palivové články Palivové články sú chemické zdroje energie. Vykonávajú priamu premenu energie paliva na elektrickú energiu, pričom obchádzajú neefektívne, vysokostratové spaľovacie procesy. Toto elektrochemické zariadenie ako výsledok vysoko efektívneho „studeného“ spaľovania paliva priamo vyrába elektrickú energiu.
Biochemici zistili, že biologický vodíkovo-kyslíkový palivový článok je „zabudovaný“ v každej živej bunke (pozri kapitolu 2).
Zdrojom vodíka v tele je potrava – tuky, bielkoviny a sacharidy. V žalúdku, črevách a bunkách sa nakoniec rozkladá na monoméry, ktoré zase po sérii chemických premien poskytujú vodík pripojený k molekule nosiča.
Kyslík zo vzduchu vstupuje do krvi cez pľúca, spája sa s hemoglobínom a prenáša sa do všetkých tkanív. Proces zlučovania vodíka s kyslíkom je základom bioenergetiky organizmu. Tu sa za miernych podmienok (izbová teplota, normálny tlak, vodné prostredie) chemická energia s vysokou účinnosťou premieňa na tepelnú, mechanickú (pohyb svalov), elektrickú (elektrická rampa), svetelnú (hmyz vyžarujúci svetlo).
Človek opäť zopakoval zariadenie na získavanie energie vytvorenej prírodou. Tento fakt zároveň naznačuje perspektívy smerovania. Všetky procesy v prírode sú veľmi racionálne, takže kroky k skutočnému využívaniu palivových článkov inšpirujú nádej do energetickej budúcnosti.
Objav vodíkovo-kyslíkového palivového článku v roku 1838 patrí anglickému vedcovi W. Groveovi. Pri skúmaní rozkladu vody na vodík a kyslík objavil vedľajší efekt – elektrolyzér produkoval elektrický prúd.
Čo horí v palivovom článku?
Fosílne palivá (uhlie, plyn a ropa) sú väčšinou uhlíkové. Počas spaľovania atómy paliva strácajú elektróny a atómy vzdušného kyslíka ich získavajú. Takže v procese oxidácie sa atómy uhlíka a kyslíka spájajú do produktov spaľovania - molekúl oxidu uhličitého. Tento proces je energický: atómy a molekuly látok zapojených do spaľovania dosahujú vysoké rýchlosti, čo vedie k zvýšeniu ich teploty. Začnú vyžarovať svetlo - objaví sa plameň.
Chemická reakcia spaľovania uhlíka má formu:
C + O2 = CO2 + teplo
V procese spaľovania sa chemická energia premieňa na tepelnú energiu v dôsledku výmeny elektrónov medzi atómami paliva a okysličovadla. K tejto výmene dochádza náhodne.
Spaľovanie je výmena elektrónov medzi atómami a elektrický prúd je riadený pohyb elektrónov. Ak sú v procese chemickej reakcie elektróny nútené pracovať, teplota spaľovacieho procesu sa zníži. Pri FC sa elektróny odoberajú z reaktantov na jednej elektróde, odovzdávajú svoju energiu vo forme elektrického prúdu a spájajú sa s reaktantmi na druhej.
Základom každého HIT sú dve elektródy spojené elektrolytom. Palivový článok pozostáva z anódy, katódy a elektrolytu (pozri kap. 2). Oxiduje na anóde, t.j. daruje elektróny, redukčné činidlo (palivo CO alebo H2), voľné elektróny z anódy vstupujú do vonkajšieho okruhu a kladné ióny sú zadržiavané na rozhraní anóda-elektrolyt (CO+, H+). Z druhého konca reťazca sa elektróny približujú ku katóde, na ktorej prebieha redukčná reakcia (pridávanie elektrónov oxidačným činidlom O2–). Oxidačné ióny sú potom prenášané elektrolytom na katódu.
Vo FC sa spájajú tri fázy fyzikálno-chemického systému:
plyn (palivo, okysličovadlo);
elektrolyt (vodič iónov);
kovová elektróda (vodič elektrónov).
V palivových článkoch sa energia redoxnej reakcie premieňa na elektrickú energiu a procesy oxidácie a redukcie sú priestorovo oddelené elektrolytom. Elektródy a elektrolyt sa nezúčastňujú reakcie, ale v reálnych prevedeniach sa časom kontaminujú nečistotami paliva. Elektrochemické spaľovanie môže prebiehať pri nízkych teplotách a prakticky bez strát. Na obr. p087 znázorňuje situáciu, kedy sa do palivového článku dostáva zmes plynov (CO a H2), t.j. môže spaľovať plynné palivo (pozri kap. 1). TE sa teda ukazuje ako „všežravec“.
Použitie palivových článkov je komplikované tým, že palivo pre ne musí byť „pripravené“. Pre palivové články sa vodík získava konverziou organického paliva alebo splyňovaním uhlia. Preto konštrukčná schéma elektrárne na palivovom článku okrem batérií palivového článku, meniča jednosmerného na striedavý prúd (pozri kapitolu 3) a pomocných zariadení obsahuje jednotku na výrobu vodíka.
Dva smery vývoja FC
Existujú dve oblasti použitia palivových článkov: autonómna energia a energia vo veľkom meradle.
Pre autonómne použitie sú hlavné špecifické vlastnosti a jednoduchosť použitia. Náklady na vyrobenú energiu nie sú hlavným ukazovateľom.
Pre veľkú výrobu elektriny je rozhodujúcim faktorom účinnosť. Okrem toho musia byť inštalácie odolné, neobsahovať drahé materiály a používať prírodné palivá s minimálnymi nákladmi na prípravu.
Najväčšie výhody ponúka použitie palivových článkov v aute. Tu, ako nikde inde, bude mať vplyv kompaktnosť palivových článkov. Pri priamom odbere elektriny z paliva bude úspora paliva asi 50%.
Prvýkrát myšlienku využitia palivových článkov vo veľkej energetike sformuloval nemecký vedec W. Oswald v roku 1894. Neskôr sa rozvinula myšlienka vytvorenia efektívnych zdrojov autonómnej energie na báze palivového článku.
Potom sa opakovane pokúšali použiť uhlie ako účinnú látku v palivových článkoch. Nemecký výskumník E. Bauer vytvoril v 30. rokoch 20. storočia laboratórny prototyp palivového článku s pevným elektrolytom na priamu anodickú oxidáciu uhlia. Zároveň sa študovali kyslíkovo-vodíkové palivové články.
V roku 1958 v Anglicku F. Bacon vytvoril prvú kyslíkovo-vodíkovú elektráreň s výkonom 5 kW. Bolo to však ťažkopádne kvôli použitiu vysokého tlaku plynu (2 ... 4 MPa).
Od roku 1955 vyvíja K. Kordesh v USA nízkoteplotné kyslíkovo-vodíkové palivové články. Použili uhlíkové elektródy s platinovými katalyzátormi. V Nemecku pracoval E. Yust na vytvorení neplatinových katalyzátorov.
Po roku 1960 vznikli predvádzacie a reklamné vzorky. Prvá praktická aplikácia palivových článkov bola nájdená na kozmickej lodi Apollo. Boli to hlavné elektrárne na napájanie palubného zariadenia a poskytovali astronautom vodu a teplo.
Hlavnými oblasťami použitia pre inštalácie FC mimo siete boli vojenské a námorné aplikácie. Koncom 60. rokov 20. storočia objem výskumu palivových článkov klesol a po 80. rokoch opäť vzrástol v súvislosti s veľkoplošnou energetikou.
VARTA vyvinula FC s použitím obojstranných plynových difúznych elektród. Elektródy tohto typu sa nazývajú "Janus". Siemens vyvinul elektródy s hustotou výkonu až 90 W/kg. V Spojených štátoch amerických pracuje na kyslíkovo-vodíkových článkoch United Technology Corp.
Vo veľkom energetickom priemysle je veľmi perspektívne využitie palivových článkov na veľké skladovanie energie, napríklad výroba vodíka (pozri kap. 1). (slnko a vietor) sú rozptýlené (pozri kap. 4). Ich seriózne využitie, ktoré je v budúcnosti nevyhnutné, je nemysliteľné bez kapacitných batérií, ktoré uchovávajú energiu v tej či onej forme.
Problém akumulácie je aktuálny už dnes: denné a týždenné výkyvy zaťaženia elektrizačných sústav výrazne znižujú ich účinnosť a vyžadujú si takzvané manévrovacie kapacity. Jednou z možností elektrochemického zásobníka energie je palivový článok v kombinácii s elektrolyzérmi a zásobníkmi plynu*.
* Držiak plynu [plyn + angl. držiak] - zásobník na veľké množstvo plynu.
Prvá generácia TE
Najväčšiu technologickú dokonalosť dosiahli stredoteplotné palivové články prvej generácie, pracujúce pri teplote 200...230°C na kvapalné palivo, zemný plyn alebo technický vodík*. Elektrolytom v nich je kyselina fosforečná, ktorá vypĺňa poréznu uhlíkovú matricu. Elektródy sú vyrobené z uhlíka a katalyzátor je platina (platina sa používa v množstvách rádovo niekoľkých gramov na kilowatt výkonu).
* Komerčný vodík je produkt premeny fosílnych palív obsahujúci menšie nečistoty oxidu uhoľnatého.
Jedna takáto elektráreň bola uvedená do prevádzky v štáte Kalifornia v roku 1991. Pozostáva z osemnástich batérií, každá s hmotnosťou 18 ton a je umiestnená v kufri s priemerom niečo cez 2 ma výškou asi 5 m. Postup výmeny batérie bol premyslený pomocou rámovej konštrukcie pohybujúcej sa po koľajniciach.
Spojené štáty americké dodali Japonsku dve elektrárne. Prvý z nich bol spustený začiatkom roku 1983. Prevádzkový výkon stanice zodpovedal vypočítaným. Pracovala so záťažou 25 až 80 % nominálnej. Účinnosť dosiahla 30...37% - to sa blíži moderným veľkým tepelným elektrárňam. Jeho čas spustenia zo studeného stavu je od 4 hodín do 10 minút a trvanie zmeny výkonu z nuly na plný je len 15 sekúnd.
Teraz sa v rôznych častiach Spojených štátov testujú malé kombinované teplárne a elektrárne s výkonom 40 kW s faktorom využitia paliva okolo 80 %. Dokážu ohrievať vodu až na 130°C a umiestňujú sa v práčovniach, športových areáloch, komunikačných bodoch a pod. Približne sto inštalácií už odpracovalo spolu státisíce hodín. Ekologickosť elektrární FC umožňuje ich umiestnenie priamo v mestách.
Prvá palivová elektráreň v New Yorku s výkonom 4,5 MW zaberala plochu 1,3 hektára. Teraz je pre nové elektrárne s dvaapolkrát väčšou kapacitou potrebné miesto s rozmermi 30x60 m. Stavia sa viaceré demonštračné elektrárne s výkonom 11 MW. Zarážajúca je doba výstavby (7 mesiacov) a plocha (30x60 m), ktorú elektráreň zaberá. Predpokladaná životnosť nových elektrární je 30 rokov.
TE druhej a tretej generácie
Najlepšie charakteristiky sú už navrhované modulárne elektrárne s výkonom 5 MW so strednoteplotnými palivovými článkami druhej generácie. Pracujú pri teplotách 650...700°C. Ich anódy sú vyrobené zo spekaných častíc niklu a chrómu, katódy sú vyrobené zo sintrovaného a oxidovaného hliníka a elektrolyt je zmesou uhličitanu lítneho a draselného. Zvýšená teplota pomáha riešiť dva hlavné elektrochemické problémy:
znížiť "otravu" katalyzátora oxidom uhoľnatým;
zvýšiť účinnosť procesu redukcie oxidačného činidla na katóde.
Vysokoteplotné palivové články tretej generácie s elektrolytom pevných oxidov (hlavne oxid zirkoničitý) budú ešte efektívnejšie. Ich prevádzková teplota je do 1000°C. Účinnosť elektrární s takýmito palivovými článkami sa blíži k 50 %. Tu sú ako palivo vhodné aj produkty splyňovania čierneho uhlia s výrazným obsahom oxidu uhoľnatého. Rovnako dôležité je, že odpadové teplo z vysokoteplotných zariadení možno využiť na výrobu pary na pohon turbín pre elektrické generátory.
Vestingaus pôsobí v oblasti palivových článkov s pevným oxidom od roku 1958. Vyvíja elektrárne s výkonom 25 ... 200 kW, v ktorých možno použiť plynné palivo z uhlia. Na testovanie sa pripravujú experimentálne inštalácie s výkonom niekoľkých megawattov. Ďalšia americká firma Engelgurd navrhuje 50 kW palivové články, ktoré fungujú na metanole s kyselinou fosforečnou ako elektrolytom.
Čoraz viac firiem na celom svete sa zaoberá výrobou palivových článkov. Americká United Technology a japonská Toshiba vytvorili International Fuel Cells Corporation. V Európe sa palivovými článkami zaoberá belgicko-holandské konzorcium Elenko, západonemecká spoločnosť Siemens, taliansky Fiat a britský Jonson Metju.
Viktor LAVRUS.
Ak sa vám tento materiál páčil, ponúkame vám výber najlepších materiálov na našej stránke podľa našich čitateľov. Výber - TOP o technológiách šetrných k životnému prostrediu, novej vede a vedeckých objavoch nájdete tam, kde je to pre vás najvýhodnejšie
Vodíkové palivové články premieňajú chemickú energiu paliva na elektrickú energiu, pričom obchádzajú neefektívne vysokostratové procesy spaľovania a premenu tepelnej energie na mechanickú energiu.
Popis:
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. Vodík-vzduchový palivový článok s protónovou výmennou membránou (PEMFC) je jednou z najsľubnejších palivových technológií. prvkov.
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.
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.
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),
– 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,
– dlhá životnosť,
- šetrnosť k životnému prostrediu a bezhlučná prevádzka.
Aplikácia:
– napájacie systémy pre UAV,
– prenosné nabíjačky,
– neprerušiteľné zdroje napájania,
– Iné zariadenia.
Vodíkový palivový článok Nissan
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.
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 aktívne látky sú v ňom uložené oddelene. Prichádzajú k elektródam tak, ako sa používajú. Na zápornej elektróde horí prírodné palivo alebo akákoľvek látka z neho získaná, 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
Video: DIY vodíkový 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 starú plynovú masku, niekoľko kusov plexiskla, alkálie a vodný roztok 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). IN
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 je potrebné položiť (mierne stlačiť) medené platne, ku ktorým sa pripájajú drôty. 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.
Video: Palivový článok alebo večná batéria doma
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 monštrá automobilového priemyslu: General Motors, Honda, Dreimler Koisler, Ballard predvádzajú autobusy a autá, ktoré poháňajú 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 záťaži prúd, ako napríklad dieselový elektrický generátor, ale bez generátora a nafty a tiež bez hluku, dymu a prehrievania. Zároveň je účinnosť oveľa vyššia, pretože neexistujú žiadne medziľahlé mechanizmy.
Video: Auto na vodíkové palivové články
Veľké nádeje sa vkladajú do využívania nanotechnológií a nanomateriálov, čo pomôže 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
palivový článok- čo to je? Kedy a ako sa objavil? Prečo je to potrebné a prečo sa o nich v našej dobe tak často hovorí? Aký je jeho rozsah, vlastnosti a vlastnosti? Nezastaviteľný pokrok si vyžaduje odpovede na všetky tieto otázky!
Čo je palivový článok?
palivový článok- ide o zdroj chemického prúdu alebo elektrochemický generátor, ide o zariadenie na premenu chemickej energie na elektrickú energiu. V modernom živote sa chemické zdroje prúdu používajú všade a sú to batérie pre mobilné telefóny, notebooky, PDA, ako aj batérie v automobiloch, neprerušiteľné zdroje napájania atď. Ďalšou etapou rozvoja tejto oblasti bude rozšírená distribúcia palivových článkov, a to je nepopierateľný fakt.
História palivových článkov
História palivových článkov je ďalším príbehom o tom, ako sa vlastnosti hmoty, kedysi objavenej na Zemi, široko využívali ďaleko vo vesmíre a na prelome tisícročí sa vrátili z neba na Zem.
Všetko sa to začalo v roku 1839 keď nemecký chemik Christian Schönbein publikoval princípy palivového článku vo Philosophical Journal. V tom istom roku Angličan, absolvent Oxfordu, William Robert Grove, navrhol galvanický článok, neskôr nazývaný galvanický článok Grove, ktorý je uznávaný aj ako prvý palivový článok. Samotný názov "palivový článok" dostal vynález v roku svojho výročia - v roku 1889. Autormi termínu sú Ludwig Mond a Karl Langer.
O niečo skôr, v roku 1874, Jules Verne v knihe Tajomný ostrov predpovedal súčasnú energetickú situáciu a napísal, že „Voda sa jedného dňa bude využívať ako palivo, vodík a kyslík, z ktorých sa skladá.“
Medzitým sa nová technológia napájania postupne zdokonaľovala a od 50. rokov 20. storočia neprešiel ani rok bez ohlásenia najnovších vynálezov v tejto oblasti. V roku 1958 sa v Spojených štátoch objavil prvý traktor poháňaný palivovými článkami v roku 1959. Bol uvoľnený 5KW napájací zdroj pre zváračku atď. V 70. rokoch sa vodíková technológia vzniesla do vesmíru: na vodík sa objavili letecké a raketové motory. V 60. rokoch RSC Energia vyvinula palivové články pre sovietsky lunárny program. Nezaobišiel sa bez nich ani program Buran: boli vyvinuté alkalické 10 kW palivové články. A ku koncu storočia prekonali palivové články nulovú nadmorskú výšku – na ich základe sa vyvinuli zásobovanie elektrickou energiou Nemecká ponorka. Keď sa vrátime na Zem, v roku 2009 bola v USA uvedená do prevádzky prvá lokomotíva. Prirodzene, na palivové články.
Na celej krásnej histórii palivových článkov je zaujímavé, že koleso je stále jedinečným vynálezom ľudstva v prírode. Faktom je, že vo svojej konštrukcii a princípe činnosti sú palivové články podobné biologickým článkom, ktoré sú v skutočnosti miniatúrnym vodíkovo-kyslíkovým palivovým článkom. Výsledkom bolo, že človek opäť vynašiel to, čo príroda využívala milióny rokov.
Princíp činnosti palivových článkov
Princíp činnosti palivových článkov je zrejmý aj zo školských osnov chémie a bol to on, kto bol stanovený v experimentoch Williama Grovea v roku 1839. Ide o to, že proces elektrolýzy vody (disociácia vody) je reverzibilný. Tak ako je pravda, že pri prechode elektrického prúdu cez vodu sa tento rozdelí na vodík a kyslík, tak to platí aj opačne: vodík a kyslík možno spojiť a vyrobiť vodu a elektrinu. V Groveovom experimente boli dve elektródy umiestnené v komore, do ktorej boli pod tlakom dodávané obmedzené časti čistého vodíka a kyslíka. Vďaka malým objemom plynu, ako aj chemickým vlastnostiam uhlíkových elektród prebiehala v komore pomalá reakcia s uvoľňovaním tepla, vody a hlavne so vznikom rozdielu potenciálov medzi elektródy.
Najjednoduchší palivový článok pozostáva zo špeciálnej membrány používanej ako elektrolyt, na ktorej oboch stranách sú nanesené práškové elektródy. Vodík vstupuje na jednu stranu (anóda) a kyslík (vzduch) vstupuje do druhej (katóda). Každá elektróda má inú chemickú reakciu. Na anóde sa vodík rozkladá na zmes protónov a elektrónov. V niektorých palivových článkoch sú elektródy obklopené katalyzátorom, zvyčajne vyrobeným z platiny alebo iných ušľachtilých kovov, ktorý pomáha pri disociačnej reakcii:
2H 2 → 4H++ 4e -
kde H2 je dvojatómová molekula vodíka (forma, v ktorej je vodík prítomný ako plyn); H+ - ionizovaný vodík (protón); e - - elektrón.
Na katódovej strane palivového článku sa protóny (prechádzajú cez elektrolyt) a elektróny (prechádzajú cez externú záťaž) rekombinujú a reagujú s kyslíkom dodávaným do katódy za vzniku vody:
4H++ 4e- + 02 -> 2H20
Celková reakcia v palivovom článku je napísané takto:
2H2 + 02 -> 2H20
Činnosť palivového článku je založená na skutočnosti, že elektrolyt prechádza protóny cez seba (smerom ku katóde), ale elektróny nie. Elektróny sa pohybujú smerom ku katóde pozdĺž vonkajšieho vodivého obvodu. Tento pohyb elektrónov je elektrický prúd, ktorý možno použiť na napájanie externého zariadenia pripojeného k palivovému článku (záťaž, ako je napríklad žiarovka):
Palivové články pri svojej práci využívajú vodíkové palivo a kyslík. Najjednoduchšie je to s kyslíkom – berie sa zo vzduchu. Vodík je možné dodávať priamo z určitej nádoby alebo jeho oddelením od externého zdroja paliva (zemný plyn, benzín alebo metylalkohol - metanol). V prípade externého zdroja sa musí chemicky premeniť na extrakciu vodíka. V súčasnosti väčšina technológií palivových článkov vyvíjaných pre prenosné zariadenia používa metanol.
Charakteristika palivového článku
fungujú len dovtedy, kým sú palivo a okysličovadlo dodávané z externého zdroja (t. j. nemôžu uchovávať elektrickú energiu),
chemické zloženie elektrolytu sa počas prevádzky nemení (palivový článok nie je potrebné dobíjať),
sú úplne nezávislé od elektrickej energie (zatiaľ čo klasické batérie uchovávajú energiu zo siete).
Palivové články sú obdobou existujúcich batérií v tom zmysle, že v oboch prípadoch sa elektrická energia získava z chemickej energie. Existujú však aj zásadné rozdiely:
Každý palivový článok vytvára napätie v 1V. Viac napätia sa dosiahne ich zapojením do série. Zvýšenie výkonu (prúdu) sa realizuje prostredníctvom paralelného zapojenia kaskád sériovo zapojených palivových článkov.
Pre palivové články žiadny pevný limit účinnosti, ako v tepelných motoroch (účinnosť Carnotovho cyklu je maximálna možná účinnosť spomedzi všetkých tepelných motorov s rovnakými minimálnymi a maximálnymi teplotami).
Vysoká účinnosť dosiahnuté priamou premenou energie paliva na elektrickú energiu. Ak sa palivo najprv spáli v dieselových generátorových súpravách, výsledná para alebo plyn roztáča hriadeľ turbíny alebo spaľovacieho motora, ktorý zase otáča elektrický generátor. Výsledkom je účinnosť maximálne 42%, častejšie je to okolo 35-38%. Okrem toho je nepravdepodobné, že by sa súčasná účinnosť zvýšila kvôli mnohým prepojeniam, ako aj kvôli termodynamickým obmedzeniam maximálnej účinnosti tepelných motorov. Pre existujúce palivové články Účinnosť je 60-80%,
Účinnosť takmer nezávisí od faktora zaťaženia,
Kapacita je niekoľkonásobne vyššia než existujúce batérie
Dokončiť žiadne emisie škodlivé pre životné prostredie. Vypúšťa sa len čistá vodná para a tepelná energia (na rozdiel od dieselových generátorov, ktoré majú znečisťujúce emisie a vyžadujú ich odstraňovanie).
Typy palivových článkov
palivové články klasifikované z týchto dôvodov:
podľa použitého paliva
pracovný tlak a teplota,
podľa charakteru aplikácie.
Vo všeobecnosti existujú nasledujúce typy palivových článkov:
Palivové články s pevným oxidom (SOFC);
Palivový článok s protónovou výmennou membránou (Proton-exchange membránový palivový článok - PEMFC);
Reverzibilný palivový článok (RFC);
Priamy metanolový palivový článok (Direct-metanolový palivový článok - DMFC);
Tavený uhličitanový palivový článok (Molten-carbonate fuel cells - MCFC);
Palivové články s kyselinou fosforečnou (PAFC);
Alkalické palivové články (AFC).
Jedným z typov palivových článkov pracujúcich pri normálnych teplotách a tlakoch s využitím vodíka a kyslíka sú prvky s iónomeničovou membránou. Vzniknutá voda nerozpúšťa pevný elektrolyt, steká dole a ľahko sa odstraňuje.
Problémy s palivovými článkami
Hlavný problém palivových článkov súvisí s potrebou „baleného“ vodíka, ktorý by sa dal voľne kúpiť. Je zrejmé, že problém by sa mal časom vyriešiť, ale zatiaľ situácia vyvoláva mierny úsmev: čo je prvé - sliepka alebo vajce? Palivové články ešte nie sú natoľko vyspelé, aby mohli stavať vodíkové elektrárne, ale ich pokrok je bez týchto závodov nemysliteľný. Tu si všímame aj problém zdroja vodíka. Vodík sa v súčasnosti vyrába zo zemného plynu, no rastúce náklady na energie budú zvyšovať aj cenu vodíka. Zároveň je vo vodíku zo zemného plynu nevyhnutná prítomnosť CO a H 2 S (sírovodík), ktoré otrávia katalyzátor.
Bežné platinové katalyzátory využívajú v prírode veľmi drahý a nenahraditeľný kov – platinu. Tento problém sa však plánuje vyriešiť použitím katalyzátorov na báze enzýmov, ktoré sú lacnou a ľahko vyrábanou látkou.
Problémom je aj teplo. Účinnosť sa prudko zvýši, ak je vyrobené teplo nasmerované do užitočného kanála - na výrobu tepelnej energie pre systém zásobovania teplom, na využitie ako odpadové teplo pri absorpcii chladiace stroje atď.
Metanolové palivové články (DMFC): skutočná aplikácia
Priame metanolové palivové články (DMFC) sú dnes v praktickom záujme najvyššieho záujmu. Prenosný počítač Portege M100 s palivovým článkom DMFC vyzerá takto:
Typický obvod DMFC obsahuje okrem anódy, katódy a membrány niekoľko prídavných komponentov: palivovú kazetu, senzor metanolu, obehové čerpadlo paliva, vzduchové čerpadlo, výmenník tepla atď.
Napríklad prevádzkový čas notebooku v porovnaní s batériami sa plánuje zvýšiť 4-krát (až 20 hodín), mobilného telefónu - až 100 hodín v aktívnom režime a až šesť mesiacov v pohotovostnom režime. Dobíjanie sa uskutoční pridaním časti tekutého metanolu.
Hlavnou úlohou je nájsť možnosti použitia metanolového roztoku s jeho najvyššou koncentráciou. Problém je, že metanol je dosť silný jed, smrteľný v dávkach niekoľkých desiatok gramov. Ale koncentrácia metanolu priamo ovplyvňuje trvanie práce. Ak sa skôr používal 3-10% roztok metanolu, tak sa už objavili mobilné telefóny a PDA využívajúce 50% roztok a v roku 2008 v laboratórnych podmienkach získali MTI MicroFuel Cells a o niečo neskôr aj Toshiba palivové články fungujúce na čistý metanol.
Palivové články sú budúcnosť!
Napokon skutočnosť, že medzinárodná organizácia IEC (International Electrotechnical Commission), ktorá definuje priemyselné štandardy pre elektronické zariadenia, už oznámila vytvorenie pracovnej skupiny na vypracovanie medzinárodného štandardu pre miniatúrne palivové články, hovorí o zjavnej veľkej budúcnosti palív. bunky.
Časť 1
Tento článok podrobnejšie rozoberá princíp fungovania palivových článkov, ich konštrukciu, klasifikáciu, výhody a nevýhody, rozsah, účinnosť, históriu vzniku a moderné vyhliadky na použitie. V druhej časti článku, ktorý vyjde v budúcom čísle časopisu ABOK, uvádza príklady zariadení, kde sa ako zdroje tepla a elektriny (alebo len elektriny) používali rôzne typy palivových článkov.
Úvod
Palivové články predstavujú veľmi efektívny, spoľahlivý, odolný a ekologický spôsob výroby energie.
Palivové články, ktoré sa pôvodne používali len vo vesmírnom priemysle, sa dnes čoraz viac využívajú v rôznych oblastiach – ako stacionárne elektrárne, autonómne zdroje tepla a energie pre budovy, motory vozidiel, napájacie zdroje pre notebooky a mobilné telefóny. Niektoré z týchto zariadení sú laboratórne prototypy, niektoré sa podrobujú predsériovému testovaniu alebo sa používajú na demonštračné účely, no mnohé modely sú sériovo vyrábané a používané v komerčných projektoch.
Palivový článok (elektrochemický generátor) je zariadenie, ktoré premieňa chemickú energiu paliva (vodíka) na elektrickú energiu počas elektrochemickej reakcie priamo, na rozdiel od tradičných technológií, ktoré využívajú spaľovanie pevných, 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 účinnosť palivových článkov ďalej zvyšuje.
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 – stále viac spoločností vyrába komerčné vzorky palivových článkov, neustále sa zdokonaľujú a ich cena klesá.
Čo najefektívnejšie využitie čistého vodíka ako paliva si však vyžiada vytvorenie špeciálnej infraštruktúry na jeho výrobu a prepravu. V súčasnosti všetky komerčné konštrukcie využívajú zemný plyn a podobné palivá. Motorové vozidlá môžu používať bežný benzín, čo umožní zachovať existujúcu rozvinutú sieť čerpacích staníc. Používanie takéhoto paliva však vedie k škodlivým emisiám do atmosféry (hoci veľmi nízkym) a komplikuje (a teda zvyšuje cenu) palivový článok. 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, teda vodík a kyslík možno spojiť 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 budov bol PC25 Model A vyrábaný 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 |
|||||||||||||||
|
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 fotovoltaické 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 elektriny a teplej vody. To umožní budove zachovať výkon všetkých systémov počas zamračených dní a v noci.
Princíp činnosti palivových článkov
Uvažujme ako príklad princíp fungovania palivového článku s použitím najjednoduchšieho prvku s protónovou výmennou membránou (Proton Exchange Membrane, PEM). Takýto prvok pozostáva z polymérnej membrány umiestnenej medzi anódou (kladná elektróda) a katódou (záporná elektróda) spolu s anódovým a katódovým katalyzátorom. Ako elektrolyt sa používa polymérna membrána. Schéma prvku PEM je znázornená na obr. päť.
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. Jediný palivový článok poskytuje EMF menšie ako 1,16 V. Je možné zväčšiť veľkosť palivových článkov, ale v praxi sa používa niekoľko článkov spojených v batériách (obr. 10).
Zariadenie na palivové články
Zoberme si zariadenie palivových článkov na príklade modelu PC25 Model C. Schéma palivového článku je znázornená na obr. jedenásť.
Palivový článok „PC25 Model C“ pozostáva z troch hlavných častí: palivového procesora, skutočnej časti na výrobu energie a meniča napätia.
Hlavná časť palivového článku - časť na výrobu energie - je zostava zložená z 256 jednotlivých palivových článkov. Zloženie elektród palivových článkov zahŕňa platinový katalyzátor. Prostredníctvom týchto článkov vzniká jednosmerný elektrický prúd 1 400 ampérov pri napätí 155 voltov. Rozmery batérie sú približne 2,9 m na dĺžku a 0,9 m na šírku a výšku.
Keďže elektrochemický proces prebieha pri teplote 177 °C, je potrebné akumulátor v čase spustenia zahriať a počas prevádzky z neho odvádzať 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 tepelnú energiu, ktorá sa následne využíva ako zdroj tepla na vykurovanie, zásobovanie teplou vodou a podobné účely. Celková účinnosť takéhoto zariadenia teda môže dosiahnuť 80%.
Dôležitou výhodou takéhoto zdroja tepla a elektriny je možnosť jeho 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 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 |
||||||||||||||||||||
|
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%. Keďže 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-tych rokov minulého storočia začalo americké ministerstvo energetiky s výskumom vývoja stacionárneho palivového článku z roztaveného uhličitanu vhodného pre praktické aplikácie. V 90. rokoch bolo do prevádzky uvedené množstvo komerčných jednotiek s výkonom 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"), pokračovali v práci. Spoločnosť v súčasnosti prijíma predbežné objednávky na komerčný model rúrkového topologického palivového článku s pevným 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.
