné prvky.

Tým sa uvoľňuje vodík a oxid uhličitý. Ďalej, aj vplyvom teploty a pomocou samotného SOFC (pozostávajúceho z pórovitého keramického materiálu na báze oxidu zirkoničitého) dochádza k oxidácii vodíka vzdušným kyslíkom. Po získaní vodíka z benzínu proces pokračuje ďalej podľa scenára opísaného vyššie, len s jedným rozdielom: palivový článok SOFC je na rozdiel od zariadení pracujúcich na vodík menej citlivý na cudzie nečistoty v pôvodnom palive. Takže kvalita benzínu by nemala ovplyvniť výkon palivového článku.

Vysoká prevádzková teplota SOFC (650-800 stupňov) je výraznou nevýhodou, proces zahrievania trvá asi 20 minút. Prebytočné teplo však nie je problém, pretože je úplne odstránené zvyšným vzduchom a výfukovými plynmi, ktoré produkuje reformátor a samotný palivový článok. To umožňuje integráciu systému SOFC do vozidla ako samostatného zariadenia v tepelne izolovanom kryte.

Modulárna štruktúra umožňuje dosiahnuť požadované napätie zapojením sady štandardných článkov do série. A čo je možno najdôležitejšie, z hľadiska zavedenia takýchto zariadení v SOFC neexistujú žiadne veľmi drahé elektródy na báze platiny. Práve vysoká cena týchto prvkov je jednou z prekážok rozvoja a šírenia technológie PEMFC.

Typy palivových článkov

V súčasnosti existujú tieto typy palivových článkov:

• A.F.C.– Alkaline Fuel Cell (alkalický palivový článok);
• PAFC– palivový článok s kyselinou fosforečnou (palivový článok s kyselinou fosforečnou);
• PEMFC– palivový článok s protónovou výmennou membránou (palivový článok s membránou na výmenu protónov);
• DMFC– Direct Methanol Fuel Cell (palivový článok s priamym rozkladom metanolu);
• MCFC– Tavený uhličitanový palivový článok (palivový článok z roztaveného uhličitanu);
• SOFC– Palivový článok s pevným oxidom (palivový článok s pevným oxidom).

Výhody palivových článkov/článkov

Palivový článok/článok je zariadenie, ktoré efektívne generuje jednosmerný prúd a teplo z paliva bohatého na vodík prostredníctvom elektrochemickej reakcie.

Palivový článok je podobný batérii v tom, že generuje jednosmerný prúd prostredníctvom chemickej reakcie. Palivový článok obsahuje anódu, katódu a elektrolyt. Na rozdiel od batérií však palivové články/články nedokážu uchovávať elektrickú energiu, nevybíjajú sa a nevyžadujú dobíjanie elektriny. Palivové články/články môžu nepretržite vyrábať elektrinu, pokiaľ majú zásobu paliva a vzduchu.

Na rozdiel od iných generátorov energie, ako sú spaľovacie motory alebo turbíny poháňané plynom, uhlím, ropou atď., palivové články/články nespaľujú palivo. To znamená žiadne hlučné vysokotlakové rotory, žiadny hlasný hluk výfuku, žiadne vibrácie. Palivové články/články generujú elektrinu tichou elektrochemickou reakciou. Ďalšou vlastnosťou palivových článkov/článkov je, že premieňajú chemickú energiu paliva priamo na elektrinu, teplo a vodu.

Palivové články sú vysoko účinné a neprodukujú veľké množstvo skleníkových plynov, ako je oxid uhličitý, metán a oxid dusný. Jedinými produktmi emitovanými počas prevádzky je voda vo forme pary a malé množstvo oxidu uhličitého, ktorý sa pri použití čistého vodíka ako paliva neuvoľňuje vôbec. Palivové články/články sa skladajú do zostáv a následne do jednotlivých funkčných modulov.

História vývoja palivových článkov/článkov

V 50. a 60. rokoch sa jedna z najväčších výziev pre palivové články zrodila z potreby Národného úradu pre letectvo a vesmír (NASA) po energetických zdrojoch pre dlhodobé vesmírne misie. Alkalický palivový článok/článok agentúry NASA využíva vodík a kyslík ako palivo, pričom tieto dva typy kombinuje v elektrochemickej reakcii. Výstupom sú tri vedľajšie produkty reakcie užitočné pri kozmických letoch – elektrina na poháňanie kozmickej lode, voda na pitie a chladenie a teplo na udržanie kozmonautov v teple.

Objav palivových článkov sa datuje na začiatok 19. storočia. Prvý dôkaz o účinku palivových článkov bol získaný v roku 1838.

Koncom 30. rokov sa začali práce na alkalických palivových článkoch a do roku 1939 bol postavený článok využívajúci vysokotlakové poniklované elektródy. Počas druhej svetovej vojny boli vyvinuté palivové články/články pre ponorky britského námorníctva a v roku 1958 bola predstavená palivová zostava pozostávajúca z alkalických palivových článkov/článkov s priemerom niečo vyše 25 cm.

Záujem sa zvýšil v 50. a 60. rokoch 20. storočia a tiež v 80. rokoch, keď priemyselný svet zaznamenal nedostatok vykurovacieho oleja. V tom istom období sa svetové krajiny začali zaujímať aj o problém znečistenia ovzdušia a uvažovali o spôsoboch výroby elektriny šetrnej k životnému prostrediu. V súčasnosti prechádza technológia palivových článkov/článkov rýchlym vývojom.

Ako fungujú palivové články/články

Palivové články/články vytvárajú elektrinu a teplo prostredníctvom prebiehajúcej elektrochemickej reakcie pomocou elektrolytu, katódy a anódy.

Anóda a katóda sú oddelené elektrolytom, ktorý vedie protóny. Po vstupe vodíka do anódy a vstupe kyslíka do katódy začína chemická reakcia, v dôsledku ktorej vzniká elektrický prúd, teplo a voda.

Na anódovom katalyzátore molekulárny vodík disociuje a stráca elektróny. Vodíkové ióny (protóny) sú vedené cez elektrolyt ku katóde, zatiaľ čo elektróny prechádzajú cez elektrolyt a cez vonkajší elektrický obvod, čím vytvárajú jednosmerný prúd, ktorý možno použiť na napájanie zariadení. Na katódovom katalyzátore sa molekula kyslíka spája s elektrónom (ktorý je dodávaný z vonkajšej komunikácie) a prichádzajúcim protónom a vytvára vodu, ktorá je jediným reakčným produktom (vo forme pary a / alebo kvapaliny).

Nižšie je zodpovedajúca reakcia:

Anódová reakcia: 2H2 => 4H+ + 4e -
Reakcia na katóde: 02 + 4H+ + 4e - => 2H20
Všeobecná reakcia prvkov: 2H2 + 02 => 2H20

Typy a rozmanitosť palivových článkov/článkov

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

Palivové články sa delia na vysokoteplotné a nízkoteplotné. Nízkoteplotné palivové články vyžadujú ako palivo relatívne čistý vodík. To často znamená, že na premenu primárneho paliva (ako je zemný plyn) na čistý vodík je potrebné spracovanie paliva. Tento proces spotrebúva dodatočnú energiu a vyžaduje špeciálne vybavenie. Vysokoteplotné palivové články nepotrebujú tento dodatočný postup, pretože dokážu „interne premeniť“ palivo pri zvýšených teplotách, čo znamená, že nie je potrebné investovať do vodíkovej infraštruktúry.

Palivové články/články na roztavenom uhličitane (MCFC)

Palivové články s roztaveným uhličitanom sú vysokoteplotné palivové články. Vysoká prevádzková teplota umožňuje priame využitie zemného plynu bez palivového procesora a palivového plynu s nízkou výhrevnosťou z procesných palív a iných zdrojov.

Prevádzka RCFC sa líši od ostatných palivových článkov. Tieto články využívajú elektrolyt zo zmesi roztavených uhličitanových solí. V súčasnosti sa používajú dva typy zmesí: uhličitan lítny a uhličitan draselný alebo uhličitan lítny a uhličitan sodný. Na roztavenie uhličitanových solí a dosiahnutie vysokého stupňa mobility iónov v elektrolyte pracujú palivové články s roztaveným uhličitanovým elektrolytom pri vysokých teplotách (650°C). Účinnosť sa pohybuje medzi 60-80%.

Pri zahriatí na teplotu 650°C sa soli stávajú vodičmi pre uhličitanové ióny (CO 3 2-). Tieto ióny prechádzajú z katódy na anódu, kde sa spájajú s vodíkom za vzniku vody, oxidu uhličitého a voľných elektrónov. Tieto elektróny sa posielajú cez vonkajší elektrický obvod späť ku katóde, pričom ako vedľajší produkt generujú elektrický prúd a teplo.

Anódová reakcia: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Reakcia na katóde: CO 2 + 1/2O 2 + 2e - => CO 3 2-
Všeobecná reakcia prvkov: H 2 (g) + 1/20 2 (g) + CO 2 (katóda) => H 2 O (g) + CO 2 (anóda)

Vysoké prevádzkové teploty palivových článkov s roztaveným uhličitanom majú určité výhody. Pri vysokých teplotách sa zemný plyn vnútorne reformuje, čím sa eliminuje potreba procesora paliva. Okrem toho medzi výhody patrí možnosť použitia štandardných konštrukčných materiálov, ako je nerezový plech a niklový katalyzátor na elektródach. Odpadové teplo je možné využiť na výrobu vysokotlakovej pary na rôzne priemyselné a komerčné účely.

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

Palivové články s roztaveným uhličitanom sú vhodné na použitie vo veľkých stacionárnych inštaláciách. Priemyselne sa vyrábajú tepelné elektrárne s výstupným elektrickým výkonom 3,0 MW. Vyvíjajú sa elektrárne s výstupným výkonom do 110 MW.

Palivové články/články na báze kyseliny fosforečnej (PFC)

Palivové články na báze kyseliny fosforečnej (ortofosforečnej) boli prvými palivovými článkami na komerčné využitie.

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

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

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

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

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

Priemyselne sa vyrábajú tepelné elektrárne s výstupným elektrickým výkonom do 500 kW. Zariadenia s výkonom 11 MW prešli príslušnými skúškami. Vyvíjajú sa elektrárne s výstupným výkonom do 100 MW.

Palivové články/články s pevným oxidom (SOFC)

Palivové články s pevným oxidom sú palivové články s najvyššou prevádzkovou teplotou. Prevádzková teplota sa môže meniť od 600°C do 1000°C, čo umožňuje použitie rôznych druhov paliva bez špeciálnej predúpravy. Na zvládnutie týchto vysokých teplôt sa ako elektrolyt používa tenký pevný oxid kovu na keramickej báze, často zliatina ytria a zirkónu, ktorý je vodičom kyslíkových (O2-) iónov.

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

Reakcia na anóde: 2H2 + 2O2- => 2H20 + 4e -
Reakcia na katóde: O 2 + 4e - \u003d\u003e 2O 2-
Všeobecná reakcia prvkov: 2H2 + 02 => 2H20

Účinnosť vytvorenej elektrickej energie je najvyššia zo všetkých palivových článkov – okolo 60 – 70 %. Vysoké prevádzkové teploty umožňujú kombinovanú výrobu tepla a elektriny na výrobu vysokotlakovej pary. Spojením vysokoteplotného palivového článku s turbínou vzniká hybridný palivový článok, ktorý zvyšuje účinnosť výroby energie až o 75 %.

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

Palivové články/články s priamou oxidáciou metanolu (DOMTE)

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

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

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

Výhodou tohto typu palivových článkov je ich malá veľkosť, vzhľadom na použitie kvapalného paliva, a absencia potreby použitia konvertora.

Alkalické palivové články/články (AFC)

Alkalické palivové články sú jedným z najefektívnejších prvkov používaných na výrobu elektriny, pričom účinnosť výroby energie dosahuje až 70 %.

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

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

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

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

Palivové články/články s polymérnym elektrolytom (PETE)

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

Tuhé kyslé palivové články/články (SCFC)

V pevných kyslých palivových článkoch elektrolyt (CsHSO 4 ) neobsahuje vodu. Prevádzková teplota je teda 100-300°C. Rotácia SO 4 2-oxy aniónov umožňuje protónom (červená) pohybovať sa, ako je znázornené na obrázku. Palivový článok s tuhou kyselinou je typicky sendvič, v ktorom je veľmi tenká vrstva tuhej kyslej zlúčeniny vložená medzi dve tesne stlačené elektródy, aby sa zabezpečil dobrý kontakt. Pri zahriatí sa organická zložka vyparí, opustí póry v elektródach, pričom si zachová schopnosť početných kontaktov medzi palivom (alebo kyslíkom na druhom konci článku), elektrolytom a elektródami.

Rôzne moduly palivových článkov. batéria s palivovými článkami

1. Palivová batéria
2. Iné vysokoteplotné zariadenia (integrovaný parný generátor, spaľovacia komora, menič tepelnej bilancie)
3. Tepelne odolná izolácia

modul palivových článkov

Porovnávacia analýza typov a odrôd palivových článkov

Inovatívne energeticky úsporné mestské teplárne a elektrárne sú zvyčajne postavené na palivových článkoch s pevným oxidom (SOFC), palivových článkoch s polymérnym elektrolytom (PEFC), palivových článkoch s kyselinou fosforečnou (PCFC), palivových článkoch s protónovou výmennou membránou (MPFC) a alkalických palivových článkoch ( APFC). Zvyčajne majú nasledujúce vlastnosti:

Palivové články s pevným oxidom (SOFC) by sa mali považovať za najvhodnejšie, ktoré:

• pracovať pri vyššej teplote, čo znižuje potrebu drahých drahých kovov (ako je platina)
• môže fungovať na rôzne druhy uhľovodíkových palív, najmä na zemný plyn
• majú dlhší čas nábehu, a preto sú vhodnejšie na dlhodobú prevádzku
• preukázať vysokú účinnosť výroby energie (až 70%)
• z dôvodu vysokých prevádzkových teplôt je možné jednotky kombinovať so systémami rekuperácie tepla, čím sa celková účinnosť systému zvýši až na 85 %
• majú takmer nulové emisie, fungujú ticho a majú nízke prevádzkové požiadavky v porovnaní s existujúcimi technológiami výroby energie

Typ palivového článku	Pracovná teplota	Účinnosť výroby energie	Druh paliva	Oblasť použitia
RKTE	550 až 700 °C	50-70%		Stredné a veľké inštalácie
FKTE	100 až 220 °C	35-40%	čistý vodík	Veľké inštalácie
MOPTE	30-100 °C	35-50%	čistý vodík	Malé inštalácie
SOFC	450-1000 °C	45-70%	Väčšina uhľovodíkových palív	Malé, stredné a veľké inštalácie
POMTE	20-90 °C	20-30%	metanol	Prenosný
SHTE	50 až 200 °C	40-70%	čistý vodík	vesmírny výskum
PETE	30-100 °C	35-50%	čistý vodík	Malé inštalácie

Keďže malé tepelné elektrárne môžu byť napojené na klasickú sieť zásobovania plynom, palivové články nevyžadujú samostatný systém zásobovania vodíkom. Pri použití malých tepelných elektrární založených na palivových článkoch s tuhými oxidmi je možné generované teplo integrovať do výmenníkov tepla na ohrev vody a vetracieho vzduchu, čím sa zvýši celková účinnosť systému. Táto inovatívna technológia je najvhodnejšia na efektívnu výrobu energie bez potreby nákladnej infraštruktúry a komplexnej integrácie nástrojov.

Aplikácie palivového článku/článku

Aplikácia palivových článkov/článkov v telekomunikačných systémoch

S rýchlym rozšírením bezdrôtových komunikačných systémov po celom svete a rastúcimi sociálnymi a ekonomickými výhodami technológie mobilných telefónov sa potreba spoľahlivého a nákladovo efektívneho záložného napájania stala kritickou. Straty siete počas roka v dôsledku nepriaznivého počasia, prírodných katastrof alebo obmedzenej kapacity siete sú pre prevádzkovateľov sústav neustálou výzvou.

Tradičné telekomunikačné riešenia zálohovania energie zahŕňajú batérie (ventilom regulovaný olovený batériový článok) pre krátkodobé záložné napájanie a dieselové a propánové generátory pre dlhšiu záložnú energiu. Batérie sú relatívne lacným zdrojom záložnej energie na 1 až 2 hodiny. Batérie však nie sú vhodné na dlhšie obdobia zálohovania, pretože sú nákladné na údržbu, po dlhšom používaní sa stávajú nespoľahlivými, sú citlivé na teploty a po likvidácii sú nebezpečné pre životné prostredie. Naftové a propánové generátory môžu poskytovať nepretržitú záložnú energiu. Generátory však môžu byť nespoľahlivé, vyžadujú si rozsiahlu údržbu a do atmosféry uvoľňujú vysoké úrovne znečisťujúcich látok a skleníkových plynov.

Aby sa odstránili obmedzenia tradičných riešení záložného napájania, bola vyvinutá inovatívna technológia zelených palivových článkov. Palivové články sú spoľahlivé, tiché, obsahujú menej pohyblivých častí ako generátor, majú širší rozsah prevádzkových teplôt ako batéria od -40°C do +50°C a v dôsledku toho poskytujú extrémne vysokú úroveň úspory energie. Okrem toho sú náklady na životnosť takéhoto zariadenia nižšie ako náklady na generátor. Nižšie náklady na palivové články sú výsledkom iba jednej údržby za rok a výrazne vyššej produktivity závodu. Koniec koncov, palivový článok je ekologickým technologickým riešením s minimálnym dopadom na životné prostredie.

Jednotky palivových článkov poskytujú záložné napájanie pre kritické komunikačné sieťové infraštruktúry pre bezdrôtovú, trvalú a širokopásmovú komunikáciu v telekomunikačnom systéme, v rozsahu od 250 W do 15 kW, ponúkajú mnoho bezkonkurenčných inovatívnych funkcií:

• SPOĽAHLIVOSŤ– Málo pohyblivých častí a žiadne pohotovostné vybíjanie
• ÚSPORA ENERGIE
• TICHO- nízka hladina hluku
• STABILITA– prevádzkový rozsah od -40°C do +50°C
• PRISPÔSOBIVOSŤ– vonkajšia a vnútorná inštalácia (nádoba/ochranná nádoba)
• VEĽKÁ SILA- do 15 kW
• NÍZKA POTREBA ÚDRŽBY– minimálna ročná údržba
• EKONOMIKA- atraktívne celkové náklady na vlastníctvo
• ČISTÁ ENERGIA– nízke emisie s minimálnym dopadom na životné prostredie

Systém neustále sníma napätie jednosmernej zbernice a hladko akceptuje kritické záťaže, ak napätie jednosmernej zbernice klesne pod užívateľom definovanú požadovanú hodnotu. Systém beží na vodík, ktorý vstupuje do zásobníka palivových článkov jedným z dvoch spôsobov – buď z komerčného zdroja vodíka, alebo z kvapalného paliva z metanolu a vody pomocou palubného reformovacieho systému.

Elektrická energia je produkovaná sústavou palivových článkov vo forme jednosmerného prúdu. Jednosmerný prúd sa posiela do konvertora, ktorý premieňa neregulovaný jednosmerný prúd zo zásobníka palivových článkov na vysoko kvalitný, regulovaný jednosmerný prúd pre požadované zaťaženie. Inštalácia palivových článkov môže poskytnúť záložnú energiu na mnoho dní, pretože trvanie je obmedzené iba množstvom vodíka alebo paliva s metanolom/vodou, ktoré je k dispozícii na sklade.

Palivové články ponúkajú vynikajúcu energetickú účinnosť, zvýšenú spoľahlivosť systému, predvídateľnejší výkon v širokom spektre klimatických podmienok a spoľahlivú životnosť v porovnaní s priemyselnými štandardnými ventilom riadenými olovenými batériami. Náklady na životný cyklus sú tiež nižšie vďaka výrazne nižším požiadavkám na údržbu a výmenu. Palivové články ponúkajú konečnému užívateľovi environmentálne výhody, pretože náklady na likvidáciu a riziká zodpovednosti spojené s olovenými článkami sú čoraz väčším problémom.

Výkon elektrických batérií môže byť nepriaznivo ovplyvnený širokou škálou faktorov, ako je úroveň nabitia, teplota, cykly, životnosť a ďalšie premenné. Poskytnutá energia sa bude líšiť v závislosti od týchto faktorov a nie je ľahké ju predvídať. Výkon palivového článku s protónovou výmennou membránou (PEMFC) nie je týmito faktormi relatívne ovplyvnený a môže poskytovať kritickú energiu, pokiaľ je k dispozícii palivo. Zvýšená predvídateľnosť je dôležitou výhodou pri prechode na palivové články pre kritické aplikácie záložného napájania.

Palivové články generujú energiu iba vtedy, keď je dodávané palivo, ako generátor plynovej turbíny, ale nemajú pohyblivé časti v zóne výroby. Preto na rozdiel od generátora nepodliehajú rýchlemu opotrebovaniu a nevyžadujú neustálu údržbu a mazanie.

Palivo používané na pohon konvertora paliva Extended Duration Fuel Converter je zmes metanolu a vody. Metanol je široko dostupné komerčné palivo, ktoré má v súčasnosti mnoho využití, vrátane ostrekovačov čelného skla, plastových fliaš, motorových aditív a emulzných farieb. Metanol sa ľahko prepravuje, je miešateľný s vodou, má dobrú biologickú odbúrateľnosť a neobsahuje síru. Má nízky bod tuhnutia (-71°C) a pri dlhom skladovaní sa nerozkladá.

Aplikácia palivových článkov/článkov v komunikačných sieťach

Bezpečnostné siete vyžadujú spoľahlivé riešenia záložného napájania, ktoré v prípade núdze vydržia niekoľko hodín alebo dní, ak sa elektrická sieť stane nedostupnou.

S malým počtom pohyblivých častí a bez zníženia spotreby energie v pohotovostnom režime ponúka inovatívna technológia palivových článkov atraktívne riešenie v porovnaní so súčasne dostupnými systémami záložného napájania.

Najzávažnejším dôvodom pre použitie technológie palivových článkov v komunikačných sieťach je zvýšená celková spoľahlivosť a bezpečnosť. Počas udalostí, akými sú výpadky elektriny, zemetrasenia, búrky a hurikány, je dôležité, aby systémy naďalej fungovali a mali spoľahlivé záložné napájanie na dlhší čas bez ohľadu na teplotu alebo vek záložného energetického systému.

Rad napájacích zdrojov s palivovými článkami je ideálny na podporu bezpečných komunikačných sietí. Vďaka princípom energeticky úsporného dizajnu poskytujú ekologický, spoľahlivý záložný zdroj s predĺženou dobou trvania (až niekoľko dní) pre použitie vo výkonovom rozsahu od 250 W do 15 kW.

Aplikácia palivových článkov/článkov v dátových sieťach

Spoľahlivé napájanie dátových sietí, ako sú vysokorýchlostné dátové siete a chrbtica z optických vlákien, má kľúčový význam na celom svete. Informácie prenášané cez takéto siete obsahujú kritické údaje pre inštitúcie, ako sú banky, letecké spoločnosti alebo zdravotné strediská. Výpadok prúdu v takýchto sieťach predstavuje nielen nebezpečenstvo pre prenášané informácie, ale spravidla vedie aj k významným finančným stratám. Spoľahlivé, inovatívne inštalácie palivových článkov, ktoré poskytujú záložné napájanie, poskytujú spoľahlivosť, ktorú potrebujete na zabezpečenie nepretržitého napájania.

Jednotky palivových článkov pracujúce na kvapalnej palivovej zmesi metanolu a vody poskytujú spoľahlivé záložné napájanie s predĺženou výdržou, až niekoľko dní. Okrem toho sa tieto jednotky vyznačujú výrazne zníženými požiadavkami na údržbu v porovnaní s generátormi a batériami a vyžadujú len jednu údržbu za rok.

Typické aplikačné charakteristiky pre použitie inštalácií palivových článkov v dátových sieťach:

• Aplikácie s príkonmi od 100 W do 15 kW
• Aplikácie s požiadavkami na výdrž batérie > 4 hodiny
• Opakovače v optických systémoch (hierarchia synchrónnych digitálnych systémov, vysokorýchlostný internet, hlas cez IP...)
• Sieťové uzly vysokorýchlostného prenosu dát
• Prenosové uzly WiMAX

Pohotovostné inštalácie palivových článkov ponúkajú množstvo výhod pre kritickú infraštruktúru dátových sietí v porovnaní s tradičnými batériovými alebo dieselovými generátormi, čo umožňuje zvýšené využitie na mieste:

1. Technológia kvapalného paliva rieši problém so skladovaním vodíka a poskytuje prakticky neobmedzenú záložnú energiu.
2. Vďaka tichej prevádzke, nízkej hmotnosti, odolnosti voči extrémnym teplotám a prevádzke prakticky bez vibrácií je možné palivové články inštalovať vonku, v priemyselných priestoroch/kontajneroch alebo na strechách.
3. Príprava na použitie systému na mieste je rýchla a hospodárna a prevádzkové náklady sú nízke.
4. Palivo je biologicky odbúrateľné a predstavuje ekologické riešenie pre mestské prostredie.

Aplikácia palivových článkov/článkov v bezpečnostných systémoch

Najdôkladnejšie navrhnuté bezpečnostné a komunikačné systémy budov sú len také spoľahlivé, ako je výkon, ktorý ich poháňa. Zatiaľ čo väčšina systémov obsahuje nejaký typ záložného systému neprerušiteľného napájania pre krátkodobé straty energie, nezabezpečujú dlhšie výpadky napájania, ktoré môžu nastať po prírodných katastrofách alebo teroristických útokoch. Toto môže byť kritický problém pre mnohé korporátne a vládne agentúry.

Životne dôležité systémy, ako sú CCTV monitorovacie a prístupové systémy (čítačky identifikačných kariet, zariadenia na zatváranie dverí, biometrická identifikačná technika atď.), automatické požiarne poplachové a hasiace systémy, riadiace systémy výťahov a telekomunikačné siete, sú ohrozené, ak neexistuje spoľahlivý alternatívny zdroj nepretržitého napájania.

Dieselové generátory sú hlučné, ťažko sa nachádzajú a sú si dobre vedomé ich spoľahlivosti a problémov s údržbou. Na rozdiel od toho je inštalácia záložného palivového článku tichá, spoľahlivá, má nulové alebo veľmi nízke emisie a ľahko sa inštaluje na strechu alebo mimo budovy. V pohotovostnom režime sa nevybíja ani nestráca energiu. Zabezpečuje nepretržitú prevádzku kritických systémov aj po ukončení činnosti inštitúcie a opustení budovy ľuďmi.

Inovatívne inštalácie palivových článkov chránia drahé investície do kritických aplikácií. Poskytujú ekologickú, spoľahlivú, dlhotrvajúcu záložnú energiu (až niekoľko dní) pre použitie vo výkonovom rozsahu od 250 W do 15 kW v kombinácii s mnohými neprekonateľnými funkciami a najmä vysokou úrovňou úspory energie.

Záložné jednotky s palivovými článkami ponúkajú v porovnaní s tradičnými batériovými alebo dieselovými generátormi množstvo výhod pre kritické aplikácie, ako sú systémy zabezpečenia a správy budov. Technológia kvapalného paliva rieši problém so skladovaním vodíka a poskytuje prakticky neobmedzenú záložnú energiu.

Aplikácia palivových článkov/článkov pri vykurovaní domácností a výrobe energie

Palivové články s pevným oxidom (SOFC) sa používajú na stavbu spoľahlivých, energeticky účinných a bezemisných tepelných elektrární na výrobu elektriny a tepla zo široko dostupného zemného plynu a obnoviteľných palív. Tieto inovatívne jednotky sa používajú na rôznych trhoch, od domácej výroby energie po napájanie vzdialených oblastí, ako aj pomocné zdroje energie.

Aplikácia palivových článkov/článkov v distribučných sieťach

Malé tepelné elektrárne sú navrhnuté tak, aby fungovali v distribuovanej sieti na výrobu elektrickej energie pozostávajúcej z veľkého počtu malých agregátov namiesto jednej centralizovanej elektrárne.

Obrázok nižšie ukazuje stratu účinnosti výroby elektriny, keď sa vyrába kogeneráciou a prenáša sa do domácností prostredníctvom tradičných prenosových sietí, ktoré sa v súčasnosti používajú. Straty účinnosti v okresnej výrobe zahŕňajú straty z elektrárne, prenosu nízkeho a vysokého napätia a straty v distribúcii.

Na obrázku sú výsledky integrácie malých tepelných elektrární: elektrina sa vyrába s účinnosťou výroby až 60 % v mieste použitia. Okrem toho môže domácnosť využiť teplo generované palivovými článkami na ohrev vody a priestoru, čo zvyšuje celkovú efektivitu spracovania energie paliva a zlepšuje úsporu energie.

Používanie palivových článkov na ochranu životného prostredia – využitie pridruženého ropného plynu

Jednou z najdôležitejších úloh v ropnom priemysle je využitie súvisiaceho ropného plynu. Existujúce spôsoby využitia pridruženého ropného plynu majú množstvo nevýhod, z ktorých hlavnou je, že nie sú ekonomicky životaschopné. Pridružený ropný plyn je spálený, čo spôsobuje veľké škody na životnom prostredí a ľudskom zdraví.

Inovatívne elektrárne s palivovými článkami využívajúce pridružený ropný plyn ako palivo otvárajú cestu k radikálnemu a nákladovo efektívnemu riešeniu problémov súvisiacich s využívaním ropných plynov.

1. Jednou z hlavných výhod inštalácií palivových článkov je to, že môžu spoľahlivo a trvalo fungovať pri premenlivom zložení súvisiacej s ropným plynom. V dôsledku chemickej reakcie bez plameňa, ktorá je základom činnosti palivového článku, zníženie percenta, napríklad metánu, spôsobí iba zodpovedajúce zníženie výkonu.
2. Flexibilita vo vzťahu k elektrickému zaťaženiu spotrebičov, diferenciál, záťažový ráz.
3. Pre inštaláciu a pripojenie tepelných elektrární na palivové články si ich realizácia nevyžaduje kapitálové výdavky, pretože Jednotky sa ľahko montujú na nepripravené miesta v blízkosti polí, sú ľahko ovládateľné, spoľahlivé a efektívne.
4. Vysoká automatizácia a moderné diaľkové ovládanie nevyžadujú stálu prítomnosť personálu v závode.
5. Jednoduchosť a technická dokonalosť dizajnu: absencia pohyblivých častí, trenie, mazacie systémy poskytuje značné ekonomické výhody z prevádzky inštalácií palivových článkov.
6. Spotreba vody: žiadna pri teplote okolia do +30 °C a zanedbateľná pri vyšších teplotách.
7. Výstup vody: žiadny.
8. Tepelné elektrárne s palivovými článkami navyše nevydávajú hluk, nevibrujú, nevypúšťajú škodlivé emisie do atmosféry

Vodíkové palivové články premieňajú chemickú energiu paliva na elektrickú energiu, pričom obchádzajú neefektívne vysokostratové procesy spaľovania a premenu tepelnej energie na mechanickú energiu. Vodíkový palivový článok je elektrochemické zariadenie v dôsledku vysoko efektívneho „studeného“ spaľovania paliva priamo vyrába elektrickú energiu. Vodíkovo-vzduchový palivový článok s protónovou výmennou membránou (PEMFC) je jednou z najsľubnejších technológií palivových článkov.

Pred ôsmimi rokmi bolo v západnej Európe otvorených šesť čerpadiel na kvapalnú naftu; do konca ich musí byť dvesto. Sme ďaleko od tisícok rýchlonabíjacích terminálov, ktoré sa liahnu všade, aby stimulovali šírenie elektrického pohybu. A to je miesto, kde bolí rub. A radšej oznámime grafén.

Batérie nemali svoje posledné slovo

Je to viac ako autonómia, takže obmedzenie času nabíjania spomaľuje šírenie elektromobilu. Tento mesiac však pripomenul poznámku adresovanú svojim zákazníkom, že batérie majú obmedzenie obmedzené na tento typ sondy pri veľmi vysokom napätí. Thomasovi Brachmanovi povedia, že ešte treba vybudovať rozvodnú sieť vodíka. Argument, že zametá rukou, pripomína, že množenie rýchlonabíjacích terminálov je tiež veľmi drahé, kvôli veľkému prierezu medených vysokonapäťových káblov. "Je jednoduchšie a lacnejšie prepravovať skvapalnený vodík kamiónom zo zakopaných nádrží v blízkosti výrobných miest."

Protónovo vodivá polymérová membrána oddeľuje dve elektródy, anódu a katódu. Každá elektróda je uhlíková platňa (matrica) potiahnutá katalyzátorom. Na anódovom katalyzátore molekulárny vodík disociuje a daruje elektróny. Vodíkové katióny sú vedené cez membránu ku katóde, ale elektróny sú odovzdávané do vonkajšieho okruhu, pretože membrána neumožňuje elektrónom prejsť.

Vodík ešte nie je čistým vektorom elektriny

Čo sa týka nákladov na samotnú batériu, čo je veľmi citlivá informácia, Thomas Brachmann nepochybuje o tom, že sa môže výrazne znížiť so zvyšujúcou sa účinnosťou. "Platina je prvok, ktorý stojí viac." Bohužiaľ, takmer všetok vodík pochádza z fosílnych zdrojov energie. Navyše dihydrogén je len vektor energie, a nie zdroj, z ktorého sa pri jeho výrobe nezanedbateľnú časť spotrebuje, skvapalňuje a následne premieňa na elektrinu.

Na katódovom katalyzátore sa molekula kyslíka spája s elektrónom (ktorý je dodávaný z elektrického obvodu) a prichádzajúcim protónom a vytvára vodu, ktorá je jediným reakčným produktom (vo forme pary a/alebo kvapaliny).

Membránové elektródové bloky sú vyrobené z vodíkových palivových článkov, ktoré sú kľúčovým generujúcim prvkom energetického systému.

Auto budúcnosti sa správa ako skutočné

Zostatok batérie je napriek stratám spôsobeným zahrievaním v ovládačoch asi trikrát vyšší. Bohužiaľ, zázračné auto neprerazí naše cesty, s výnimkou verejných demonštrácií. Brachmann, ktorý pripomína, že prirodzené ticho elektromobilu umocňuje dojem života v hlučnom svete. Pedál riadenia a brzdy napriek všetkému dodáva prirodzenú konzistenciu.

Malá batéria, ale lepší výkon

Gadget je viditeľný, centrálna obrazovka rozptýli zábery kamery umiestnenej v pravom zrkadle hneď po aktivácii smerového svetla. Väčšina našich zákazníkov v USA už nepožaduje, a to nám umožňuje udržiavať nízke ceny – ospravedlňuje hlavný inžinier, ktorý ponúka nižšiu sadzbu ako. Naozaj stojí za to hovoriť o zásobníku palivových článkov, pretože ich je 358, ktoré spolupracujú. Hlavná nádrž s objemom 117 litrov, pritlačená k zadnej stene lavice, neumožňuje jej skladanie a druhá - 24 litrov je ukrytá pod sedadlom.

Výhody vodíkových palivových článkov v porovnaní s tradičnými riešeniami:

- zvýšená merná energetická náročnosť (500 ÷ 1000 W*h/kg),

- rozšírený rozsah prevádzkových teplôt (-40 0 C / +40 0 C),

- absencia tepelného bodu, hluku a vibrácií,

- spoľahlivosť studeného štartu

- prakticky neobmedzená doba skladovania energie (nedostatok samovybíjania),

Prvý dvojtaktný palivový článok

Napriek svojej kompaktnej veľkosti premieňa tento nový palivový článok dihydrogén na elektrinu rýchlejšie a lepšie ako jeho predchodca. Dodáva vlasové prvky do kyslíka rýchlosťou, ktorá sa predtým považovala za nekonzistentnú s ich trvanlivosťou. Prebytočnú vodu, ktorá predtým obmedzovala prietok, je najlepšie odsať. V dôsledku toho sa výkon na prvok zvýši o polovicu a účinnosť dosahuje 60%.

Je to spôsobené prítomnosťou 1,7 kWh lítium-iónovej batérie umiestnenej pod prednými sedadlami, ktorá umožňuje dodávanie dodatočného prúdu pri silných akceleráciách. Buď je autonómia predpovede 460 km, čo dokonale zodpovedá tomu, čo uvádza výrobca.

- schopnosť meniť energetickú náročnosť systému zmenou počtu palivových kaziet, čo poskytuje takmer neobmedzenú autonómiu,

Schopnosť zabezpečiť takmer akúkoľvek primeranú energetickú náročnosť systému zmenou kapacity zásobníka vodíka,

- vysoká spotreba energie

- tolerancia voči nečistotám vo vodíku,

Ale tisíc dielov uľahčuje prúdenie vzduchu a optimalizuje chladenie. Toto elektrické vozidlo ešte viac ako jeho predchodca dokazuje, že palivový článok je v centre pozornosti. Veľká výzva pre priemysel a našich lídrov. Medzitým veľmi šikovný, kto bude vedieť, ktorý z palivových článkov alebo batérií zvíťazí.

Palivový článok je zariadenie na elektrochemickú premenu energie, ktoré dokáže generovať elektrinu vo forme jednosmerného prúdu spojením paliva a oxidačného činidla v chemickej reakcii za vzniku odpadového produktu, zvyčajne oxidu paliva.

- dlhá životnosť,

- šetrnosť k životnému prostrediu a nehlučnosť práce.

Systémy napájania založené na vodíkových palivových článkoch pre UAV:

Inštalácia palivových článkov na bezpilotné lietadlá namiesto tradičných batérií znásobuje trvanie letu, hmotnosť užitočného zaťaženia, umožňuje zvýšiť spoľahlivosť lietadla, rozšíriť teplotný rozsah pre spustenie a prevádzku UAV, čím sa limit zníži na -40 0С. V porovnaní so spaľovacími motormi sú systémy palivových článkov tiché, bez vibrácií, fungujú pri nízkych teplotách, je ťažké ich odhaliť počas letu, neprodukujú škodlivé emisie a dokážu efektívne vykonávať úlohy od video sledovania až po doručovanie užitočného nákladu.

Každý palivový článok má dve elektródy, jednu pozitívnu a jednu negatívnu, a reakcia, ktorá produkuje elektrickú energiu, prebieha na elektródach v prítomnosti elektrolytu, ktorý prenáša nabité častice z elektródy na elektródu, zatiaľ čo elektróny cirkulujú vo vonkajších drôtoch umiestnených medzi elektródami. na vytvorenie elektriny.

Palivový článok môže generovať elektrickú energiu nepretržite, pokiaľ je zachovaný požadovaný prietok paliva a okysličovadla. Niektoré palivové články produkujú len niekoľko wattov, zatiaľ čo iné môžu produkovať niekoľko stoviek kilowattov, zatiaľ čo menšie batérie sa pravdepodobne nachádzajú v notebookoch a mobilných telefónoch, ale palivové články sú príliš drahé na to, aby to boli malé generátory používané na výrobu elektriny pre domácnosti a podniky.

Zloženie napájacieho systému pre UAV:

Ekonomické rozmery palivových článkov

Používanie vodíka ako zdroja paliva so sebou prináša značné náklady. Z tohto dôvodu je vodík v súčasnosti neekonomickým zdrojom, najmä preto, že možno použiť iné lacnejšie zdroje. Náklady na výrobu vodíka sa môžu líšiť, pretože odrážajú náklady na zdroje, z ktorých sa ťaží.

Zdroje paliva pre batérie

Palivové články sú vo všeobecnosti klasifikované do nasledujúcich kategórií: vodíkové palivové články, organické palivové články, kovové palivové články a redoxné batérie. Keď sa vodík používa ako zdroj paliva, chemická energia sa počas procesu reverznej hydrolýzy premení na elektrickú energiu, čím sa ako odpad získa iba voda a teplo. Vodíkový palivový článok je veľmi nízky, ale môže byť viac-menej vysoký vo výrobe vodíka, najmä ak je vyrobený z fosílnych palív.

• - batéria s palivovými článkami,
• - Li-Po vyrovnávacia batéria na pokrytie krátkodobého špičkového zaťaženia,
• - elektronický riadiaci systém ,
• - palivový systém pozostávajúci z valca so stlačeným vodíkom alebo pevného zdroja vodíka.

Palivový systém využíva vysokopevnostné ľahké valce a reduktory na zabezpečenie maximálnej dodávky stlačeného vodíka na palube. Je povolené používať rôzne štandardné veľkosti valcov (od 0,5 do 25 litrov) s reduktormi, ktoré zabezpečujú potrebný prietok vodíka.

Vodíkové batérie sú rozdelené do dvoch kategórií: nízkoteplotné batérie a vysokoteplotné batérie, kde vysokoteplotné batérie môžu využívať aj priamo fosílne palivá. Posledne menované sú zložené z uhľovodíkov, ako je ropa alebo benzín, alkohol alebo biomasa.

Ďalšie zdroje paliva v batériách zahŕňajú, ale nie sú obmedzené na alkoholy, zinok, hliník, horčík, iónové roztoky a mnohé uhľovodíky. Ďalšie oxidačné činidlá zahŕňajú, ale nie sú obmedzené na vzduch, chlór a oxid chloričitý. V súčasnosti existuje niekoľko typov palivových článkov.

Charakteristika napájacieho systému pre UAV:

Prenosné nabíjačky založené na vodíkových palivových článkoch:

Prenosné nabíjačky na báze vodíkových palivových článkov sú kompaktné zariadenia porovnateľné hmotnosťou a rozmermi s existujúcimi a vo svete široko používanými nabíjačkami batérií.

Všadeprítomná prenosná technika v modernom svete potrebuje pravidelne dobíjať. Tradičné prenosné systémy sú pri nízkych teplotách prakticky nepoužiteľné a po splnení svojej funkcie vyžadujú aj dobíjanie pomocou (elektrických sietí), čo tiež znižuje ich účinnosť a autonómiu zariadenia.

Každá molekula dihydrogénu má 2 elektróny. Ión H prechádza z anódy na katódu a pri prenose elektrónu indukuje elektrický prúd. Ako môžu vyzerať palivové články pre lietadlá? Dnes sa na lietadlách vykonávajú testy, aby sa s nimi pokúsili lietať pomocou lítium-iónovej hybridnej batérie s palivovými článkami. Skutočná výhoda palivového článku spočíva v jeho nízkej hmotnosti a celistvosti: je ľahší, čo pomáha znižovať hmotnosť lietadla a tým aj spotrebu paliva.

V súčasnosti však nie je možné lietať s lietadlom s palivovými článkami, pretože má stále veľa nevýhod. Obrázok palivového článku. Aké sú nevýhody palivového článku? Po prvé, ak by bol vodík bežný, jeho použitie vo veľkých množstvách by bolo problematické. V skutočnosti je k dispozícii nielen na Zemi. Nachádza sa vo vode s obsahom kyslíka, amoniaku. Na jej získanie je preto potrebné vykonávať elektrolýzu vody, pričom to zatiaľ nie je veľmi používaná metóda.

Systémy vodíkových palivových článkov vyžadujú iba výmenu kompaktnej palivovej kazety, po ktorej je zariadenie okamžite pripravené na prevádzku.

Vlastnosti prenosných nabíjačiek:

Neprerušiteľné zdroje energie založené na vodíkových palivových článkoch:

Systémy neprerušiteľného napájania založené na vodíkových palivových článkoch sú navrhnuté tak, aby organizovali záložné napájanie a dočasné napájanie. Systémy neprerušiteľného napájania založené na vodíkových palivových článkoch ponúkajú významné výhody oproti tradičným riešeniam organizácie dočasného a záložného napájania pomocou batérií a dieselových generátorov.

Vodík je plyn, a preto je ťažké ho zadržať a prepraviť. Ďalším rizikom spojeným s používaním vodíka je riziko výbuchu, keďže ide o vysoko horľavý plyn. to, čo dodáva batériu na jej výrobu vo veľkom, si vyžaduje iný zdroj energie, či už je to ropa, plyn alebo uhlie, alebo jadrová energia, čo výrazne zhoršuje jej environmentálnu bilanciu ako petrolej a vytvára haldu, platinu, kov, čo je ešte vzácnejšie a cennejšie ako zlato.

Palivový článok poskytuje energiu oxidáciou paliva na anóde a redukciou oxidačného činidla na katóde. Za objav princípu palivového článku a prvé laboratórne implementácie využívajúce kyselinu sírovú ako elektrolyt sa pripisuje chemik William Grove.

Charakteristiky systému neprerušiteľného napájania:

palivový článok je elektrochemické zariadenie podobné galvanickému článku, ale líši sa od neho tým, že látky na elektrochemickú reakciu sú do neho privádzané zvonku - na rozdiel od obmedzeného množstva energie uloženej v galvanickom článku alebo batérii.

Palivové články majú skutočne určité výhody: tie, ktoré používajú dihydrogén a oxid uvoľňujú iba vodnú paru: ide teda o čistú technológiu. Existuje niekoľko typov palivových článkov v závislosti od charakteru elektrolytu, charakteru paliva, priamej alebo nepriamej oxidácie, prevádzkovej teploty.

Nasledujúca tabuľka sumarizuje hlavné charakteristiky týchto rôznych zariadení. Niekoľko európskych programov hľadá iné polyméry, ako sú deriváty polybenzimidazolu, ktoré sú stabilnejšie a lacnejšie. Kompaktnosť batérie je tiež neustálou výzvou s membránami rádovo 15-50 µm, poréznymi uhlíkovými anódami a bipolárnymi doskami z nehrdzavejúcej ocele. Životnosť sa môže tiež zlepšiť, pretože na jednej strane sú stopy oxidu uhoľnatého rádovo niekoľko častíc na milión vo vodíku skutočnými jedmi pre katalyzátor a na druhej strane je nevyhnutná kontrola obsahu vody v polyméri.

Ryža. jeden. Niektoré palivové články

Palivové články premieňajú chemickú energiu paliva na elektrickú energiu a obchádzajú tak neefektívne spaľovacie procesy, ku ktorým dochádza s veľkými stratami. V dôsledku chemickej reakcie premieňajú vodík a kyslík na elektrickú energiu. V dôsledku tohto procesu vzniká voda a uvoľňuje sa veľké množstvo tepla. Palivový článok je veľmi podobný batérii, ktorú je možné nabiť a následne použiť na uskladnenie elektrickej energie. Vynálezcom palivového článku je William R. Grove, ktorý ho vynašiel už v roku 1839. V tomto palivovom článku bol ako elektrolyt použitý roztok kyseliny sírovej a ako palivo vodík, ktorý sa zlúčil s kyslíkom v oxidačnom médiu. Donedávna sa palivové články používali len v laboratóriách a na kozmických lodiach.

Na rozdiel od iných generátorov energie, ako sú spaľovacie motory alebo turbíny poháňané plynom, uhlím, ropou atď., palivové články nespaľujú palivo. To znamená žiadne hlučné vysokotlakové rotory, žiadny hlasný hluk výfuku, žiadne vibrácie. Palivové články vyrábajú elektrinu tichou elektrochemickou reakciou. Ďalšou vlastnosťou palivových článkov je, že premieňajú chemickú energiu paliva priamo na elektrinu, teplo a vodu.

Palivové články sú vysoko účinné a neprodukujú veľké množstvo skleníkových plynov, ako je oxid uhličitý, metán a oxid dusný. Jedinými emisiami z prevádzky palivových článkov je voda vo forme pary a malé množstvo oxidu uhličitého, ktorý sa pri použití čistého vodíka ako paliva vôbec neuvoľňuje. Palivové články sa skladajú do zostáv a následne do jednotlivých funkčných modulov.

Palivové články nemajú pohyblivé časti (aspoň nie vo vnútri samotného článku), a tak sa neriadia Carnotovým zákonom. To znamená, že budú mať viac ako 50% účinnosť a sú obzvlášť účinné pri nízkom zaťažení. Vozidlá s palivovými článkami teda môžu byť (a už sa preukázalo, že sú) palivovo úspornejšie ako konvenčné vozidlá v reálnych jazdných podmienkach.

Palivový článok generuje jednosmerný elektrický prúd, ktorý možno použiť na pohon elektrického motora, svietidiel a iných elektrických systémov vo vozidle.

Existuje niekoľko typov palivových článkov, ktoré sa líšia použitými chemickými procesmi. Palivové články sa zvyčajne klasifikujú podľa typu elektrolytu, ktorý používajú.

Niektoré typy palivových článkov sú perspektívne pre použitie v elektrárňach, zatiaľ čo iné sú pre prenosné zariadenia alebo pre pohon áut.

1. Alkalické palivové články (AFC)

Alkalický palivový článok- Toto je jeden z úplne prvých vyvinutých prvkov. Alkalické palivové články (ALFC) sú jednou z najštudovanejších technológií používaných od polovice 60. rokov 20. storočia NASA v programoch Apollo a Space Shuttle. Na palube týchto kozmických lodí vyrábajú palivové články elektrinu a pitnú vodu.

Alkalické palivové články sú jedným z najefektívnejších prvkov používaných na výrobu elektriny, pričom účinnosť výroby energie dosahuje až 70 %.

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

Anódová reakcia: 2H2 + 4OH- => 4H20 + 4e

Reakcia na katóde: 02 + 2H20 + 4e- => 4OH

Všeobecná reakcia systému: 2H2 + O2 => 2H2O

Výhodou SFC je, že tieto palivové články sú najlacnejšie na výrobu, pretože katalyzátorom potrebným na elektródach môže byť ktorákoľvek z látok, ktoré sú lacnejšie ako tie, ktoré sa používajú ako katalyzátory pre iné palivové články. Okrem toho SFC pracujú pri relatívne nízkych teplotách a patria medzi najúčinnejšie.

Jednou z charakteristických vlastností SFC je jeho vysoká citlivosť na CO2, ktorý môže byť obsiahnutý v palive alebo vzduchu. CO2 reaguje s elektrolytom, rýchlo ho otravuje a výrazne znižuje účinnosť palivového článku. Preto je použitie SFC obmedzené na uzavreté priestory, ako sú vesmírne a podvodné vozidlá, fungujú na čistý vodík a kyslík.

2. Palivové články z taveniny uhličitanu (MCFC)

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

Prevádzka RCFC sa líši od ostatných palivových článkov. Tieto články využívajú elektrolyt zo zmesi roztavených uhličitanových solí. V súčasnosti sa používajú dva typy zmesí: uhličitan lítny a uhličitan draselný alebo uhličitan lítny a uhličitan sodný. Na roztavenie uhličitanových solí a dosiahnutie vysokého stupňa mobility iónov v elektrolyte pracujú palivové články s roztaveným uhličitanovým elektrolytom pri vysokých teplotách (650°C). Účinnosť sa pohybuje medzi 60-80%.

Pri zahriatí na teplotu 650°C sa soli stanú vodičmi pre uhličitanové ióny (CO32-). Tieto ióny putujú z katódy na anódu, kde sa spájajú s vodíkom za vzniku vody, oxidu uhličitého a voľných elektrónov. Tieto elektróny sa posielajú cez vonkajší elektrický obvod späť ku katóde, pričom ako vedľajší produkt generujú elektrický prúd a teplo.

Anódová reakcia: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e

Reakcia na katóde: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-

Všeobecná reakcia prvku: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2 (katóda) => H2O(g) + CO2 (anóda)

Vysoké prevádzkové teploty palivových článkov s roztaveným uhličitanom majú určité výhody. Výhodou je možnosť použitia štandardných materiálov (nerezový plech a niklový katalyzátor na elektródach). Odpadové teplo sa môže použiť na výrobu vysokotlakovej pary. Vysoké reakčné teploty v elektrolyte majú tiež svoje výhody. Použitie vysokých teplôt trvá dlho, kým sa dosiahnu optimálne prevádzkové podmienky, a systém pomalšie reaguje na zmeny spotreby energie. Tieto charakteristiky umožňujú použitie systémov palivových článkov s roztaveným uhličitanovým elektrolytom v podmienkach konštantného výkonu. Vysoké teploty zabraňujú poškodeniu palivového článku oxidom uhoľnatým, „otrave“ atď.

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

3. Palivové články na báze kyseliny fosforečnej (PFC)

Palivové články na báze kyseliny fosforečnej (ortofosforečnej). sa stali prvými palivovými článkami na komerčné využitie. Tento proces bol vyvinutý v polovici 60-tych rokov XX storočia, testy sa uskutočňovali od 70-tych rokov XX storočia. V dôsledku toho sa zvýšila stabilita a výkon a znížili sa náklady.

Palivové články na báze kyseliny fosforečnej (ortofosforečnej) využívajú elektrolyt na báze kyseliny ortofosforečnej (H3PO4) s koncentráciou až 100 %. Iónová vodivosť kyseliny fosforečnej je pri nízkych teplotách nízka, preto sa tieto palivové články používajú pri teplotách do 150-220°C.

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

Anódová reakcia: 2H2 => 4H+ + 4e

Reakcia na katóde: 02(g) + 4H+ + 4e- => 2H20

Všeobecná reakcia prvkov: 2H2 + O2 => 2H2O

Účinnosť palivových článkov na báze kyseliny fosforečnej (ortofosforečnej) je pri výrobe elektrickej energie viac ako 40 %. Pri kombinovanej výrobe tepla a elektriny je celková účinnosť cca 85 %. Navyše, vzhľadom na prevádzkové teploty, odpadové teplo môže byť použité na ohrev vody a výrobu pary pri atmosférickom tlaku.

Vysoký výkon tepelných elektrární na palivové články na báze kyseliny fosforečnej (ortofosforečnej) pri kombinovanej výrobe tepla a elektriny je jednou z výhod tohto typu palivových článkov. Závody využívajú oxid uhoľnatý v koncentrácii okolo 1,5 %, čo značne rozširuje výber paliva. Výhodou takýchto palivových článkov je tiež jednoduchá konštrukcia, nízka prchavosť elektrolytu a zvýšená stabilita.

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

4. Palivové články s protónovou výmennou membránou (MOFEC)

Palivové články s membránou na výmenu protónov sa považujú za najlepší typ palivových článkov na výrobu energie vo vozidlách, ktoré môžu nahradiť benzínové a naftové spaľovacie motory. Tieto palivové články prvýkrát použila NASA pre program Gemini. Sú vyvinuté a zobrazené inštalácie na MOPFC s výkonom od 1 W do 2 kW.

Elektrolytom v týchto palivových článkoch je pevná polymérna membrána (tenká plastová fólia). Pri impregnácii vodou tento polymér prechádza protónmi, ale nevedie elektróny.

Palivom je vodík a nosičom náboja je vodíkový ión (protón). Na anóde sa molekula vodíka rozdelí na vodíkový ión (protón) a elektróny. Vodíkové ióny prechádzajú cez elektrolyt ku katóde, zatiaľ čo elektróny sa pohybujú po vonkajšom kruhu a produkujú elektrickú energiu. Kyslík, ktorý sa odoberá zo vzduchu, sa privádza na katódu a spája sa s elektrónmi a vodíkovými iónmi za vzniku vody. Na elektródach prebiehajú tieto reakcie: Anódová reakcia: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4eKatódová reakcia: O2 + 2H2O + 4e- => 4OHCelková reakcia článku: 2H2 + O2 => 2H2O V porovnaní s inými typmi palivových článkov, palivové články s protónovou výmennou membránou produkujú viac energie pre daný objem alebo hmotnosť palivového článku. Táto funkcia im umožňuje byť kompaktné a ľahké. Prevádzková teplota je navyše nižšia ako 100 °C, čo umožňuje rýchle spustenie prevádzky. Tieto vlastnosti, ako aj schopnosť rýchlo meniť výstup energie, sú len niektoré z vlastností, vďaka ktorým sú tieto palivové články hlavným kandidátom na použitie vo vozidlách.

Ďalšou výhodou je, že elektrolyt je skôr pevná látka ako kvapalina. Je jednoduchšie udržať plyny na katóde a anóde s pevným elektrolytom, takže takéto palivové články sú lacnejšie na výrobu. Pri použití pevného elektrolytu nevznikajú žiadne ťažkosti ako orientácia a menej problémov v dôsledku výskytu korózie, čo zvyšuje životnosť článku a jeho komponentov.

5. Palivové články na tuhé oxidy (SOFC)

Palivové články s pevným oxidom sú palivové články s najvyššou prevádzkovou teplotou. Prevádzková teplota sa môže meniť od 600°C do 1000°C, čo umožňuje použitie rôznych druhov paliva bez špeciálnej predúpravy. Na zvládnutie týchto vysokých teplôt sa ako elektrolyt používa tenký pevný oxid kovu na keramickej báze, často zliatina ytria a zirkónu, čo je vodič kyslíkových (O2-) iónov. Technológia využívania palivových článkov s pevným oxidom sa vyvíja od konca 50. rokov minulého storočia a má dve konfigurácie: rovinnú a rúrkovú.

Pevný elektrolyt zabezpečuje hermetický prechod plynu z jednej elektródy na druhú, zatiaľ čo kvapalné elektrolyty sú umiestnené v poréznom substráte. Nosičom náboja v palivových článkoch tohto typu je kyslíkový ión (О2-). Na katóde sú molekuly kyslíka oddelené od vzduchu na kyslíkový ión a štyri elektróny. Kyslíkové ióny prechádzajú cez elektrolyt a spájajú sa s vodíkom za vzniku štyroch voľných elektrónov. Elektróny sú smerované cez vonkajší elektrický obvod, pričom generujú elektrický prúd a odpadové teplo.

Anódová reakcia: 2H2 + 202- => 2H20 + 4e

Reakcia na katóde: O2 + 4e- => 2O2-

Všeobecná reakcia prvkov: 2H2 + O2 => 2H2O

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

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

6. Palivové články s priamou oxidáciou metanolu (DOMTE)

Palivové články s priamou oxidáciou metanolu sa úspešne používajú v oblasti napájania mobilných telefónov, notebookov, ako aj na vytváranie prenosných zdrojov energie, k čomu smeruje budúce využitie takýchto prvkov.

Štruktúra palivových článkov s priamou oxidáciou metanolu je podobná štruktúre palivových článkov s protónovou výmennou membránou (MOFEC), t.j. polymér sa používa ako elektrolyt a ión vodíka (protón) sa používa ako nosič náboja. Kvapalný metanol (CH3OH) sa však oxiduje v prítomnosti vody na anóde, pričom sa uvoľňuje CO2, vodíkové ióny a elektróny, ktoré sú posielané cez vonkajší elektrický obvod a vzniká elektrický prúd. Vodíkové ióny prechádzajú cez elektrolyt a reagujú s kyslíkom zo vzduchu a elektrónmi z vonkajšieho okruhu za vzniku vody na anóde.

Anódová reakcia: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e Katódová reakcia: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O Celková reakcia prvkov: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O 90. roky 20. storočia a ich špecifický výkon a účinnosť sa zvýšili na 40 %.

Tieto prvky boli testované v teplotnom rozsahu 50-120°C. Vzhľadom na nízke prevádzkové teploty a bez potreby meniča sú tieto palivové články tým najlepším kandidátom pre aplikácie v mobilných telefónoch a iných spotrebných produktoch, ako aj v motoroch automobilov. Ich výhodou sú aj malé rozmery.

7. Palivové články s polymérovým elektrolytom (PETE)

V prípade palivových článkov s polymérnym elektrolytom pozostáva polymérna membrána z polymérových vlákien s vodnými oblasťami, v ktorých je vodivosť vodných iónov H2O+ (protón, červená) naviazaná na molekulu vody. Molekuly vody predstavujú problém kvôli pomalej výmene iónov. Preto je potrebná vysoká koncentrácia vody ako v palive, tak aj na výfukových elektródach, čo obmedzuje prevádzkovú teplotu na 100°C.

8. Tuhé kyslé palivové články (SCFC)

V pevných kyslých palivových článkoch elektrolyt (CsHSO4) neobsahuje vodu. Prevádzková teplota je teda 100-300°C. Rotácia SO42-oxyaniónov umožňuje pohyb protónov (červená), ako je znázornené na obrázku. Palivový článok s tuhou kyselinou je typicky sendvič, v ktorom je veľmi tenká vrstva tuhej kyslej zlúčeniny vložená medzi dve tesne stlačené elektródy, aby sa zabezpečil dobrý kontakt. Pri zahriatí sa organická zložka vyparí, opustí póry v elektródach, pričom si zachová schopnosť početných kontaktov medzi palivom (alebo kyslíkom na druhom konci článku), elektrolytom a elektródami.

9. Porovnanie najdôležitejších charakteristík palivových článkov

Charakteristika palivového článku

Typ palivového článku	Pracovná teplota	Účinnosť výroby energie	Druh paliva	Rozsah
				Stredné a veľké inštalácie
			čistý vodík	inštalácie
			čistý vodík	Malé inštalácie
			Väčšina uhľovodíkových palív	Malé, stredné a veľké inštalácie
				Prenosný inštalácie
			čistý vodík	priestor preskúmané
			čistý vodík	Malé inštalácie

10. Použitie palivových článkov v automobiloch

Ekológia poznania. Veda a technika: Mobilná elektronika sa každým rokom zlepšuje, stáva sa rozšírenejšou a dostupnejšou: PDA, notebooky, mobilné a digitálne zariadenia, fotorámiky atď. Všetky sa neustále dopĺňajú

DIY palivový článok doma

Mobilná elektronika sa každým rokom zlepšuje, stáva sa rozšírenejšou a dostupnejšou: PDA, notebooky, mobilné a digitálne zariadenia, fotorámiky atď. Všetky sú neustále aktualizované o nové funkcie, väčšie monitory, bezdrôtovú komunikáciu, výkonnejšie procesory, pričom sa znižuje veľkosť.. Výkonové technológie, na rozdiel od polovodičovej, nejdú míľovými krokmi.

Dostupné batérie a akumulátory na napájanie výdobytkov priemyslu sa stávajú nedostatočnými, takže otázka alternatívnych zdrojov je veľmi akútna. Palivové články sú zďaleka najsľubnejším smerom. Princíp ich fungovania objavil už v roku 1839 William Grove, ktorý vyrábal elektrinu zmenou elektrolýzy vody.

Čo sú palivové články?

Video: Dokument, Palivové články pre dopravu: minulosť, súčasnosť, budúcnosť

Palivové články zaujímajú automobilky a zaujímajú sa o ne aj tvorcovia kozmických lodí. V roku 1965 ich dokonca otestovala Amerika na Gemini 5 vypustenej do vesmíru a neskôr na Apolle. Do výskumu palivových článkov sa investujú milióny dolárov aj dnes, keď sú problémy spojené so znečisťovaním životného prostredia, zvyšovaním emisií skleníkových plynov zo spaľovania fosílnych palív, ktorých zásoby tiež nie sú nekonečné.

Palivový článok, často označovaný ako elektrochemický generátor, funguje spôsobom opísaným nižšie.

Byť, podobne ako akumulátory a batérie, galvanickým článkom, no s tým rozdielom, že účinné látky sú v ňom uložené oddelene. Prichádzajú k elektródam tak, ako sa používajú. Prírodné palivo alebo akákoľvek látka z neho získaná horí na zápornej elektróde, ktorá môže byť plynná (napríklad vodík a oxid uhoľnatý) alebo kvapalná, napríklad alkoholy. Na kladnej elektróde spravidla reaguje kyslík.

Ale jednoducho vyzerajúci princíp konania nie je ľahké preniesť do reality.

DIY palivový článok

Žiaľ, nemáme k dispozícii fotografie, ako by mal tento palivový prvok vyzerať, dúfame vo vašu predstavivosť.

Nízkoenergetický palivový článok vlastnými rukami je možné vyrobiť aj v školskom laboratóriu. Je potrebné zásobiť sa starou plynovou maskou, niekoľkými kusmi plexiskla, alkáliou a vodným roztokom etylalkoholu (jednoduchšie vodka), ktorý bude slúžiť ako „palivo“ pre palivový článok.

V prvom rade potrebujete puzdro na palivový článok, najlepšie z plexiskla s hrúbkou aspoň päť milimetrov. Vnútorné prepážky (päť priehradiek vo vnútri) je možné urobiť trochu tenšie - 3 cm.Na lepenie plexiskla sa používa lepidlo zloženia: šesť gramov plexištičiek sa rozpustí v sto gramoch chloroformu alebo dichlóretánu (pracujú pod kapotou ).

Vo vonkajšej stene je teraz potrebné vyvŕtať otvor, do ktorého je potrebné cez gumenú zátku vložiť odtokovú sklenenú trubicu s priemerom 5-6 centimetrov.

Každý vie, že v periodickej tabuľke v ľavom dolnom rohu sú najaktívnejšie kovy a vysokoaktívne metaloidy sú v tabuľke v pravom hornom rohu, t.j. schopnosť darovať elektróny sa zvyšuje zhora nadol a sprava doľava. Prvky, ktoré sa môžu za určitých podmienok prejaviť ako kovy alebo metaloidy, sú v strede tabuľky.

Teraz do druhej a štvrtej priehradky nalejeme aktívne uhlie z plynovej masky (medzi prvú prepážku a druhú, ako aj tretiu a štvrtú), ktoré bude fungovať ako elektródy. Aby sa uhlie nevysypalo cez otvory, môže byť umiestnené v nylonovej tkanine (dámske nylonové pančuchy stačia).

Palivo bude cirkulovať v prvej komore, v piatej by mal byť dodávateľ kyslíka – vzduch. Medzi elektródami bude elektrolyt a aby sa zabránilo jeho úniku do vzduchovej komory, je potrebné ho namočiť roztokom parafínu v benzíne (pomer 2 gramy parafínu na pol pohára benzínu) pred naplnením štvrtej komory uhlím na vzdušný elektrolyt. Na vrstvu uhlia musíte položiť (mierne stlačiť) medené platne, ku ktorým sú drôty prispájkované. Prostredníctvom nich bude prúd odvádzaný z elektród.

Zostáva len nabiť prvok. Na to je potrebná vodka, ktorá sa musí zriediť vodou v pomere 1: 1. Potom opatrne pridajte tristo až tristopäťdesiat gramov žieravého draslíka. Pre elektrolyt sa 70 gramov žieravého draslíka rozpustí v 200 gramoch vody.

Palivový článok je pripravený na testovanie. Teraz musíte súčasne naliať palivo do prvej komory a elektrolyt do tretej. Voltmeter pripojený k elektródam by mal ukazovať od 07 voltov do 0,9. Pre zabezpečenie nepretržitej prevádzky prvku je potrebné vyhoreté palivo vypustiť (vypustiť do pohára) a doplniť nové palivo (cez gumenú hadičku). Rýchlosť posuvu sa riadi stláčaním tuby. Takto vyzerá prevádzka palivového článku v laboratórnych podmienkach, ktorého výkon je pochopiteľne malý.

Aby bola sila väčšia, vedci na tomto probléme pracujú už dlho. Metanolové a etanolové palivové články sú umiestnené na aktívnej vývojovej oceli. Ale, bohužiaľ, zatiaľ neexistuje spôsob, ako ich uviesť do praxe.

Prečo je palivový článok zvolený ako alternatívny zdroj energie

Ako alternatívny zdroj energie bol zvolený palivový článok, keďže konečným produktom spaľovania vodíka v ňom je voda. Problém je len v nájdení lacného a efektívneho spôsobu výroby vodíka. Kolosálne prostriedky investované do vývoja vodíkových generátorov a palivových článkov nemôžu nepriniesť svoje ovocie, takže technologický prelom a ich skutočné využitie v každodennom živote je len otázkou času.

Už dnes predvádzajú príšery automobilového priemyslu: General Motors, Honda, Dreimler Koisler, Ballard autobusy a autá, ktoré jazdia na palivové články s výkonom až 50 kW. Problémy spojené s ich bezpečnosťou, spoľahlivosťou a nákladmi však ešte neboli vyriešené. Ako už bolo spomenuté, na rozdiel od tradičných zdrojov energie - batérií a batérií, sú v tomto prípade okysličovadlo a palivo dodávané zvonku a palivový článok je len prostredníkom v prebiehajúcej reakcii na spálenie paliva a premenu uvoľnenej energie na elektrickú energiu. . K „horeniu“ dochádza iba vtedy, ak prvok dodáva prúd do záťaže, ako napríklad dieselový generátor, ale bez generátora a nafty a tiež bez hluku, dymu a prehrievania. Zároveň je účinnosť oveľa vyššia, pretože neexistujú žiadne medziľahlé mechanizmy.

Veľké nádeje sa vkladajú do využitia nanotechnológií a nanomateriálov, ktoré pomôžu miniaturizovať palivové články a zároveň zvýšiť ich výkon. Objavili sa správy, že boli vytvorené ultraúčinné katalyzátory, ako aj konštrukcie palivových článkov, ktoré nemajú membrány. V nich sa spolu s oxidačným činidlom dodáva do prvku palivo (napríklad metán). Zaujímavé sú riešenia, kde sa ako oxidačné činidlo používa kyslík rozpustený vo vode a ako palivo organické nečistoty hromadiace sa v znečistených vodách. Ide o takzvané biopalivové články.

Palivové články sa podľa odborníkov môžu dostať na masový trh v najbližších rokoch. publikovaný

Pridajte sa k nám na

Majitelia patentu RU 2379795:

Vynález sa týka priamo pôsobiacich alkoholových palivových článkov využívajúcich tuhé kyslé elektrolyty a katalyzátory vnútorného reformovania. Technickým výsledkom vynálezu je zvýšenie merného výkonu a napätia prvku. Podľa vynálezu palivový článok obsahuje anódu, katódu, pevný kyslý elektrolyt, vrstvu na difúziu plynu a katalyzátor vnútorného reformovania. Vnútorný reformovací katalyzátor môže obsahovať akýkoľvek vhodný reformátor a je priľahlý k anóde. V tejto konfigurácii je teplo generované pri exotermických reakciách na katalyzátore palivového článku a ohmický ohrev elektrolytu palivového článku hnacou silou pre endotermickú reformovaciu reakciu paliva na premenu alkoholového paliva na vodík. Je možné použiť akékoľvek alkoholové palivo, napríklad metanol alebo etanol. 5 n. a 20 z.p. f-ly, 4 chorí.

Technická oblasť

Oblasť techniky Vynález sa týka priamo pôsobiacich alkoholových palivových článkov využívajúcich tuhé kyslé elektrolyty.

Súčasný stav techniky

Alkoholy sa v poslednej dobe dostali pod intenzívnu kontrolu ako potenciálne palivá. Alkoholy ako metanol a etanol sú obzvlášť žiaduce ako palivá, pretože majú špecifickú energiu päť až sedemkrát vyššiu ako štandardný stlačený vodík. Napríklad jeden liter metanolu je energeticky ekvivalentný 5,2 litrom vodíka stlačeného na 320 atm. Navyše jeden liter etanolu je energeticky ekvivalentný 7,2 litrom vodíka stlačeného na 350 atm. Takéto alkoholy sú tiež žiaduce, pretože sa s nimi ľahko manipuluje, skladujú a prepravujú.

Metanol a etanol boli predmetom mnohých výskumov, pokiaľ ide o alkoholové palivá. Etanol možno získať fermentáciou rastlín obsahujúcich cukor a škrob. Metanol je možné získať splyňovaním dreva alebo odpadového dreva/obilia (slamy). Syntéza metanolu je však efektívnejšia. Tieto alkoholy sú okrem iného obnoviteľné zdroje, a preto sa očakáva, že budú zohrávať dôležitú úlohu pri znižovaní emisií skleníkových plynov a znižovaní závislosti od fosílnych palív.

Palivové články boli navrhnuté ako zariadenia, ktoré premieňajú chemickú energiu takýchto alkoholov na elektrickú energiu. V tomto ohľade boli priamo pôsobiace alkoholové palivové články s polymérnymi elektrolytovými membránami podrobené intenzívnemu výskumu. Konkrétne boli študované priame metanolové palivové články a priame etanolové palivové články. Výskum priamych etanolových palivových článkov bol však obmedzený z dôvodu relatívnej náročnosti oxidácie etanolu v porovnaní s oxidáciou metanolu.

Napriek tomuto rozsiahlemu výskumnému úsiliu zostáva výkon priamo pôsobiacich alkoholových palivových článkov neuspokojivý, najmä kvôli kinetickým obmedzeniam spôsobeným elektródovými katalyzátormi. Napríklad typické priamo pôsobiace metanolové palivové články majú hustotu výkonu približne 50 mW/cm2. Boli dosiahnuté vyššie úrovne špecifického výkonu, ako je 335 mW/cm 2 , ale len za extrémne drsných podmienok (Nafion®, 130 °C, kyslík 5 atm a metanol 1 M pre prietok 2 cm3/min pri tlaku 1,8 atm). Podobne priamy etanolový palivový článok má hustotu výkonu 110 mW/cm2 za podobných extrémne drsných podmienok (oxid kremičitý Nafion®, 140 °C, anóda 4 atm, kyslík 5,5 atm). V súlade s tým existuje potreba priamo pôsobiacich alkoholových palivových článkov s vysokou hustotou výkonu v neprítomnosti takýchto extrémnych podmienok.

Stručné zhrnutie vynálezu

Predložený vynález sa týka alkoholových palivových článkov obsahujúcich tuhé kyslé elektrolyty a využívajúcich vnútorný reformovací katalyzátor. Palivový článok vo všeobecnosti obsahuje anódu, katódu, pevný kyslý elektrolyt a vnútorný reformátor. Reformátor zabezpečuje reformovanie alkoholového paliva na výrobu vodíka. Hnacou silou reformovacej reakcie je teplo generované počas exotermických reakcií v palivovom článku.

Použitie pevných kyslých elektrolytov v palivovom článku umožňuje umiestniť reformátor priamo vedľa anódy. Toto sa predtým nepovažovalo za možné v dôsledku zvýšených teplôt potrebných na efektívne fungovanie známych reformovacích materiálov a tepelnej citlivosti typických membrán polymérnych elektrolytov. Avšak v porovnaní s konvenčnými polymérnymi elektrolytovými membránami môžu tuhé kyslé elektrolyty vydržať oveľa vyššie teploty, čo umožňuje umiestniť reformátor vedľa anódy, a teda blízko elektrolytu. V tejto konfigurácii je odpadové teplo generované elektrolytom absorbované reformátorom a poháňa endotermickú reformovaciu reakciu.

Stručný popis výkresov

Tieto a ďalšie znaky a výhody tohto vynálezu budú lepšie pochopené po prečítaní nasledujúceho podrobného opisu v spojení s priloženými výkresmi, kde:

Obrázok 1 je schematické znázornenie palivového článku podľa jedného uskutočnenia tohto vynálezu;

Obrázok 2 je grafické porovnanie kriviek medzi hustotou výkonu a napätím článku pre palivové články získané podľa príkladov 1 a 2 a porovnávacieho príkladu 1;

Obrázok 3 je grafické porovnanie kriviek medzi hustotou výkonu a napätím článku pre palivové články získané podľa príkladov 3, 4 a 5 a porovnávacieho príkladu 2; a

Obrázok 4 je grafické porovnanie kriviek medzi hustotou výkonu a napätím článku pre palivové články získané v súlade s porovnávacími príkladmi 2 a 3.

Podrobný opis vynálezu

Predložený vynález sa týka priamych alkoholových palivových článkov obsahujúcich tuhé kyslé elektrolyty a využívajúcich vnútorný reformovací katalyzátor vo fyzikálnom kontakte so zostavou membránovej elektródy (MEA) určenou na reformovanie alkoholového paliva na výrobu vodíka. Ako bolo uvedené vyššie, výkon palivových článkov, ktoré premieňajú chemickú energiu v alkoholoch priamo na elektrickú energiu, zostáva neuspokojivý v dôsledku kinetických obmedzení spôsobených elektródovými katalyzátormi palivových článkov. Je však dobre známe, že tieto kinetické limity sa výrazne znížia pri použití vodíkového paliva. V súlade s tým tento vynález používa reformovací katalyzátor alebo reformer na reformovanie alkoholového paliva na vodík, čím sa znižujú alebo eliminujú kinetické obmedzenia spojené s alkoholovým palivom. Alkoholové palivá sa reformujú parou podľa nasledujúcich reakčných príkladov:

Metanol na vodík: CH30H+H20->3H2+C02;

Etanol na vodík: C2H5OH+3H20->6H2+2C02.

Reformná reakcia je však vysoko endotermická. Preto musí byť reformátor zahrievaný, aby sa získala hnacia sila pre reformovaciu reakciu. Množstvo požadovaného tepla je typicky asi 59 kJ na mól metanolu (ekvivalent spálenia asi 0,25 mólu vodíka) a asi 190 kJ na mól etanolu (ekvivalent spálenia asi 0,78 mólu vodíka).

V dôsledku prechodu elektrického prúdu pri prevádzke palivových článkov vzniká odpadové teplo, ktorého efektívne odvádzanie je problematické. Avšak kvôli vytváraniu tohto odpadového tepla je umiestnenie reformátora priamo vedľa palivového článku prirodzenou voľbou. Takáto konfigurácia umožňuje dodávať vodík z reformátora do palivového článku a chladiť palivový článok a umožňuje palivovému článku zohrievať reformátor a vytvárať hnaciu silu pre reakcie v ňom. Táto konfigurácia sa používa v palivových článkoch s roztaveným uhličitanom a pri reakciách reformovania metánu pri teplote približne 650 °C. Reakcie reformovania alkoholu však vo všeobecnosti prebiehajú pri teplotách v rozsahu od asi 200 °C do asi 350 °C a žiadny vhodný palivový článok na reformovanie alkoholu ešte nebol vyvinutý.

Predložený vynález sa týka takéhoto palivového článku využívajúceho alkoholové reformovanie. Ako je znázornené na obrázku 1, palivový článok 10 podľa tohto vynálezu vo všeobecnosti obsahuje prvý zberač prúdu/plynovú difúznu vrstvu 12, anódu 12a, druhý prúdový zberač/plynovú difúznu vrstvu 14, katódu 14a, elektrolyt 16 a katalyzátor vnútorného reformovania 18. Katalyzátor vnútorného reformovania 18 umiestnený vedľa anódy 12a. Konkrétnejšie, reformovací katalyzátor 18 je umiestnený medzi prvou vrstvou 12 na difúziu plynu a anódou 12a. Môže sa použiť akýkoľvek známy vhodný reformovací katalyzátor 18. Neobmedzujúce príklady vhodných reformovacích katalyzátorov zahŕňajú zmesi oxidov Cu-Zn-Al, zmesi oxidov Cu-Co-Zn-Al a zmesi oxidov Cu-Zn-Al-Zr. .

Je možné použiť akékoľvek alkoholové palivo, ako je metanol, etanol a propanol. Okrem toho sa ako palivo môže použiť dimetyléter.

Historicky sa táto konfigurácia nepovažovala za možnú pre alkoholové palivové články kvôli endotermickej povahe reformovacej reakcie a citlivosti elektrolytu na teplo. Typické alkoholové palivové články používajú membrány z polymérnych elektrolytov, ktoré nedokážu odolať teplu potrebnému na pohon reformovacieho katalyzátora. Elektrolyty používané v palivových článkoch podľa tohto vynálezu však obsahujú tuhé kyslé elektrolyty, ako sú tie, ktoré sú opísané v patente US 10/139043, s názvom PROTON CODUTING MEMBRANE POUŽÍVAJÚCE TUHÚ KYSELINU, ktorej celý obsah je tiež zahrnutý. tu odkazom. Jedným neobmedzujúcim príkladom tuhej kyseliny vhodnej na použitie ako elektrolyt v tomto vynáleze je CsH2P04. Pevné kyslé elektrolyty používané v palivových článkoch podľa tohto vynálezu môžu odolávať oveľa vyšším teplotám, čo umožňuje umiestniť reformovací katalyzátor priamo vedľa anódy. Okrem toho endotermická reformovacia reakcia spotrebúva teplo generované pri exotermických reakciách v palivovom článku, čím sa vytvára tepelne vyvážený systém.

Tieto tuhé kyseliny sa používajú vo svojich superprotonických fázach a pôsobia ako protónové vodivé membrány v teplotnom rozsahu približne 100 °C až približne 350 °C. Horná hranica tohto teplotného rozsahu je ideálna na reformovanie metanolu. Aby sa vytvorilo dostatočné množstvo tepla na vytvorenie hnacej sily pre reformovaciu reakciu a aby sa zabezpečila protónová vodivosť tuhého kyslého elektrolytu, palivový článok podľa tohto vynálezu sa výhodne prevádzkuje pri teplotách v rozsahu od asi 100 °C do asi 500 °C. Je však výhodnejšie prevádzkovať palivový článok pri teplotách v rozsahu od približne 200 °C do približne 350 °C. Okrem výrazného zlepšenia výkonu alkoholových palivových článkov môžu relatívne vysoké prevádzkové teploty alkoholových palivových článkov podľa vynálezu umožniť výmenu drahých kovových katalyzátorov, ako sú Pt/Ru a Pt na anóde a katóde, s menšou drahé katalyzátorové materiály.

Nasledujúce príklady a porovnávacie príklady ilustrujú vynikajúci výkon alkoholových palivových článkov podľa vynálezu. Tieto príklady sú však prezentované len na účely ilustrácie a nemali by byť chápané ako obmedzenie vynálezu na tieto príklady.

Príklad 1 Metanolový palivový článok

Ako anódový elektrokatalyzátor sa použilo 13 mg/cm2 Pt/Ru. Ako katalyzátor vnútorného reformovania sa použil Cu (30 % hm.) - Zn (20 % hm.) - Al. Ako katódový elektrokatalyzátor sa použilo 15 mg/cm2 Pt. Použitým elektrolytom bola membrána CsH 2 PO 4 s hrúbkou 160 μm. Do anódového priestoru boli privádzané naparené zmesi metanolu a vody prietokovou rýchlosťou 100 μl/min. Na katódu sa aplikoval 30 % zvlhčený kyslík pri prietokovej rýchlosti 50 cm3/min (štandardná teplota a tlak). Pomer metanol:voda bol 25:75. Teplota prvku bola nastavená na 260°C.

Príklad 2 Etanolový palivový článok

Ako anódový elektrokatalyzátor sa použilo 13 mg/cm2 Pt/Ru. Ako katalyzátor vnútorného reformovania sa použil Cu (30 % hm.) - Zn (20 % hm.) - Al. Ako katódový elektrokatalyzátor sa použilo 15 mg/cm2 Pt. Použitým elektrolytom bola membrána CsH 2 PO 4 s hrúbkou 160 μm. Parné zmesi etanolu a vody sa privádzali do anódového priestoru prietokovou rýchlosťou 100 μl/min. Na katódu sa aplikoval 30 % zvlhčený kyslík pri prietokovej rýchlosti 50 cm3/min (štandardná teplota a tlak). Pomer etanol:voda bol 15:85. Teplota prvku bola nastavená na 260°C.

Porovnávací príklad 1 Palivový článok s použitím čistého H2

Ako anódový elektrokatalyzátor sa použilo 13 mg/cm2 Pt/Ru. Ako katódový elektrokatalyzátor sa použilo 15 mg/cm2 Pt. Použitým elektrolytom bola membrána CsH 2 PO 4 s hrúbkou 160 μm. 3% zvlhčený vodík sa privádzal do anódového priestoru pri prietokovej rýchlosti 100 ul/min. Na katódu sa aplikoval 30 % zvlhčený kyslík pri prietokovej rýchlosti 50 cm3/min (štandardná teplota a tlak). Teplota prvku bola nastavená na 260°C.

Obrázok 2 ukazuje krivky medzi hustotou výkonu a napätím článku pre príklady 1 a 2 a porovnávací príklad 1. Ako je znázornené, metanolový palivový článok (príklad 1) dosahuje špičkovú hustotu výkonu 69 mW/cm, článok dosahuje špičkovú hustotu výkonu 53 mW /cm2 a vodíkový palivový článok (porovnávací príklad 1) dosahuje špičkovú hustotu výkonu 80

mW/cm2. Tieto výsledky ukazujú, že palivové články vyrobené podľa príkladu 1 a porovnávacieho príkladu 1 sú veľmi podobné, čo naznačuje, že metanolový palivový článok s reformátorom vykazuje výkon takmer taký dobrý ako výkon vodíkového palivového článku, čo je významné zlepšenie. Ako je však ukázané v nasledujúcich príkladoch a porovnávacích príkladoch, zmenšením hrúbky elektrolytu sa dosiahne dodatočné zvýšenie hustoty výkonu.

Palivový článok bol vyrobený nanášaním CsH2P04 v suspenzii na porézny nosič z nehrdzavejúcej ocele, ktorý slúžil ako vrstva na difúziu plynu aj ako zberač prúdu. Vrstva katódového elektrokatalyzátora sa najskôr naniesla na vrstvu difúzie plynu a potom sa stlačila pred nanesením vrstvy elektrolytu. Potom bola nanesená vrstva anódového elektrokatalyzátora, po čom nasledovalo umiestnenie druhej plynovej difúznej elektródy ako finálnej vrstvy konštrukcie.

Ako anódová elektróda slúži zmes CsH2PO4, Pt (50 % hm. Ru, Pt (40 %) - Ru (20 % hm.) nanesená na C (40 % hm.) a naftalén bol použitý. Pomer zložiek v zmesi CsH2P04:Pt-Ru:Pt-Ru-C:naftalén bol 3:3:1:0,5 (hmotn.). Zmes sa použila v celkovom množstve 50 mg. Download Pt a Ru boli 5,6 mg/cm2 a 2,9 mg/cm2. Plocha anódovej elektródy bola 1,74 cm2.

Ako katódová elektróda bola použitá zmes CsH2P04, Pt, Pt (50 % hmotn.), nanesená na C (50 % hmotn.) a naftalénu. Pomer zložiek v zmesi CsH2P04:Pt:Pt-C:naftalén bol 3:3:1:1 (hmotn.). Zmes sa použila v celkovom množstve 50 mg. Zaťaženie Pt bolo 7,7 mg/cm2. Plocha katódy bola 2,3-2,9 cm1.

Ako reformovací katalyzátor sa použil CuO (30 % hm.) - ZnO (20 % hm.) - Al203, tj CuO (31 % mol.) - ZnO (16 % mol.) - Al203. Reformovací katalyzátor bol pripravený procesom koprecipitácie s použitím roztoku dusičnanu medi, zinku a hlinitého (celková koncentrácia kovu bola 1 mol/l) a vodného roztoku uhličitanov sodných (1,1 mol/l). Zrazenina sa premyla deionizovanou vodou, odfiltrovala a sušila na vzduchu pri 120 °C počas 12 hodín. Vysušený prášok v množstve 1 g sa ľahko stlačil na hrúbku 3,1 mm a priemer 15,6 mm a potom sa kalcinoval pri 350 °C počas 2 hodín.

Použitým elektrolytom bola membrána CsH 2 PO 4 s hrúbkou 47 μm.

Roztok metanol-voda (43 % obj. alebo 37 % hmotn. alebo 25 % mol. alebo 1,85 M metanol) sa privádzal cez sklenenú odparku (200 °C) pri prietokovej rýchlosti 135 ul/min. Teplota prvku bola nastavená na 260°C.

Palivový článok bol pripravený v súlade s vyššie uvedeným príkladom 3 s tým rozdielom, že cez výparník (200 °C) pri prietoku 114 μl/min bola privádzaná nie zmes metanolu a vody, ale zmes etanolu a vody ( 36 % obj. alebo 31 % hmotnosti alebo 15 % mol., alebo 0,98 M etanol).

Palivový článok bol pripravený podľa príkladu 3 vyššie s tým rozdielom, že pri prietoku 100 μl/min bola dodávaná vodka (Absolut Vodka, Švédsko) (40 % obj. alebo 34 % hm., alebo 17 % mol.). namiesto metanol-voda..etanol).

Porovnávací príklad 2

Palivový článok bol pripravený podľa príkladu 3 vyššie s tým rozdielom, že namiesto zmesi metanol-voda bol použitý vysušený vodík pri 100 cm3 navlhčený horúcou vodou (70 °C).

Porovnávací príklad 3

Palivový článok bol pripravený podľa príkladu 3 vyššie s tým rozdielom, že nebol použitý žiadny reformovací katalyzátor a teplota článku bola nastavená na 240 °C.

Porovnávací príklad 4

Palivový článok bol pripravený podľa porovnávacieho príkladu 2, s tým rozdielom, že teplota článku bola nastavená na 240 °C.

Obrázok 3 ukazuje krivky medzi hustotou výkonu a napätím článku pre príklady 3, 4 a 5 a porovnávací príklad 2. Ako je znázornené, metanolový palivový článok (príklad 3) dosahuje špičkovú hustotu výkonu 224 mW/cm2, čo je významný nárast merný výkon v porovnaní s palivovým článkom získaným podľa príkladu 1, ktorý má oveľa hustejší elektrolyt. Tento metanolový palivový článok tiež vykazuje dramatické zlepšenie výkonu v porovnaní s metanolovými palivovými článkami, ktoré nepoužívajú vnútorný reformátor, čo je lepšie znázornené na obrázku 4. Etanolový palivový článok (príklad 4) tiež vykazuje zvýšenú hustotu výkonu a napätie článku v porovnaní s etanolový palivový článok s hrubšou elektrolytovou membránou (príklad 2). Ako je však znázornené, metanolový palivový článok (príklad 3) funguje lepšie ako etanolový palivový článok (príklad 4). Pre vodkový palivový článok (príklad 5) sa dosiahnu špecifické výkony, ktoré sú porovnateľné s výkonmi etanolového palivového článku. Ako je znázornené na obrázku 3, metanolový palivový článok (príklad 3) vykazuje výkon, ktorý je približne taký dobrý ako výkon vodíkového palivového článku (porovnávací príklad 2).

Obrázok 4 ukazuje krivky hustoty výkonu v závislosti od napätia článku pre porovnávacie príklady 3 a 4. Ako je znázornené, metanolový palivový článok bez reformátora (porovnávací príklad 3) dosahuje výrazne nižšie hustoty výkonu ako tie, ktoré sa dosahujú s vodíkovým palivovým článkom (porovnávací príklad 4). Okrem toho obrázky 2, 3 a 4 ukazujú, že v porovnaní s metanolovým palivovým článkom bez reformátora (porovnávací príklad 3) sa dosiahli výrazne vyššie hustoty výkonu pre metanolové palivové články s reformátormi (príklady 1 a 3).

Vyššie uvedený opis bol prezentovaný na predstavenie aktuálne výhodných uskutočnení vynálezu. Odborníci v príslušnom odbore a technológii, ktorých sa tento vynález týka, by mali pochopiť, že na opísaných uskutočneniach možno vykonať zmeny a modifikácie bez toho, aby sa podstatne odchýlili od princípov, rozsahu a ducha tohto vynálezu. V súlade s tým by sa predchádzajúci opis nemal chápať tak, že sa týka len konkrétnych opísaných uskutočnení, ale skôr by sa mal chápať tak, že je v súlade s nasledujúcimi nárokmi, ktoré obsahujú úplný a najobjektívnejší rozsah vynálezu, a podporujú ich.

1. Palivový článok obsahujúci: anódovú elektrokatalytickú vrstvu, katódovú elektrokatalytickú vrstvu, vrstvu elektrolytu obsahujúcu pevnú kyselinu, plynovú difúznu vrstvu a vnútorný reformovací katalyzátor umiestnený v blízkosti anódovej elektrokatalytickej vrstvy tak, že vnútorný reformovací katalyzátor je umiestnený medzi anódovou elektrokatalytickou vrstvou a vrstvou na difúziu plynu a je vo fyzickom kontakte s anódovou elektrokatalytickou vrstvou.

2. Palivový článok podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že tuhý kyslý elektrolyt obsahuje CsH2P04.

3. Palivový článok podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že reformovací katalyzátor je vybraný zo skupiny pozostávajúcej zo zmesí oxidu Cu-Zn-Al, zmesí oxidu Cu-Co-Zn-Al a zmesí oxidu Cu-Zn-Al-Zr.

4. Spôsob prevádzky palivového článku vrátane:





dodávka paliva; a prevádzkovanie palivového článku pri teplote v rozsahu približne 100 °C až približne 500 °C.

5. Spôsob podľa nároku 4, vyznačujúci sa tým, že palivom je alkohol.

6. Spôsob podľa nároku 4, vyznačujúci sa tým, že palivo je vybrané zo skupiny pozostávajúcej z metanolu, etanolu, propanolu a dimetyléteru.

7. Spôsob podľa nároku 4, v y z n a č u j ú c i s a t ý m, že palivový článok je prevádzkovaný pri teplote v rozsahu od asi 200 °C do asi 350 °C.

8. Spôsob podľa nároku 4, v y z n a č u j ú c i s a t ý m, že reformovací katalyzátor je vybraný zo skupiny pozostávajúcej zo zmesí oxidov Cu-Zn-Al, zmesí oxidov Cu-Co-Zn-Al a zmesí oxidov Cu-Zn-Al-Zr.

9. Spôsob podľa nároku 4, vyznačujúci sa tým, že elektrolyt obsahuje pevnú kyselinu.

10. Spôsob podľa nároku 9, kde pevná kyselina obsahuje CsH2P04.

11. Spôsob prevádzky palivového článku vrátane:
vytvorenie anódovej elektrokatalytickej vrstvy;
vytvorenie katódovej elektrokatalytickej vrstvy;
vytvorenie vrstvy elektrolytu obsahujúcej pevnú kyselinu;
tvorba plynovej difúznej vrstvy a
vytvorenie katalyzátora vnútorného reformovania priľahlého k anódovej elektrokatalytickej vrstve tak, že katalyzátor vnútorného reformovania je umiestnený medzi anódovou elektrokatalytickou vrstvou a vrstvou difúzie plynu a je vo fyzikálnom kontakte s anódovou elektrokatalytickou vrstvou;
dodávka paliva; a prevádzkovanie palivového článku pri teplote v rozsahu približne 200 °C až približne 350 °C.

12. Spôsob podľa nároku 11, vyznačujúci sa tým, že palivom je alkohol.

13. Spôsob podľa nároku 11, vyznačujúci sa tým, že palivo je vybrané zo skupiny pozostávajúcej z metanolu, etanolu, propanolu a dimetyléteru.

14. Spôsob podľa nároku 11, v y z n a č u j ú c i s a t ý m, že reformovací katalyzátor je vybraný zo skupiny pozostávajúcej zo zmesí oxidov Cu-Zn-Al, zmesí oxidov Cu-Co-Zn-Al a zmesí oxidov Cu-Zn-Al-Zr.

15. Spôsob podľa nároku 11, vyznačujúci sa tým, že elektrolyt obsahuje pevnú kyselinu.

16. Spôsob podľa nároku 15, vyznačujúci sa tým, že pevná kyselina obsahuje CsH2P04.

17. Spôsob prevádzky palivového článku vrátane:
vytvorenie anódovej elektrokatalytickej vrstvy;
vytvorenie katódovej elektrokatalytickej vrstvy;
vytvorenie vrstvy elektrolytu obsahujúcej pevnú kyselinu;
tvorba plynovej difúznej vrstvy a
vytvorenie katalyzátora vnútorného reformovania priľahlého k anódovej elektrokatalytickej vrstve tak, že katalyzátor vnútorného reformovania je umiestnený medzi anódovou elektrokatalytickou vrstvou a vrstvou difúzie plynu a je vo fyzikálnom kontakte s anódovou elektrokatalytickou vrstvou;
dodávka alkoholového paliva; a prevádzkovanie palivového článku pri teplote v rozsahu približne 100 °C až približne 500 °C.

18. Spôsob podľa nároku 17, vyznačujúci sa tým, že palivo je vybrané zo skupiny pozostávajúcej z metanolu, etanolu, propanolu a dimetyléteru.

19. Spôsob podľa nároku 17, v y z n a č u j ú c i s a t ý m, že palivový článok je prevádzkovaný pri teplote v rozsahu od asi 200 °C do asi 350 °C.

20. Spôsob podľa nároku 17, v y z n a č u j ú c i s a t ý m, že reformovací katalyzátor je vybraný zo skupiny pozostávajúcej zo zmesí oxidov Cu-Zn-Al, zmesí oxidov Cu-Co-Zn-Al a zmesí oxidov Cu-Zn-Al-Zr.

21. Spôsob podľa nároku 17, vyznačujúci sa tým, že pevný kyslý elektrolyt obsahuje CsH2P04.

22. Spôsob prevádzky palivového článku vrátane:
vytvorenie anódovej elektrokatalytickej vrstvy;
vytvorenie katódovej elektrokatalytickej vrstvy;
vytvorenie vrstvy elektrolytu obsahujúcej pevnú kyselinu;
tvorba plynovej difúznej vrstvy a
vytvorenie katalyzátora vnútorného reformovania priľahlého k anódovej elektrokatalytickej vrstve tak, že katalyzátor vnútorného reformovania je umiestnený medzi anódovou elektrokatalytickou vrstvou a vrstvou difúzie plynu a je vo fyzikálnom kontakte s anódovou elektrokatalytickou vrstvou;
dodávka alkoholového paliva; a prevádzkovanie palivového článku pri teplote v rozsahu približne 200 °C až približne 350 °C.

Vynález sa týka priamo pôsobiacich alkoholových palivových článkov využívajúcich tuhé kyslé elektrolyty a katalyzátory vnútorného reformovania