mga fuel cell Ang mga fuel cell ay mga kemikal na pinagmumulan ng kuryente. Isinasagawa nila ang direktang pag-convert ng enerhiya ng gasolina sa kuryente, na lumalampas sa hindi mahusay, mataas na pagkawala ng mga proseso ng pagkasunog. Ang electrochemical device na ito, bilang resulta ng napakahusay na "malamig" na pagkasunog ng gasolina, ay direktang bumubuo ng kuryente.
Ang mga biochemist ay itinatag na ang isang biological hydrogen-oxygen fuel cell ay "itinayo sa" bawat buhay na cell (tingnan ang Kabanata 2).
Ang pinagmumulan ng hydrogen sa katawan ay pagkain - taba, protina at carbohydrates. Sa tiyan, bituka, at mga selula, sa kalaunan ay nabubulok ito sa mga monomer, na, naman, pagkatapos ng serye ng mga pagbabagong kemikal, ay nagbibigay ng hydrogen na nakakabit sa molekula ng carrier.
Ang oxygen mula sa hangin ay pumapasok sa dugo sa pamamagitan ng mga baga, pinagsama sa hemoglobin at dinadala sa lahat ng mga tisyu. Ang proseso ng pagsasama ng hydrogen sa oxygen ay ang batayan ng bioenergetics ng katawan. Dito, sa ilalim ng banayad na mga kondisyon (temperatura ng silid, normal na presyon, kapaligiran sa tubig), ang enerhiya ng kemikal na may mataas na kahusayan ay na-convert sa thermal, mekanikal (paggalaw ng kalamnan), kuryente (electric ramp), ilaw (mga insekto na naglalabas ng liwanag).
Ang tao ay muling inulit ang aparato para sa pagkuha ng enerhiya na nilikha ng kalikasan. Kasabay nito, ang katotohanang ito ay nagpapahiwatig ng mga prospect ng direksyon. Ang lahat ng mga proseso sa kalikasan ay napaka-makatuwiran, kaya ang mga hakbang patungo sa tunay na paggamit ng mga fuel cell ay nagbibigay inspirasyon sa pag-asa para sa hinaharap na enerhiya.
Ang pagtuklas noong 1838 ng isang hydrogen-oxygen fuel cell ay pag-aari ng English scientist na si W. Grove. Sa pagsisiyasat ng agnas ng tubig sa hydrogen at oxygen, natuklasan niya ang isang side effect - ang electrolyzer ay gumawa ng electric current.
Ano ang nasusunog sa isang fuel cell?
Ang mga fossil fuel (karbon, gas at langis) ay halos carbon. Sa panahon ng pagkasunog, ang mga atomo ng gasolina ay nawawalan ng mga electron, at ang mga atomo ng oxygen sa hangin ay nakakakuha ng mga ito. Kaya sa proseso ng oksihenasyon, ang mga atomo ng carbon at oxygen ay pinagsama sa mga produkto ng pagkasunog - mga molekula ng carbon dioxide. Ang prosesong ito ay masigla: ang mga atomo at molekula ng mga sangkap na kasangkot sa pagkasunog ay nakakakuha ng mataas na bilis, at ito ay humahantong sa pagtaas ng kanilang temperatura. Nagsisimula silang maglabas ng liwanag - lumilitaw ang isang apoy.
Ang kemikal na reaksyon ng carbon combustion ay may anyo:
C + O2 = CO2 + init
Sa proseso ng pagkasunog, ang enerhiya ng kemikal ay na-convert sa thermal energy dahil sa pagpapalitan ng mga electron sa pagitan ng mga atomo ng gasolina at ng oxidizer. Ang palitan na ito ay nangyayari nang random.
Ang pagkasunog ay ang pagpapalitan ng mga electron sa pagitan ng mga atomo, at ang electric current ay ang direktang paggalaw ng mga electron. Kung, sa proseso ng isang kemikal na reaksyon, ang mga electron ay napipilitang gumawa ng trabaho, kung gayon ang temperatura ng proseso ng pagkasunog ay bababa. Sa FC, ang mga electron ay kinukuha mula sa mga reactant sa isang electrode, ibinibigay ang kanilang enerhiya sa anyo ng isang electric current, at sumali sa mga reactant sa isa pa.
Ang batayan ng anumang HIT ay dalawang electrodes na konektado ng isang electrolyte. Ang fuel cell ay binubuo ng anode, cathode, at electrolyte (tingnan ang Kab. 2). Nag-oxidize sa anode, i.e. nag-donate ng mga electron, ang reducing agent (CO o H2 fuel), ang mga libreng electron mula sa anode ay pumapasok sa panlabas na circuit, at ang mga positibong ion ay nananatili sa anode-electrolyte interface (CO+, H+). Mula sa kabilang dulo ng kadena, ang mga electron ay lumalapit sa katod, kung saan nagaganap ang reduction reaction (ang pagdaragdag ng mga electron ng oxidizing agent O2–). Ang mga oxidant ions ay dinadala ng electrolyte sa katod.
Sa FC, tatlong yugto ng physicochemical system ang pinagsama-sama:
gas (gasolina, oxidizer);
electrolyte (konduktor ng mga ions);
metal electrode (konduktor ng mga electron).
Sa mga cell ng gasolina, ang enerhiya ng reaksyon ng redox ay na-convert sa elektrikal na enerhiya, at ang mga proseso ng oksihenasyon at pagbabawas ay spatially na pinaghihiwalay ng isang electrolyte. Ang mga electrodes at electrolyte ay hindi nakikilahok sa reaksyon, ngunit sa mga tunay na disenyo sila ay nahawahan ng mga impurities ng gasolina sa paglipas ng panahon. Ang electrochemical combustion ay maaaring magpatuloy sa mababang temperatura at halos walang pagkalugi. Sa fig. Ang p087 ay nagpapakita ng sitwasyon kung saan ang isang halo ng mga gas (CO at H2) ay pumapasok sa fuel cell, i.e. maaari itong magsunog ng gas na panggatong (tingnan ang Kabanata 1). Kaya, ang TE ay lumalabas na "omnivorous".
Ang paggamit ng mga fuel cell ay kumplikado sa pamamagitan ng katotohanan na ang gasolina ay dapat na "inihanda" para sa kanila. Para sa mga fuel cell, ang hydrogen ay nakukuha sa pamamagitan ng conversion ng organic fuel o coal gasification. Samakatuwid, ang block diagram ng isang power plant sa isang fuel cell, bilang karagdagan sa mga baterya ng isang fuel cell, isang DC-to-AC converter (tingnan ang Kabanata 3) at mga pantulong na kagamitan, ay may kasamang isang hydrogen production unit.
Dalawang direksyon ng pag-unlad ng FC
Mayroong dalawang lugar ng aplikasyon ng mga fuel cell: autonomous at malakihang enerhiya.
Para sa autonomous na paggamit, ang mga partikular na katangian at kadalian ng paggamit ay ang mga pangunahing. Ang halaga ng nabuong enerhiya ay hindi ang pangunahing tagapagpahiwatig.
Para sa malaking pagbuo ng kuryente, ang kahusayan ay isang mapagpasyang kadahilanan. Bilang karagdagan, ang mga pag-install ay dapat na matibay, hindi naglalaman ng mga mamahaling materyales at gumamit ng mga natural na panggatong na may kaunting gastos sa paghahanda.
Ang pinakamalaking benepisyo ay inaalok sa pamamagitan ng paggamit ng mga fuel cell sa isang kotse. Dito, bilang wala saanman, ang compactness ng mga fuel cell ay magkakaroon ng epekto. Sa direktang pagtanggap ng kuryente mula sa gasolina, ang pagtitipid ng huli ay magiging halos 50%.
Sa unang pagkakataon, ang ideya ng paggamit ng mga fuel cell sa malakihang power engineering ay binuo ng German scientist na si W. Oswald noong 1894. Nang maglaon, ang ideya ng paglikha ng mahusay na mga mapagkukunan ng autonomous na enerhiya batay sa isang fuel cell ay binuo.
Pagkatapos nito, ang mga paulit-ulit na pagtatangka ay ginawa upang gamitin ang karbon bilang isang aktibong sangkap sa mga fuel cell. Noong 1930s, ang German researcher na si E. Bauer ay lumikha ng isang laboratoryo na prototype ng isang fuel cell na may solid electrolyte para sa direktang anodic na oksihenasyon ng karbon. Kasabay nito, pinag-aralan ang mga oxygen-hydrogen fuel cells.
Noong 1958, sa England, nilikha ni F. Bacon ang unang planta ng oxygen-hydrogen na may kapasidad na 5 kW. Ngunit ito ay mahirap dahil sa paggamit ng mataas na presyon ng gas (2 ... 4 MPa).
Mula noong 1955, ang K. Kordesh ay bumubuo ng mga low-temperature na oxygen-hydrogen fuel cells sa USA. Gumamit sila ng mga carbon electrodes na may mga platinum catalyst. Sa Germany, nagtrabaho si E. Yust sa paglikha ng mga non-platinum catalysts.
Pagkatapos ng 1960, ginawa ang mga sample ng demonstrasyon at advertising. Ang unang praktikal na aplikasyon ng mga fuel cell ay natagpuan sa Apollo spacecraft. Sila ang mga pangunahing planta ng kuryente para sa pagpapagana ng mga kagamitan sa onboard at nagbigay sa mga astronaut ng tubig at init.
Ang mga pangunahing lugar ng paggamit para sa off-grid na mga pag-install ng FC ay mga aplikasyong militar at pandagat. Sa pagtatapos ng 1960s, ang dami ng pananaliksik sa mga fuel cell ay nabawasan, at pagkatapos ng 1980s, muli itong tumaas na may kaugnayan sa malakihang enerhiya.
Ang VARTA ay bumuo ng mga FC gamit ang double-sided gas diffusion electrodes. Ang mga electrodes ng ganitong uri ay tinatawag na "Janus". Ang Siemens ay nakabuo ng mga electrodes na may power density hanggang 90 W/kg. Sa United States, ang paggawa sa mga oxygen-hydrogen cells ay isinasagawa ng United Technology Corp.
Sa malakihang industriya ng kuryente, ang paggamit ng mga fuel cell para sa malakihang pag-iimbak ng enerhiya, halimbawa, ang produksyon ng hydrogen (tingnan ang Kabanata 1), ay napaka-promising. (araw at hangin) ay nakakalat (tingnan ang Ch. 4). Ang kanilang seryosong paggamit, na kailangang-kailangan sa hinaharap, ay hindi maiisip nang walang malalaking baterya na nag-iimbak ng enerhiya sa isang anyo o iba pa.
Ang problema ng akumulasyon ay may kaugnayan na ngayon: araw-araw at lingguhang pagbabagu-bago sa pagkarga ng mga sistema ng kuryente ay makabuluhang bawasan ang kanilang kahusayan at nangangailangan ng tinatawag na mga kapasidad ng maneuverable. Ang isa sa mga opsyon para sa isang electrochemical energy storage ay isang fuel cell na pinagsama sa mga electrolyzer at gas holder*.
* May hawak ng gas [gas + English. holder] - imbakan para sa malalaking dami ng gas.
Ang unang henerasyon ng TE
Ang mga medium-temperature na fuel cell ng unang henerasyon, na nagpapatakbo sa temperatura na 200...230°C sa likidong gasolina, natural na gas o teknikal na hydrogen*, ay umabot na sa pinakadakilang teknolohikal na pagiging perpekto. Ang electrolyte sa kanila ay phosphoric acid, na pumupuno sa porous carbon matrix. Ang mga electrodes ay gawa sa carbon at ang catalyst ay platinum (ang platinum ay ginagamit sa mga halaga sa pagkakasunud-sunod ng ilang gramo bawat kilowatt ng kapangyarihan).
* Ang komersyal na hydrogen ay isang produktong fossil fuel conversion na naglalaman ng mga maliliit na dumi ng carbon monoxide.
Ang isang naturang planta ng kuryente ay inilagay sa operasyon sa estado ng California noong 1991. Binubuo ito ng labing-walong baterya na tumitimbang ng 18 tonelada bawat isa at inilalagay sa isang case na may diameter na higit sa 2 m at taas na humigit-kumulang 5 m. Ang pamamaraan ng pagpapalit ng baterya ay naisip gamit ang istraktura ng frame na gumagalaw sa mga riles.
Ang Estados Unidos ay naghatid ng dalawang power plant sa Japan sa Japan. Ang una sa kanila ay inilunsad noong unang bahagi ng 1983. Ang pagganap ng pagpapatakbo ng istasyon ay tumutugma sa mga kinakalkula. Nagtrabaho siya na may load na 25 hanggang 80% ng nominal. Ang kahusayan ay umabot sa 30...37% - ito ay malapit sa modernong malalaking thermal power plant. Ang oras ng pagsisimula nito mula sa malamig na estado ay mula 4 na oras hanggang 10 minuto, at ang tagal ng pagbabago ng kuryente mula sa zero hanggang sa ganap ay 15 segundo lamang.
Ngayon sa iba't ibang bahagi ng Estados Unidos, ang maliit na pinagsamang init at mga planta ng kuryente na may kapasidad na 40 kW na may kadahilanan sa paggamit ng gasolina na humigit-kumulang 80% ay sinusuri. Maaari silang magpainit ng tubig hanggang sa 130°C at inilalagay sa mga labahan, mga sports complex, mga punto ng komunikasyon, atbp. Humigit-kumulang isang daang instalasyon ang nagtrabaho na sa kabuuang daan-daang libong oras. Ang pagiging magiliw sa kapaligiran ng mga planta ng kuryente ng FC ay nagpapahintulot sa kanila na mailagay nang direkta sa mga lungsod.
Ang unang fuel power plant sa New York, na may kapasidad na 4.5 MW, ay sumasakop sa isang lugar na 1.3 ektarya. Ngayon, para sa mga bagong planta na may kapasidad na dalawa at kalahating beses na higit pa, kailangan ang isang site na may sukat na 30x60 m. Ilang demonstration power plant na may kapasidad na 11 MW ang itinatayo. Ang oras ng pagtatayo (7 buwan) at ang lugar (30x60 m) na inookupahan ng planta ng kuryente ay kapansin-pansin. Ang tinatayang buhay ng serbisyo ng mga bagong power plant ay 30 taon.
Pangalawa at pangatlong henerasyon TE
Ang pinakamahusay na mga katangian ay idinisenyo na ng mga modular na halaman na may kapasidad na 5 MW na may medium-temperature na fuel cell ng ikalawang henerasyon. Gumagana ang mga ito sa temperaturang 650...700°C. Ang kanilang mga anode ay ginawa mula sa mga sintered na particle ng nickel at chromium, ang mga cathode ay ginawa mula sa sintered at oxidized na aluminyo, at ang electrolyte ay pinaghalong lithium at potassium carbonates. Nakakatulong ang mataas na temperatura na malutas ang dalawang pangunahing problema sa electrochemical:
bawasan ang "pagkalason" ng katalista sa pamamagitan ng carbon monoxide;
dagdagan ang kahusayan ng proseso ng pagbabawas ng oxidizer sa katod.
Ang mga high-temperature na fuel cell ng ikatlong henerasyon na may electrolyte ng solid oxides (pangunahin ang zirconium dioxide) ay magiging mas mahusay. Ang kanilang operating temperatura ay hanggang 1000°C. Ang kahusayan ng mga power plant na may ganitong mga fuel cell ay malapit sa 50%. Dito, ang mga produkto ng gasification ng matigas na karbon na may makabuluhang nilalaman ng carbon monoxide ay angkop din bilang gasolina. Parehong mahalaga, ang basurang init mula sa mga planta na may mataas na temperatura ay maaaring gamitin upang makagawa ng singaw upang magmaneho ng mga turbine para sa mga electric generator.
Ang Vestingaus ay nasa solid oxide fuel cell na negosyo mula noong 1958. Bumubuo ito ng mga power plant na may kapasidad na 25 ... 200 kW, kung saan maaaring gamitin ang gaseous fuel mula sa karbon. Ang mga pang-eksperimentong instalasyon na may kapasidad na ilang megawatts ay inihahanda para sa pagsubok. Ang isa pang kompanyang Amerikano, si Engelgurd, ay nagdidisenyo ng 50 kW fuel cell na tumatakbo sa methanol na may phosphoric acid bilang electrolyte.
Parami nang parami ang mga kumpanya sa buong mundo ang kasangkot sa paglikha ng mga fuel cell. Ang American United Technology at ang Japanese Toshiba ay bumuo ng International Fuel Cells Corporation. Sa Europa, ang Belgian-Dutch consortium na Elenko, ang kumpanya ng West German na Siemens, ang Italian Fiat, at ang British Jonson Metju ay nakikibahagi sa mga fuel cell.
Victor LAVRUS.
Kung nagustuhan mo ang materyal na ito, pagkatapos ay nag-aalok kami sa iyo ng isang seleksyon ng mga pinakamahusay na materyales sa aming site ayon sa aming mga mambabasa. Makakahanap ka ng seleksyon - NANGUNGUNANG tungkol sa mga teknolohiyang pangkalikasan, bagong agham at siyentipikong pagtuklas kung saan ito ay pinakakombenyente para sa iyo
Ang mga hydrogen fuel cell ay nagko-convert ng kemikal na enerhiya ng gasolina sa kuryente, na nilalampasan ang hindi mahusay, nawawalang mga proseso ng pagkasunog at ang conversion ng thermal energy sa mekanikal na enerhiya.
Paglalarawan:
Ang mga hydrogen fuel cell ay nagko-convert ng kemikal na enerhiya ng gasolina sa kuryente, na nilalampasan ang hindi mahusay, nawawalang mga proseso ng pagkasunog at ang conversion ng thermal energy sa mekanikal na enerhiya. Ang hydrogen fuel cell ay electrochemical ang aparato bilang isang resulta ng lubos na mahusay na "malamig" na pagkasunog ng gasolina ay direktang bumubuo ng kuryente. Ang proton exchange membrane hydrogen-air fuel cell (PEMFC) ay isa sa mga pinaka-promising na teknolohiya ng gasolina. mga elemento.
Ang isang proton-conducting polymer membrane ay naghihiwalay sa dalawang electrodes, ang anode at ang katod. Ang bawat elektrod ay isang carbon plate (matrix) na pinahiran ng isang katalista. Sa anode catalyst, ang molecular hydrogen ay naghihiwalay at nag-donate ng mga electron. Ang mga hydrogen cation ay isinasagawa sa pamamagitan ng lamad patungo sa katod, ngunit ang mga electron ay ibinibigay sa panlabas na circuit, dahil hindi pinapayagan ng lamad na dumaan ang mga electron.
Sa cathode catalyst, ang isang molekula ng oxygen ay pinagsama sa isang elektron (na ibinibigay mula sa electrical circuit) at isang papasok na proton at bumubuo ng tubig, na siyang tanging produkto ng reaksyon (sa anyo ng singaw at / o likido).
Ang mga bloke ng membrane-electrode ay ginawa mula sa mga hydrogen fuel cell, na siyang pangunahing elemento ng pagbuo ng sistema ng enerhiya.
Mga kalamangan ng hydrogen fuel cell kumpara sa mga tradisyonal na solusyon:
– tumaas na tiyak na intensity ng enerhiya (500 ÷ 1000 W*h/kg),
– pinalawig na saklaw ng temperatura ng pagpapatakbo (-40 0 C / +40 0 C),
- kawalan ng lugar ng init, ingay at panginginig ng boses,
– pagiging maaasahan ng malamig na simula
– halos walang limitasyong panahon ng pag-iimbak ng enerhiya (walang self-discharge),
– ang kakayahang baguhin ang intensity ng enerhiya ng system sa pamamagitan ng pagbabago ng bilang ng mga cartridge ng gasolina, na nagbibigay ng halos walang limitasyong awtonomiya,
– ang kakayahang magbigay ng halos anumang makatwirang intensity ng enerhiya ng system sa pamamagitan ng pagbabago ng kapasidad ng imbakan ng hydrogen,
– mataas na pagkonsumo ng enerhiya
- pagpapaubaya sa mga impurities sa hydrogen,
– mahabang buhay ng serbisyo,
- pagkamagiliw sa kapaligiran at walang ingay na operasyon.
Application:
– power supply system para sa mga UAV,
– portable charger,
– walang tigil na suplay ng kuryente,
– Iba pang mga device.
Nissan hydrogen fuel cell
Ang mga mobile electronics ay umuunlad bawat taon, nagiging mas malawak at mas madaling naa-access: Mga PDA, laptop, mobile at digital na device, mga frame ng larawan, atbp. Lahat ng mga ito ay patuloy na ina-update gamit ang mga bagong feature, mas malalaking monitor, wireless na komunikasyon, mas malakas na processor, habang bumababa sa laki.. Ang mga teknolohiya ng kapangyarihan, hindi tulad ng teknolohiya ng semiconductor, ay hindi dumadaan sa mga lukso at hangganan.
Ang mga magagamit na baterya at nagtitipon upang palakasin ang mga tagumpay ng industriya ay nagiging hindi sapat, kaya ang isyu ng mga alternatibong mapagkukunan ay napakatindi. Ang mga fuel cell ay ang pinaka-promising na direksyon. Ang prinsipyo ng kanilang operasyon ay natuklasan noong 1839 ni William Grove, na nakabuo ng kuryente sa pamamagitan ng pagpapalit ng electrolysis ng tubig.
Video: Dokumentaryo, Mga Fuel Cell para sa Transportasyon: Nakaraan, Kasalukuyan, Hinaharap
Ang mga fuel cell ay interesado sa mga tagagawa ng kotse, at ang mga tagalikha ng spacecraft ay interesado din sa kanila. Noong 1965, sinubok pa sila ng Amerika sa Gemini 5 na inilunsad sa kalawakan, at kalaunan sa Apollo. Milyun-milyong dolyar ang namumuhunan sa pagsasaliksik ng fuel cell kahit ngayon, kapag may mga problemang nauugnay sa polusyon sa kapaligiran, pagtaas ng mga greenhouse gas emissions mula sa pagkasunog ng mga fossil fuel, na ang mga reserba ay hindi rin walang katapusang.
Ang fuel cell, madalas na tinutukoy bilang isang electrochemical generator, ay gumagana sa paraang inilarawan sa ibaba.
Ang pagiging, tulad ng mga nagtitipon at baterya, isang galvanic cell, ngunit may pagkakaiba na ang mga aktibong sangkap ay nakaimbak dito nang hiwalay. Dumating sila sa mga electrodes habang ginagamit ang mga ito. Sa negatibong elektrod, nasusunog ang natural na gasolina o anumang sangkap na nakuha mula rito, na maaaring gas (halimbawa, hydrogen, at carbon monoxide) o likido, tulad ng mga alkohol. Sa positibong elektrod, bilang panuntunan, tumutugon ang oxygen.
Ngunit ang isang simpleng prinsipyo ng pagkilos ay hindi madaling isalin sa katotohanan.
DIY fuel cell
Video: DIY hydrogen fuel cell
Sa kasamaang palad, wala kaming mga larawan kung ano ang magiging hitsura ng elementong panggatong na ito, inaasahan namin ang iyong imahinasyon.
Ang isang low-power fuel cell gamit ang iyong sariling mga kamay ay maaaring gawin kahit na sa isang laboratoryo ng paaralan. Kinakailangan na mag-stock sa isang lumang gas mask, ilang piraso ng plexiglass, alkali at isang may tubig na solusyon ng ethyl alcohol (mas simple, vodka), na magsisilbing "gasolina" para sa fuel cell.
Una sa lahat, kailangan mo ng isang pabahay para sa fuel cell, na pinakamahusay na ginawa mula sa plexiglass, hindi bababa sa limang milimetro ang kapal. Ang mga panloob na partisyon (limang compartment sa loob) ay maaaring gawing mas payat - 3 cm Para sa gluing plexiglass, ginagamit ang pandikit ng sumusunod na komposisyon: anim na gramo ng plexiglass chips ay natunaw sa isang daang gramo ng chloroform o dichloroethane (gumagana sila sa ilalim ng hood ).
Sa panlabas na dingding, kinakailangan na ngayong mag-drill ng isang butas kung saan kailangan mong magpasok ng isang drain glass tube na may diameter na 5-6 sentimetro sa pamamagitan ng isang goma stopper.
Alam ng lahat na sa periodic table sa ibabang kaliwang sulok mayroong mga pinaka-aktibong metal, at ang mga high-activity na metalloid ay nasa talahanayan sa kanang sulok sa itaas, i.e. ang kakayahang mag-abuloy ng mga electron ay tumataas mula sa itaas hanggang sa ibaba at mula sa kanan papuntang kaliwa. Ang mga elemento na maaaring, sa ilalim ng ilang mga kundisyon, ay nagpapakita ng kanilang mga sarili bilang mga metal o metalloid ay nasa gitna ng talahanayan.
Ngayon, sa pangalawa at ikaapat na kompartamento, ibinubuhos namin ang activated carbon mula sa gas mask (sa pagitan ng unang partisyon at pangalawa, pati na rin ang pangatlo at ikaapat), na magsisilbing mga electrodes. Upang ang karbon ay hindi tumagas sa mga butas, maaari itong ilagay sa isang naylon na tela (magagawa ang nylon na medyas ng kababaihan). AT
Ang gasolina ay magpapalipat-lipat sa unang silid, sa ikalimang dapat mayroong isang tagapagtustos ng oxygen - hangin. Magkakaroon ng electrolyte sa pagitan ng mga electrodes, at upang maiwasan itong tumagas sa silid ng hangin, kinakailangan na ibabad ito ng isang solusyon ng paraffin sa gasolina (ang ratio ng 2 gramo ng paraffin sa kalahati ng isang baso ng gasolina) bago punan ang ikaapat na silid ng karbon para sa air electrolyte. Sa isang layer ng karbon kailangan mong ilagay (bahagyang pagpindot) mga plato ng tanso, kung saan ang mga wire ay soldered. Sa pamamagitan ng mga ito, ang kasalukuyang ay ililihis mula sa mga electrodes.
Ito ay nananatiling lamang upang singilin ang elemento. Para dito, kinakailangan ang vodka, na dapat na lasaw ng tubig sa 1: 1. Pagkatapos ay maingat na magdagdag ng tatlong daan hanggang tatlong daan at limampung gramo ng caustic potassium. Para sa electrolyte, 70 gramo ng caustic potassium ay natunaw sa 200 gramo ng tubig.
Ang fuel cell ay handa na para sa pagsubok. Ngayon ay kailangan mong sabay na ibuhos ang gasolina sa unang silid, at electrolyte sa pangatlo. Ang isang voltmeter na nakakabit sa mga electrodes ay dapat magpakita mula 07 volts hanggang 0.9. Upang matiyak ang tuluy-tuloy na operasyon ng elemento, kinakailangan upang maubos ang ginugol na gasolina (alisan ng tubig sa isang baso) at magdagdag ng bagong gasolina (sa pamamagitan ng isang tubo ng goma). Ang rate ng feed ay kinokontrol sa pamamagitan ng pagpiga sa tubo. Ganito ang hitsura ng pagpapatakbo ng isang fuel cell sa mga kondisyon ng laboratoryo, ang kapangyarihan nito ay maliwanag na maliit.
Video: Fuel cell o walang hanggang baterya sa bahay
Upang gawing mas malaki ang kapangyarihan, ang mga siyentipiko ay nagtatrabaho sa problemang ito sa loob ng mahabang panahon. Ang mga cell ng gasolina ng methanol at ethanol ay matatagpuan sa aktibong pagbuo ng bakal. Ngunit, sa kasamaang-palad, sa ngayon ay walang paraan upang maisagawa ang mga ito.
Bakit pinili ang fuel cell bilang alternatibong pinagmumulan ng kuryente
Ang fuel cell ay pinili bilang alternatibong pinagmumulan ng kuryente, dahil ang huling produkto ng pagkasunog ng hydrogen dito ay tubig. Ang problema ay sa paghahanap lamang ng mura at mahusay na paraan upang makagawa ng hydrogen. Ang napakalaking pondo na namuhunan sa pagbuo ng mga generator ng hydrogen at mga fuel cell ay hindi maaaring mabigong magbunga, kaya ang isang teknolohikal na pambihirang tagumpay at ang kanilang tunay na paggamit sa pang-araw-araw na buhay ay sandali lamang.
Ngayon ang mga halimaw ng industriya ng automotive: Ang General Motors, Honda, Dreimler Koisler, Ballard ay nagpapakita ng mga bus at kotse na tumatakbo sa mga fuel cell na may lakas na hanggang 50 kW. Ngunit, ang mga problema na nauugnay sa kanilang kaligtasan, pagiging maaasahan, gastos - ay hindi pa nalutas. Tulad ng nabanggit na, hindi tulad ng tradisyonal na mga mapagkukunan ng kuryente - mga baterya at baterya, sa kasong ito, ang oxidizer at gasolina ay ibinibigay mula sa labas, at ang fuel cell ay isang tagapamagitan lamang sa patuloy na reaksyon upang masunog ang gasolina at i-convert ang inilabas na enerhiya sa kuryente . Ang "pagsunog" ay nangyayari lamang kung ang elemento ay nagbibigay ng kasalukuyang sa pagkarga, tulad ng isang diesel electric generator, ngunit walang generator at diesel, at walang ingay, usok at sobrang init. Kasabay nito, ang kahusayan ay mas mataas, dahil walang mga intermediate na mekanismo.
Video: Hydrogen fuel cell car
Malaki ang pag-asa sa paggamit ng nanotechnologies at nanomaterials, na makakatulong sa pagpapaliit ng mga fuel cell, habang pinapataas ang kanilang kapangyarihan. May mga ulat na ang mga ultra-efficient catalyst ay nilikha, pati na rin ang mga disenyo ng fuel cell na walang mga lamad. Sa kanila, kasama ang oxidizer, ang gasolina (methane, halimbawa) ay ibinibigay sa elemento. Ang mga solusyon ay kawili-wili, kung saan ang oxygen na natunaw sa tubig ay ginagamit bilang isang oxidizing agent, at ang mga organikong impurities na naipon sa maruming tubig ay ginagamit bilang gasolina. Ito ang mga tinatawag na biofuel cells.
Ang mga fuel cell, ayon sa mga eksperto, ay maaaring pumasok sa mass market sa mga darating na taon
fuel cell- ano ito? Kailan at paano siya nagpakita? Bakit kailangan at bakit ito madalas pag-usapan sa ating panahon? Ano ang saklaw, katangian at katangian nito? Ang hindi mapigilang pag-unlad ay nangangailangan ng mga sagot sa lahat ng mga tanong na ito!
Ano ang fuel cell?
fuel cell- ito ay isang kemikal na kasalukuyang pinagmumulan o isang electrochemical generator, ito ay isang aparato para sa pag-convert ng kemikal na enerhiya sa elektrikal na enerhiya. Sa modernong buhay, ang mga kasalukuyang pinagmumulan ng kemikal ay ginagamit sa lahat ng dako at mga baterya para sa mga mobile phone, laptop, PDA, pati na rin ang mga baterya sa mga kotse, hindi naaabala na mga suplay ng kuryente, atbp. Ang susunod na yugto sa pag-unlad ng lugar na ito ay ang malawakang pamamahagi ng mga fuel cell, at ito ay isang hindi maikakaila na katotohanan.
Kasaysayan ng mga fuel cell
Ang kasaysayan ng mga fuel cell ay isa pang kuwento kung paano ang mga katangian ng bagay, na minsang natuklasan sa Earth, ay malawakang ginagamit sa malayong kalawakan, at sa pagliko ng milenyo ay bumalik sila mula sa langit patungo sa Lupa.
Nagsimula ang lahat noong 1839 nang ilathala ng German chemist na si Christian Schönbein ang mga prinsipyo ng fuel cell sa Philosophical Journal. Sa parehong taon, isang Englishman, isang nagtapos sa Oxford, William Robert Grove, ang nagdisenyo ng isang galvanic cell, na kalaunan ay tinawag na Grove galvanic cell, na kinikilala rin bilang ang unang fuel cell. Ang mismong pangalan na "fuel cell" ay ibinigay sa imbensyon sa taon ng anibersaryo nito - noong 1889. Sina Ludwig Mond at Karl Langer ang mga may-akda ng termino.
Mas maaga, noong 1874, hinulaan ni Jules Verne, sa The Mysterious Island, ang kasalukuyang sitwasyon ng enerhiya, na nagsusulat na "Ang tubig ay balang araw ay gagamitin bilang panggatong, hydrogen at oxygen, kung saan ito binubuo, ay gagamitin."
Samantala, ang bagong teknolohiya ng supply ng kuryente ay unti-unting napabuti, at simula sa 50s ng XX siglo, hindi isang taon ang lumipas nang walang anunsyo ng pinakabagong mga imbensyon sa lugar na ito. Noong 1958, ang unang traktor na pinapagana ng mga fuel cell ay lumitaw sa Estados Unidos, noong 1959. Inilabas ang 5KW power supply para sa welding machine, atbp. Noong dekada 70, lumipad ang teknolohiya ng hydrogen sa kalawakan: ang mga sasakyang panghimpapawid at rocket na makina ay lumitaw sa hydrogen. Noong 1960s, binuo ng RSC Energia ang mga fuel cell para sa programang lunar ng Sobyet. Ang programa ng Buran ay hindi rin nagawa nang wala ang mga ito: ang alkaline 10 kW na mga cell ng gasolina ay binuo. At sa pagtatapos ng siglo, ang mga fuel cell ay tumawid sa zero altitude sa ibabaw ng antas ng dagat - batay sa kanila, binuo suplay ng kuryente submarino ng Aleman. Pagbalik sa Earth, noong 2009 ang unang lokomotibo ay inilagay sa operasyon sa USA. Naturally, sa mga cell ng gasolina.
Sa lahat ng magagandang kasaysayan ng mga fuel cell, ang kawili-wili ay ang gulong pa rin ang walang kapantay na pag-imbento ng sangkatauhan sa kalikasan. Ang bagay ay ang mga fuel cell ay magkapareho sa kanilang istraktura at prinsipyo ng pagpapatakbo sa isang biological cell, na, sa katunayan, ay isang miniature hydrogen-oxygen fuel cell. Dahil dito, muling naimbento ng tao kung ano ang ginagamit ng kalikasan sa loob ng milyun-milyong taon.
Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng mga cell ng gasolina
Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng mga fuel cell ay halata kahit na mula sa kurikulum ng paaralan sa kimika, at siya ang inilatag sa mga eksperimento ni William Grove noong 1839. Ang bagay ay ang proseso ng electrolysis ng tubig (dissociation ng tubig) ay nababaligtad. Tulad ng totoo na kapag ang isang electric current ay dumaan sa tubig, ang huli ay nahahati sa hydrogen at oxygen, kaya ang kabaligtaran ay totoo rin: ang hydrogen at oxygen ay maaaring pagsamahin upang makagawa ng tubig at kuryente. Sa eksperimento ni Grove, dalawang electrodes ang inilagay sa isang silid kung saan ang mga limitadong bahagi ng purong hydrogen at oxygen ay ibinibigay sa ilalim ng presyon. Dahil sa maliit na dami ng gas, pati na rin dahil sa mga kemikal na katangian ng mga electrodes ng carbon, isang mabagal na reaksyon ang naganap sa silid na may pagpapakawala ng init, tubig, at, pinaka-mahalaga, sa pagbuo ng isang potensyal na pagkakaiba sa pagitan. ang mga electrodes.
Ang pinakasimpleng fuel cell ay binubuo ng isang espesyal na lamad na ginagamit bilang isang electrolyte, sa magkabilang panig kung saan inilalapat ang mga pulbos na electrodes. Ang hydrogen ay pumapasok sa isang panig (anode) at ang oxygen (hangin) ay pumapasok sa kabilang panig (cathode). Ang bawat elektrod ay may iba't ibang kemikal na reaksyon. Sa anode, ang hydrogen ay bumagsak sa isang halo ng mga proton at electron. Sa ilang mga fuel cell, ang mga electrodes ay napapalibutan ng isang katalista, kadalasang gawa sa platinum o iba pang marangal na metal, upang tumulong sa dissociation reaction:
2H 2 → 4H ++ 4e -
kung saan ang H 2 ay isang diatomic hydrogen molecule (ang anyo kung saan ang hydrogen ay naroroon bilang isang gas); H + - ionized hydrogen (proton); e - - elektron.
Sa gilid ng cathode ng fuel cell, ang mga proton (dumaan sa electrolyte) at mga electron (na dumaan sa panlabas na load) ay muling pinagsama at tumutugon sa oxygen na ibinibigay sa cathode upang bumuo ng tubig:
4H + + 4e - + O 2 → 2H 2 O
Pangkalahatang reaksyon sa fuel cell ay nakasulat tulad ng sumusunod:
2H 2 + O 2 → 2H 2 O
Ang pagpapatakbo ng isang fuel cell ay batay sa katotohanan na ang electrolyte ay pumasa sa mga proton sa pamamagitan ng sarili nito (patungo sa katod), ngunit ang mga electron ay hindi. Ang mga electron ay lumipat patungo sa katod sa kahabaan ng panlabas na conducting circuit. Ang paggalaw na ito ng mga electron ay ang de-koryenteng agos na maaaring magamit upang paganahin ang isang panlabas na aparato na konektado sa fuel cell (isang load tulad ng isang bumbilya):
Sa kanilang trabaho, ang mga fuel cell ay gumagamit ng hydrogen fuel at oxygen. Ang pinakamadaling paraan ay may oxygen - ito ay kinuha mula sa hangin. Ang hydrogen ay maaaring direktang ibigay mula sa isang tiyak na lalagyan o sa pamamagitan ng paghihiwalay nito mula sa panlabas na pinagmumulan ng gasolina (natural gas, gasolina o methyl alcohol - methanol). Sa kaso ng isang panlabas na mapagkukunan, dapat itong ma-convert sa kemikal upang makuha ang hydrogen. Sa kasalukuyan, karamihan sa mga teknolohiya ng fuel cell na binuo para sa mga portable na device ay gumagamit ng methanol.
Mga Katangian ng Fuel Cell
gumagana lamang ang mga ito hangga't ang gasolina at oxidizer ay ibinibigay mula sa isang panlabas na mapagkukunan (ibig sabihin, hindi sila maaaring mag-imbak ng elektrikal na enerhiya),
ang kemikal na komposisyon ng electrolyte ay hindi nagbabago sa panahon ng operasyon (ang fuel cell ay hindi kailangang ma-recharged),
ang mga ito ay ganap na independyente sa kuryente (habang ang mga maginoo na baterya ay nag-iimbak ng enerhiya mula sa mga mains).
Ang mga fuel cell ay kahalintulad sa mga kasalukuyang baterya sa kahulugan na sa parehong mga kaso ang elektrikal na enerhiya ay nakukuha mula sa kemikal na enerhiya. Ngunit mayroon ding mga pangunahing pagkakaiba:
Lumilikha ang bawat fuel cell boltahe sa 1V. Higit pang boltahe ang nakakamit sa pamamagitan ng pagkonekta sa kanila sa serye. Ang pagtaas sa kapangyarihan (kasalukuyan) ay natanto sa pamamagitan ng isang parallel na koneksyon ng mga cascades ng mga series-connected fuel cell.
Para sa mga fuel cell walang mahirap na limitasyon sa kahusayan, tulad ng para sa mga heat engine (ang kahusayan ng Carnot cycle ay ang pinakamataas na posibleng kahusayan sa lahat ng mga heat engine na may parehong minimum at maximum na temperatura).
Mataas na kahusayan nakamit sa pamamagitan ng direktang conversion ng fuel energy sa kuryente. Kung ang gasolina ay unang sinusunog sa mga diesel generator set, ang nagreresultang singaw o gas ay nagiging turbine o panloob na combustion engine shaft, na siya namang nagiging electric generator. Ang resulta ay isang kahusayan ng isang maximum na 42%, mas madalas ito ay tungkol sa 35-38%. Bukod dito, dahil sa maraming mga link, pati na rin dahil sa mga limitasyon ng thermodynamic sa pinakamataas na kahusayan ng mga makina ng init, ang umiiral na kahusayan ay malamang na hindi tumaas nang mas mataas. Para sa mga kasalukuyang fuel cell Ang kahusayan ay 60-80%,
Kahusayan halos hindi nakadepende sa load factor,
Ang kapasidad ay ilang beses na mas mataas kaysa sa mga kasalukuyang baterya
Kumpleto walang nakakapinsalang emisyon sa kapaligiran. Tanging malinis na singaw ng tubig at thermal energy ang ibinubuga (hindi tulad ng mga generator ng diesel, na may mga polluting emissions at nangangailangan ng mga ito na alisin).
Mga uri ng fuel cell
mga fuel cell nauuri sa mga sumusunod na batayan:
sa pamamagitan ng gasolina na ginamit
presyon at temperatura ng pagtatrabaho,
ayon sa likas na katangian ng aplikasyon.
Sa pangkalahatan, mayroong mga sumusunod mga uri ng fuel cell:
Solid-oxide fuel cells (SOFC);
Fuel cell na may proton exchange membrane (Proton-exchange membrane fuel cell - PEMFC);
Reversible Fuel Cell (RFC);
Direktang methanol fuel cell (Direct-methanol fuel cell - DMFC);
Matunaw ang carbonate fuel cell (Molten-carbonate fuel cell - MCFC);
Phosphoric acid fuel cells (PAFC);
Alkaline fuel cells (AFC).
Ang isa sa mga uri ng fuel cell na tumatakbo sa normal na temperatura at presyon gamit ang hydrogen at oxygen ay mga elementong may lamad ng pagpapalitan ng ion. Ang nagresultang tubig ay hindi natutunaw ang solid electrolyte, dumadaloy pababa at madaling maalis.
Mga Problema sa Fuel Cell
Ang pangunahing problema ng mga fuel cell ay nauugnay sa pangangailangan para sa "naka-package" na hydrogen, na malayang mabibili. Malinaw, ang problema ay dapat malutas sa paglipas ng panahon, ngunit sa ngayon ang sitwasyon ay nagiging sanhi ng isang bahagyang ngiti: ano ang mauna - ang manok o ang itlog? Ang mga fuel cell ay hindi pa sapat na advanced upang bumuo ng mga halaman ng hydrogen, ngunit ang kanilang pag-unlad ay hindi maiisip kung wala ang mga halaman na ito. Dito rin natin napapansin ang problema ng pinagmumulan ng hydrogen. Ang hydrogen ay kasalukuyang ginawa mula sa natural na gas, ngunit ang pagtaas ng mga gastos sa enerhiya ay tataas din ang presyo ng hydrogen. Kasabay nito, ang pagkakaroon ng CO at H 2 S (hydrogen sulfide) ay hindi maiiwasan sa hydrogen mula sa natural na gas, na nakakalason sa katalista.
Ang mga karaniwang platinum catalysts ay gumagamit ng napakamahal at hindi maaaring palitan na metal sa kalikasan - platinum. Gayunpaman, ang problemang ito ay pinlano na lutasin sa pamamagitan ng paggamit ng mga katalista batay sa mga enzyme, na isang mura at madaling ginawang sangkap.
Problema rin ang init. Ang kahusayan ay tataas nang husto kung ang nabuong init ay nakadirekta sa isang kapaki-pakinabang na channel - upang makabuo ng thermal energy para sa sistema ng supply ng init, upang gamitin ito bilang basurang init sa pagsipsip mga makinang nagpapalamig atbp.
Methanol Fuel Cells (DMFC): Tunay na Aplikasyon
Ang Direct Methanol Fuel Cells (DMFC) ay ang pinakamataas na praktikal na interes ngayon. Ang isang Portege M100 laptop na tumatakbo sa isang DMFC fuel cell ay ganito ang hitsura:
Ang isang tipikal na DMFC circuit ay naglalaman, bilang karagdagan sa anode, cathode at lamad, ilang karagdagang mga bahagi: isang fuel cartridge, isang methanol sensor, isang fuel circulation pump, isang air pump, isang heat exchanger, atbp.
Ang oras ng pagpapatakbo, halimbawa, ng isang laptop kumpara sa mga baterya ay binalak na tumaas ng 4 na beses (hanggang sa 20 oras), isang mobile phone - hanggang sa 100 oras sa aktibong mode at hanggang anim na buwan sa standby mode. Ang muling pagkarga ay gagawin sa pamamagitan ng pagdaragdag ng isang bahagi ng likidong methanol.
Ang pangunahing gawain ay upang makahanap ng mga pagpipilian para sa paggamit ng solusyon ng methanol na may pinakamataas na konsentrasyon. Ang problema ay ang methanol ay isang medyo malakas na lason, nakamamatay sa mga dosis ng ilang sampu-sampung gramo. Ngunit ang konsentrasyon ng methanol ay direktang nakakaapekto sa tagal ng trabaho. Kung ang isang 3-10% na solusyon ng methanol ay ginamit dati, kung gayon ang mga mobile phone at PDA na gumagamit ng isang 50% na solusyon ay lumitaw na, at noong 2008, sa mga kondisyon ng laboratoryo, ang mga espesyalista mula sa MTI MicroFuel Cells at, ilang sandali, ang Toshiba, ay nakakuha ng mga fuel cell. na gumagana sa purong methanol.
Ang mga fuel cell ay ang hinaharap!
Sa wakas, ang katotohanan na ang internasyonal na organisasyon na IEC (International Electrotechnical Commission), na tumutukoy sa mga pamantayang pang-industriya para sa mga elektronikong aparato, ay inihayag na ang paglikha ng isang nagtatrabaho na grupo upang bumuo ng isang pang-internasyonal na pamantayan para sa mga miniature na mga cell ng gasolina, ay nagsasalita ng malinaw na mahusay na hinaharap ng gasolina. mga selula.
Bahagi 1
Tinatalakay ng artikulong ito nang mas detalyado ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng mga fuel cell, ang kanilang disenyo, pag-uuri, mga pakinabang at disadvantages, saklaw, kahusayan, kasaysayan ng paglikha at modernong mga prospect para sa paggamit. Sa ikalawang bahagi ng artikulo, na ilalathala sa susunod na isyu ng magasing ABOK, ay nagbibigay ng mga halimbawa ng mga pasilidad kung saan ginamit ang iba't ibang uri ng fuel cell bilang pinagmumulan ng init at kuryente (o kuryente lamang).
Panimula
Ang mga fuel cell ay isang napaka-episyente, maaasahan, matibay at environment friendly na paraan upang makabuo ng enerhiya.
Sa una ay ginagamit lamang sa industriya ng kalawakan, ang mga fuel cell ay lalong ginagamit sa iba't ibang lugar - bilang mga nakatigil na planta ng kuryente, mga autonomous na pinagmumulan ng init at kuryente para sa mga gusali, makina ng sasakyan, mga suplay ng kuryente para sa mga laptop at mobile phone. Ang ilan sa mga device na ito ay mga prototype ng laboratoryo, ang ilan ay sumasailalim sa pre-series na pagsubok o ginagamit para sa mga layunin ng pagpapakita, ngunit maraming mga modelo ang mass-produce at ginagamit sa mga komersyal na proyekto.
Ang fuel cell (electrochemical generator) ay isang device na nagko-convert ng chemical energy ng fuel (hydrogen) sa electrical energy sa proseso ng electrochemical reaction nang direkta, hindi tulad ng mga tradisyonal na teknolohiya na gumagamit ng combustion ng solid, liquid at gaseous fuels. Ang direktang electrochemical conversion ng gasolina ay napakahusay at kaakit-akit mula sa isang kapaligiran na pananaw, dahil ang pinakamababang halaga ng mga pollutant ay inilabas sa panahon ng operasyon, at walang malakas na ingay at vibrations.
Mula sa isang praktikal na pananaw, ang isang fuel cell ay kahawig ng isang maginoo na galvanic na baterya. Ang pagkakaiba ay nakasalalay sa katotohanan na sa una ang baterya ay sisingilin, ibig sabihin, puno ng "gasolina". Sa panahon ng operasyon, ang "gasolina" ay natupok at ang baterya ay na-discharge. Hindi tulad ng isang baterya, ang isang fuel cell ay gumagamit ng gasolina na ibinibigay mula sa isang panlabas na mapagkukunan upang makabuo ng elektrikal na enerhiya (Larawan 1).
Para sa produksyon ng elektrikal na enerhiya, hindi lamang purong hydrogen ang maaaring gamitin, kundi pati na rin ang iba pang mga hilaw na materyales na naglalaman ng hydrogen, tulad ng natural gas, ammonia, methanol o gasolina. Ang ordinaryong hangin ay ginagamit bilang pinagmumulan ng oxygen, na kailangan din para sa reaksyon.
Kapag purong hydrogen ang ginamit bilang panggatong, ang mga produkto ng reaksyon, bilang karagdagan sa elektrikal na enerhiya, ay init at tubig (o singaw ng tubig), ibig sabihin, walang mga gas na ibinubuga sa atmospera na nagdudulot ng polusyon sa hangin o nagdudulot ng greenhouse effect. Kung ang isang feedstock na naglalaman ng hydrogen, tulad ng natural na gas, ay ginagamit bilang panggatong, ang iba pang mga gas, tulad ng mga oxide ng carbon at nitrogen, ay magiging isang by-product ng reaksyon, ngunit ang halaga nito ay mas mababa kaysa kapag sinusunog ang pareho. dami ng natural gas.
Ang proseso ng kemikal na conversion ng gasolina upang makabuo ng hydrogen ay tinatawag na reforming, at ang kaukulang aparato ay tinatawag na reformer.
Mga kalamangan at kawalan ng mga fuel cell
Ang mga fuel cell ay mas mahusay sa enerhiya kaysa sa mga panloob na combustion engine dahil walang thermodynamic na limitasyon sa kahusayan ng enerhiya para sa mga fuel cell. Ang kahusayan ng mga fuel cell ay 50%, habang ang kahusayan ng panloob na combustion engine ay 12-15%, at ang kahusayan ng mga steam turbine power plant ay hindi lalampas sa 40%. Sa pamamagitan ng paggamit ng init at tubig, ang kahusayan ng mga fuel cell ay higit na nadaragdagan.
Sa kaibahan sa, halimbawa, mga panloob na combustion engine, ang kahusayan ng mga fuel cell ay nananatiling napakataas kahit na hindi sila gumagana nang buong lakas. Bilang karagdagan, ang lakas ng mga fuel cell ay maaaring tumaas sa pamamagitan lamang ng pagdaragdag ng hiwalay na mga bloke, habang ang kahusayan ay hindi nagbabago, ibig sabihin, ang mga malalaking pag-install ay kasing episyente ng mga maliliit. Ang mga sitwasyong ito ay nagbibigay-daan sa isang napaka-flexible na pagpili ng komposisyon ng kagamitan alinsunod sa mga kagustuhan ng customer at sa huli ay humantong sa isang pagbawas sa mga gastos sa kagamitan.
Ang isang mahalagang bentahe ng mga fuel cell ay ang kanilang pagkamagiliw sa kapaligiran. Ang mga emisyon ng hangin mula sa mga fuel cell ay napakababa na sa ilang bahagi ng Estados Unidos ay hindi sila nangangailangan ng mga espesyal na permit mula sa mga ahensya ng kalidad ng hangin ng pamahalaan.
Ang mga fuel cell ay maaaring direktang ilagay sa gusali, sa gayon ay binabawasan ang pagkalugi ng paghahatid ng enerhiya, at ang init na nabuo bilang resulta ng reaksyon ay maaaring magamit upang magbigay ng init o mainit na tubig sa gusali. Ang mga autonomous na mapagkukunan ng init at suplay ng kuryente ay maaaring maging lubhang kapaki-pakinabang sa mga malalayong lugar at sa mga rehiyon na nailalarawan sa kakulangan ng kuryente at mataas na gastos nito, ngunit sa parehong oras mayroong mga reserba ng mga hilaw na materyales na naglalaman ng hydrogen (langis, natural gas) .
Ang mga bentahe ng mga fuel cell ay ang pagkakaroon din ng gasolina, pagiging maaasahan (walang mga gumagalaw na bahagi sa fuel cell), tibay at kadalian ng operasyon.
Ang isa sa mga pangunahing pagkukulang ng mga fuel cell ngayon ay ang kanilang medyo mataas na gastos, ngunit ang pagkukulang na ito ay maaaring pagtagumpayan sa lalong madaling panahon - parami nang parami ang mga kumpanya na gumagawa ng mga komersyal na sample ng mga fuel cell, sila ay patuloy na pinabuting, at ang kanilang gastos ay bumababa.
Ang pinakamabisang paggamit ng purong hydrogen bilang gasolina, gayunpaman, mangangailangan ito ng paglikha ng isang espesyal na imprastraktura para sa pagbuo at transportasyon nito. Sa kasalukuyan, lahat ng komersyal na disenyo ay gumagamit ng natural na gas at mga katulad na panggatong. Ang mga sasakyang de-motor ay maaaring gumamit ng ordinaryong gasolina, na magpapahintulot sa pagpapanatili ng umiiral na binuo na network ng mga istasyon ng gas. Gayunpaman, ang paggamit ng naturang gasolina ay humahantong sa mga nakakapinsalang emisyon sa atmospera (bagaman napakababa) at nagpapalubha (at samakatuwid ay nagpapataas ng halaga ng) fuel cell. Sa hinaharap, ang posibilidad ng paggamit ng environment friendly na renewable energy sources (halimbawa, solar energy o wind energy) ay isinasaalang-alang upang mabulok ang tubig sa hydrogen at oxygen sa pamamagitan ng electrolysis, at pagkatapos ay i-convert ang nagreresultang gasolina sa isang fuel cell. Ang ganitong pinagsamang mga halaman na tumatakbo sa isang closed cycle ay maaaring maging isang ganap na environment friendly, maaasahan, matibay at mahusay na mapagkukunan ng enerhiya.
Ang isa pang tampok ng mga fuel cell ay ang mga ito ay pinaka mahusay kapag gumagamit ng parehong elektrikal at thermal na enerhiya sa parehong oras. Gayunpaman, ang posibilidad ng paggamit ng thermal energy ay hindi magagamit sa bawat pasilidad. Sa kaso ng paggamit ng mga fuel cell para lamang sa pagbuo ng elektrikal na enerhiya, ang kanilang kahusayan ay bumababa, bagaman ito ay lumampas sa kahusayan ng "tradisyonal" na mga pag-install.
Kasaysayan at modernong paggamit ng mga fuel cell
Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng mga fuel cell ay natuklasan noong 1839. Natuklasan ng English scientist na si William Grove (1811-1896) na ang proseso ng electrolysis - ang decomposition ng tubig sa hydrogen at oxygen sa pamamagitan ng electric current - ay nababaligtad, ibig sabihin, ang hydrogen at oxygen ay maaaring pagsamahin sa mga molekula ng tubig nang walang pagkasunog, ngunit may ang paglabas ng init at electric current. Tinawag ni Grove ang aparato kung saan ang naturang reaksyon ay isinagawa bilang isang "gas battery", na siyang unang fuel cell.
Ang aktibong pag-unlad ng mga teknolohiya ng fuel cell ay nagsimula pagkatapos ng Ikalawang Digmaang Pandaigdig, at ito ay nauugnay sa industriya ng aerospace. Sa oras na iyon, ang mga paghahanap ay isinagawa para sa isang mahusay at maaasahan, ngunit sa parehong oras ay medyo compact na mapagkukunan ng enerhiya. Noong 1960s, pinili ng mga espesyalista ng NASA (National Aeronautics and Space Administration, NASA) ang mga fuel cell bilang pinagmumulan ng kapangyarihan para sa spacecraft ng Apollo (mga manned flight papuntang Moon), Apollo-Soyuz, Gemini at mga programang Skylab. . Gumamit ang Apollo ng tatlong 1.5 kW unit (2.2 kW peak power) gamit ang cryogenic hydrogen at oxygen upang makagawa ng kuryente, init at tubig. Ang masa ng bawat pag-install ay 113 kg. Ang tatlong mga cell na ito ay nagtrabaho nang magkatulad, ngunit ang enerhiya na nabuo ng isang yunit ay sapat na para sa isang ligtas na pagbabalik. Sa loob ng 18 flight, ang mga fuel cell ay nakaipon ng kabuuang 10,000 oras nang walang anumang pagkabigo. Sa kasalukuyan, ang mga fuel cell ay ginagamit sa space shuttle na "Space Shuttle", na gumagamit ng tatlong yunit na may kapangyarihan na 12 W, na bumubuo ng lahat ng elektrikal na enerhiya sa board ng spacecraft (Fig. 2). Ang tubig na nakuha bilang resulta ng isang electrochemical reaction ay ginagamit bilang inuming tubig, pati na rin para sa mga kagamitan sa paglamig.
Sa ating bansa, ang trabaho ay isinasagawa din upang lumikha ng mga fuel cell para magamit sa mga astronautics. Halimbawa, ginamit ang mga fuel cell upang palakasin ang sasakyang pang-space shuttle ng Soviet Buran.
Ang pagbuo ng mga pamamaraan para sa komersyal na paggamit ng mga fuel cell ay nagsimula noong kalagitnaan ng 1960s. Ang mga pagpapaunlad na ito ay bahagyang pinondohan ng mga organisasyon ng pamahalaan.
Sa kasalukuyan, ang pagbuo ng mga teknolohiya para sa paggamit ng mga fuel cell ay napupunta sa maraming direksyon. Ito ang paglikha ng mga nakatigil na planta ng kuryente sa mga fuel cell (para sa parehong sentralisado at desentralisadong suplay ng enerhiya), mga planta ng kuryente ng mga sasakyan (nalikha ang mga sample ng mga kotse at bus sa mga fuel cell, kabilang ang sa ating bansa) (Fig. 3), at pati na rin ang mga power supply para sa iba't ibang mga mobile device (laptop, mobile phone, atbp.) (Fig. 4).
Ang mga halimbawa ng paggamit ng mga fuel cell sa iba't ibang larangan ay ibinibigay sa Talahanayan. isa.
Isa sa mga unang komersyal na modelo ng mga fuel cell na idinisenyo para sa autonomous na init at power supply ng mga gusali ay ang PC25 Model A na ginawa ng ONSI Corporation (ngayon ay United Technologies, Inc.). Ang fuel cell na ito na may nominal na kapangyarihan na 200 kW ay kabilang sa uri ng mga cell na may electrolyte batay sa phosphoric acid (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC). Ang numerong "25" sa pangalan ng modelo ay nangangahulugan ng serial number ng disenyo. Karamihan sa mga nakaraang modelo ay pang-eksperimento o mga piraso ng pagsubok, tulad ng 12.5 kW "PC11" na modelo na lumitaw noong 1970s. Ang mga bagong modelo ay nagpapataas ng lakas na kinuha mula sa isang fuel cell, at binawasan din ang gastos sa bawat kilowatt ng enerhiya na ginawa. Sa kasalukuyan, ang isa sa mga pinaka mahusay na komersyal na modelo ay ang PC25 Model C fuel cell. Tulad ng modelong "A", ito ay isang ganap na awtomatikong fuel cell ng uri ng PAFC na may lakas na 200 kW, na idinisenyo upang direktang mai-install sa serviced object bilang isang malayang pinagmumulan ng init at kuryente. Maaaring mai-install ang naturang fuel cell sa labas ng gusali. Sa panlabas, ito ay isang parallelepiped na 5.5 m ang haba, 3 m ang lapad at 3 m ang taas, na tumitimbang ng 18,140 kg. Ang pagkakaiba sa mga nakaraang modelo ay isang pinahusay na reformer at isang mas mataas na kasalukuyang density.
| Talahanayan 1 Saklaw ng mga fuel cell |
|||||||||||||||
|
Sa ilang uri ng fuel cell, ang proseso ng kemikal ay maaaring baligtarin: sa pamamagitan ng paglalapat ng potensyal na pagkakaiba sa mga electrodes, ang tubig ay maaaring mabulok sa hydrogen at oxygen, na nakolekta sa mga porous na electrodes. Kapag nakakonekta ang isang load, ang naturang regenerative fuel cell ay magsisimulang makabuo ng elektrikal na enerhiya.
Ang isang promising na direksyon para sa paggamit ng mga fuel cell ay ang kanilang paggamit kasabay ng renewable energy sources, tulad ng mga photovoltaic panel o wind turbine. Ang teknolohiyang ito ay nagpapahintulot sa iyo na ganap na maiwasan ang polusyon sa hangin. Ang isang katulad na sistema ay binalak na gawin, halimbawa, sa Adam Joseph Lewis Training Center sa Oberlin (tingnan ang ABOK, 2002, No. 5, p. 10). Sa kasalukuyan, ginagamit ang mga solar panel bilang isa sa mga pinagkukunan ng enerhiya sa gusaling ito. Kasama ang mga espesyalista sa NASA, isang proyekto ang binuo upang gumamit ng mga photovoltaic panel upang makagawa ng hydrogen at oxygen mula sa tubig sa pamamagitan ng electrolysis. Pagkatapos ay ginagamit ang hydrogen sa mga fuel cell upang makabuo ng kuryente at mainit na tubig. Papayagan nito ang gusali na mapanatili ang pagganap ng lahat ng mga sistema sa maulap na araw at sa gabi.
Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng mga cell ng gasolina
Isaalang-alang natin ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng fuel cell gamit ang pinakasimpleng elemento na may proton exchange membrane (Proton Exchange Membrane, PEM) bilang isang halimbawa. Ang nasabing elemento ay binubuo ng isang polymer membrane na inilagay sa pagitan ng anode (positive electrode) at ng cathode (negative electrode) kasama ng anode at cathode catalysts. Ang isang polymer membrane ay ginagamit bilang electrolyte. Ang diagram ng elemento ng PEM ay ipinapakita sa fig. 5.
Ang proton exchange membrane (PEM) ay isang manipis (humigit-kumulang 2-7 sheet ng plain paper makapal) solid organic compound. Ang lamad na ito ay gumaganap bilang isang electrolyte: pinaghihiwalay nito ang bagay sa positibo at negatibong sisingilin na mga ion sa pagkakaroon ng tubig.
Ang isang proseso ng oxidative ay nangyayari sa anode, at isang proseso ng pagbabawas ay nangyayari sa katod. Ang anode at cathode sa PEM cell ay gawa sa isang porous na materyal, na pinaghalong mga particle ng carbon at platinum. Ang Platinum ay gumaganap bilang isang katalista na nagtataguyod ng reaksyon ng dissociation. Ang anode at cathode ay ginawang buhaghag para sa libreng pagpasa ng hydrogen at oxygen sa pamamagitan ng mga ito, ayon sa pagkakabanggit.
Ang anode at cathode ay inilalagay sa pagitan ng dalawang metal plate, na nagbibigay ng hydrogen at oxygen sa anode at cathode, at nag-aalis ng init at tubig, pati na rin ang elektrikal na enerhiya.
Ang mga molekula ng hydrogen ay dumadaan sa mga channel sa plato patungo sa anode, kung saan ang mga molekula ay nabubulok sa mga indibidwal na atomo (Larawan 6).
Larawan 5 () Schematic diagram ng isang proton exchange membrane (PEM) fuel cell |
|
Larawan 6 () Ang mga molekula ng hydrogen sa pamamagitan ng mga channel sa plato ay pumapasok sa anode, kung saan ang mga molekula ay nabubulok sa mga indibidwal na atomo |
|
Larawan 7 () Bilang resulta ng chemisorption sa pagkakaroon ng isang katalista, ang mga atomo ng hydrogen ay na-convert sa mga proton |
|
Larawan 8 () Ang mga positibong sisingilin na mga hydrogen ions ay nagkakalat sa lamad patungo sa katod, at ang daloy ng elektron ay nakadirekta sa katod sa pamamagitan ng isang panlabas na de-koryenteng circuit kung saan ang load ay konektado. |
|
Larawan 9 () Ang oxygen na ibinibigay sa cathode, sa pagkakaroon ng isang katalista, ay pumapasok sa isang kemikal na reaksyon na may mga hydrogen ions mula sa proton-exchange membrane at mga electron mula sa panlabas na electrical circuit. Ang tubig ay nabuo bilang isang resulta ng isang kemikal na reaksyon |
Pagkatapos, bilang isang resulta ng chemisorption sa pagkakaroon ng isang katalista, ang mga atomo ng hydrogen, bawat isa ay nag-donate ng isang elektron e - , ay na-convert sa mga positibong sisingilin na hydrogen ions H +, ibig sabihin, mga proton (Larawan 7).
Ang mga positibong sisingilin na hydrogen ions (protons) ay nagkakalat sa lamad patungo sa katod, at ang daloy ng elektron ay nakadirekta sa katod sa pamamagitan ng isang panlabas na de-koryenteng circuit kung saan ang load (consumer ng elektrikal na enerhiya) ay konektado (Fig. 8).
Ang oxygen na ibinibigay sa katod, sa pagkakaroon ng isang katalista, ay pumapasok sa isang kemikal na reaksyon na may hydrogen ions (protons) mula sa proton exchange membrane at mga electron mula sa panlabas na electrical circuit (Larawan 9). Bilang resulta ng isang kemikal na reaksyon, nabuo ang tubig.
Ang kemikal na reaksyon sa isang fuel cell ng iba pang mga uri (halimbawa, na may acidic electrolyte, na isang solusyon ng phosphoric acid H 3 PO 4) ay ganap na magkapareho sa kemikal na reaksyon sa isang fuel cell na may proton exchange membrane.
Sa anumang fuel cell, ang bahagi ng enerhiya ng isang kemikal na reaksyon ay inilabas bilang init.
Ang daloy ng mga electron sa isang panlabas na circuit ay isang direktang kasalukuyang na ginagamit upang gumawa ng trabaho. Ang pagbubukas ng panlabas na circuit o pagpapahinto sa paggalaw ng mga hydrogen ions ay humihinto sa kemikal na reaksyon.
Ang halaga ng elektrikal na enerhiya na ginawa ng isang fuel cell ay depende sa uri ng fuel cell, geometric na sukat, temperatura, presyon ng gas. Ang isang solong fuel cell ay nagbibigay ng isang EMF na mas mababa sa 1.16 V. Posibleng dagdagan ang laki ng mga fuel cell, ngunit sa pagsasagawa ng ilang mga cell ay ginagamit, na konektado sa mga baterya (Fig. 10).
Fuel cell device
Isaalang-alang natin ang fuel cell device sa halimbawa ng PC25 Model C model. Ang scheme ng fuel cell ay ipinapakita sa fig. labing-isa.
Ang fuel cell na "PC25 Model C" ay binubuo ng tatlong pangunahing bahagi: ang fuel processor, ang aktwal na power generation section at ang voltage converter.
Ang pangunahing bahagi ng fuel cell - ang power generation section - ay isang stack na binubuo ng 256 indibidwal na fuel cell. Ang komposisyon ng mga electrodes ng fuel cell ay may kasamang platinum catalyst. Sa pamamagitan ng mga cell na ito, ang direktang electric current na 1,400 amperes ay nabuo sa boltahe na 155 volts. Ang mga sukat ng baterya ay humigit-kumulang 2.9 m ang haba at 0.9 m ang lapad at taas.
Dahil ang proseso ng electrochemical ay nagaganap sa temperatura na 177 ° C, kinakailangan na painitin ang baterya sa oras ng pagsisimula at alisin ang init mula dito sa panahon ng operasyon. Upang gawin ito, ang fuel cell ay may kasamang isang hiwalay na circuit ng tubig, at ang baterya ay nilagyan ng mga espesyal na cooling plate.
Pinapayagan ka ng processor ng gasolina na i-convert ang natural na gas sa hydrogen, na kinakailangan para sa isang electrochemical reaction. Ang prosesong ito ay tinatawag na reporma. Ang pangunahing elemento ng processor ng gasolina ay ang repormador. Sa reformer, ang natural na gas (o ibang hydrogen-containing fuel) ay tumutugon sa singaw sa mataas na temperatura (900 °C) at mataas na presyon sa pagkakaroon ng nickel catalyst. Ang mga sumusunod na reaksiyong kemikal ay nagaganap:
CH 4 (methane) + H 2 O 3H 2 + CO
(reaksyon endothermic, na may pagsipsip ng init);
CO + H 2 O H 2 + CO 2
(ang reaksyon ay exothermic, na may paglabas ng init).
Ang pangkalahatang reaksyon ay ipinahayag ng equation:
CH 4 (methane) + 2H 2 O 4H 2 + CO 2
(reaksyon na endothermic, na may pagsipsip ng init).
Upang maibigay ang mataas na temperatura na kinakailangan para sa natural na conversion ng gas, ang isang bahagi ng ginastos na gasolina mula sa fuel cell stack ay idinidirekta sa isang burner na nagpapanatili ng reformer sa kinakailangang temperatura.
Ang singaw na kinakailangan para sa reporma ay nabuo mula sa condensate na nabuo sa panahon ng pagpapatakbo ng fuel cell. Sa kasong ito, ang init na inalis mula sa fuel cell stack ay ginagamit (Fig. 12).
Ang fuel cell stack ay bumubuo ng isang paulit-ulit na direktang kasalukuyang, na kung saan ay nailalarawan sa pamamagitan ng mababang boltahe at mataas na kasalukuyang. Ang isang boltahe converter ay ginagamit upang i-convert ito sa pang-industriya na pamantayang AC. Bilang karagdagan, ang boltahe converter unit ay may kasamang iba't ibang mga control device at safety interlock circuits na nagpapahintulot sa fuel cell na patayin sa kaganapan ng iba't ibang mga pagkabigo.
Sa naturang fuel cell, humigit-kumulang 40% ng enerhiya sa gasolina ay maaaring ma-convert sa elektrikal na enerhiya. Humigit-kumulang sa parehong halaga, mga 40% ng enerhiya ng gasolina, ay maaaring ma-convert sa thermal energy, na pagkatapos ay ginagamit bilang isang pinagmumulan ng init para sa pagpainit, supply ng mainit na tubig at mga katulad na layunin. Kaya, ang kabuuang kahusayan ng naturang halaman ay maaaring umabot sa 80%.
Ang isang mahalagang bentahe ng naturang pinagmumulan ng init at kuryente ay ang posibilidad ng awtomatikong operasyon nito. Para sa pagpapanatili, ang mga may-ari ng pasilidad kung saan naka-install ang fuel cell ay hindi kailangang mapanatili ang mga espesyal na sinanay na tauhan - ang pana-panahong pagpapanatili ay maaaring isagawa ng mga empleyado ng operating organization.
Mga uri ng fuel cell
Sa kasalukuyan, maraming uri ng mga fuel cell ang kilala, na naiiba sa komposisyon ng electrolyte na ginamit. Ang sumusunod na apat na uri ay pinakalaganap (Talahanayan 2):
1. Fuel cell na may proton exchange membrane (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC).
2. Fuel cell batay sa orthophosphoric (phosphoric) acid (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC).
3. Fuel cell batay sa molten carbonate (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).
4. Solid oxide fuel cells (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC). Sa kasalukuyan, ang pinakamalaking fleet ng mga fuel cell ay itinayo batay sa teknolohiya ng PAFC.
Ang isa sa mga pangunahing katangian ng iba't ibang uri ng mga fuel cell ay ang operating temperatura. Sa maraming paraan, ang temperatura ang tumutukoy sa saklaw ng mga fuel cell. Halimbawa, ang mataas na temperatura ay kritikal para sa mga laptop, kaya ang proton exchange membrane fuel cells na may mababang operating temperature ay ginagawa para sa market segment na ito.
Para sa autonomous power supply ng mga gusali, ang mga fuel cell na may mataas na naka-install na kapasidad ay kinakailangan, at sa parehong oras posible na gumamit ng thermal energy, samakatuwid, ang mga fuel cell ng iba pang mga uri ay maaari ding gamitin para sa mga layuning ito.
Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC)
Ang mga fuel cell na ito ay gumagana sa medyo mababa ang operating temperature (60-160°C). Ang mga ito ay nailalarawan sa pamamagitan ng mataas na density ng kapangyarihan, nagbibigay-daan sa iyo upang mabilis na ayusin ang kapangyarihan ng output, at maaaring mabilis na i-on. Ang kawalan ng ganitong uri ng mga elemento ay ang mataas na mga kinakailangan para sa kalidad ng gasolina, dahil ang kontaminadong gasolina ay maaaring makapinsala sa lamad. Ang nominal na kapangyarihan ng mga fuel cell ng ganitong uri ay 1-100 kW.
Ang Proton exchange membrane fuel cells ay orihinal na binuo ng General Electric Corporation noong 1960s para sa NASA. Ang ganitong uri ng fuel cell ay gumagamit ng solid state polymer electrolyte na tinatawag na Proton Exchange Membrane (PEM). Ang mga proton ay maaaring lumipat sa lamad ng palitan ng proton, ngunit ang mga electron ay hindi maaaring dumaan dito, na nagreresulta sa isang potensyal na pagkakaiba sa pagitan ng katod at anode. Dahil sa kanilang pagiging simple at pagiging maaasahan, ang mga naturang fuel cell ay ginamit bilang pinagmumulan ng kuryente sa Gemini manned spacecraft.
Ang ganitong uri ng fuel cell ay ginagamit bilang pinagmumulan ng kuryente para sa malawak na hanay ng iba't ibang device, kabilang ang mga prototype at prototype, mula sa mga mobile phone hanggang sa mga bus at nakatigil na power system. Ang mababang temperatura ng pagpapatakbo ay nagpapahintulot sa mga naturang cell na magamit upang paganahin ang iba't ibang uri ng mga kumplikadong elektronikong aparato. Hindi gaanong mahusay ang kanilang paggamit bilang pinagmumulan ng init at suplay ng kuryente para sa mga pampubliko at pang-industriyang gusali, kung saan nangangailangan ng malaking halaga ng thermal energy. Kasabay nito, ang mga naturang elemento ay nangangako bilang isang autonomous na mapagkukunan ng suplay ng kuryente para sa maliliit na gusali ng tirahan tulad ng mga cottage na itinayo sa mga rehiyon na may mainit na klima.
| talahanayan 2 Mga uri ng fuel cell |
||||||||||||||||||||
|
Phosphoric Acid Fuel Cells (PAFC)
Ang mga pagsubok sa mga fuel cell ng ganitong uri ay naisagawa na noong unang bahagi ng 1970s. Saklaw ng temperatura ng pagpapatakbo - 150-200 °C. Ang pangunahing lugar ng aplikasyon ay ang mga autonomous na mapagkukunan ng init at power supply ng medium power (mga 200 kW).
Ang electrolyte na ginagamit sa mga fuel cell na ito ay isang solusyon ng phosphoric acid. Ang mga electrodes ay gawa sa papel na pinahiran ng carbon, kung saan ang isang platinum catalyst ay dispersed.
Ang electrical efficiency ng PAFC fuel cells ay 37-42%. Gayunpaman, dahil ang mga fuel cell na ito ay nagpapatakbo sa isang sapat na mataas na temperatura, posibleng gamitin ang singaw na nabuo bilang resulta ng operasyon. Sa kasong ito, ang pangkalahatang kahusayan ay maaaring umabot sa 80%.
Upang makabuo ng enerhiya, ang feedstock na naglalaman ng hydrogen ay dapat ma-convert sa purong hydrogen sa pamamagitan ng proseso ng reporma. Halimbawa, kung ang gasolina ay ginagamit bilang panggatong, kung gayon ang mga sulfur compound ay dapat alisin, dahil ang sulfur ay maaaring makapinsala sa platinum catalyst.
Ang mga fuel cell ng PAFC ay ang unang komersyal na fuel cell na nabigyang-katwiran sa ekonomiya. Ang pinakakaraniwang modelo ay ang 200 kW PC25 fuel cell na ginawa ng ONSI Corporation (ngayon ay United Technologies, Inc.) (Fig. 13). Halimbawa, ginagamit ang mga elementong ito bilang pinagmumulan ng init at kuryente sa isang istasyon ng pulisya sa Central Park ng New York o bilang karagdagang pinagkukunan ng enerhiya para sa Conde Nast Building at Four Times Square. Ang pinakamalaking planta ng ganitong uri ay sinusuri bilang isang 11 MW power plant na matatagpuan sa Japan.
Ang mga fuel cell na nakabatay sa phosphoric acid ay ginagamit din bilang pinagkukunan ng enerhiya sa mga sasakyan. Halimbawa, noong 1994, ang H-Power Corp., Georgetown University, at ang US Department of Energy ay nilagyan ng bus na may 50 kW power plant.
Mga Molten Carbonate Fuel Cells (MCFC)
Ang mga fuel cell ng ganitong uri ay gumagana sa napakataas na temperatura - 600-700 °C. Ang mga operating temperatura na ito ay nagpapahintulot sa gasolina na magamit nang direkta sa cell mismo, nang hindi nangangailangan ng isang hiwalay na reformer. Ang prosesong ito ay tinatawag na "internal na reporma". Pinapayagan nitong makabuluhang gawing simple ang disenyo ng fuel cell.
Ang mga cell ng gasolina batay sa molten carbonate ay nangangailangan ng isang makabuluhang oras ng pagsisimula at hindi pinapayagan na mabilis na ayusin ang output power, kaya ang kanilang pangunahing lugar ng aplikasyon ay malalaking nakatigil na pinagmumulan ng init at kuryente. Gayunpaman, ang mga ito ay nakikilala sa pamamagitan ng mataas na kahusayan sa conversion ng gasolina - 60% na kahusayan ng kuryente at hanggang sa 85% na pangkalahatang kahusayan.
Sa ganitong uri ng fuel cell, ang electrolyte ay binubuo ng potassium carbonate at lithium carbonate salts na pinainit sa humigit-kumulang 650 °C. Sa ilalim ng mga kondisyong ito, ang mga asing-gamot ay nasa isang tunaw na estado, na bumubuo ng isang electrolyte. Sa anode, ang hydrogen ay nakikipag-ugnayan sa CO 3 ions, na bumubuo ng tubig, carbon dioxide at naglalabas ng mga electron na ipinadala sa panlabas na circuit, at sa cathode, ang oxygen ay nakikipag-ugnayan sa carbon dioxide at mga electron mula sa panlabas na circuit, muling bumubuo ng CO 3 ions.
Ang mga sample ng laboratoryo ng mga fuel cell ng ganitong uri ay nilikha noong huling bahagi ng 1950s ng mga Dutch scientist na sina G. H. J. Broers at J. A. A. Ketelaar. Noong 1960s, ang inhinyero na si Francis T. Bacon, isang inapo ng isang sikat na manunulat at siyentipikong Ingles noong ika-17 siglo, ay nagtrabaho sa mga elementong ito, kaya naman ang mga MCFC fuel cell ay minsang tinutukoy bilang mga elemento ng Bacon. Ang mga programang Apollo, Apollo-Soyuz, at Scylab ng NASA ay gumamit lamang ng mga fuel cell bilang pinagmumulan ng kuryente (Larawan 14). Sa parehong mga taon, sinubukan ng departamento ng militar ng US ang ilang mga sample ng MCFC fuel cell na ginawa ng Texas Instruments, kung saan ginamit ang mga grade ng gasolina ng hukbo bilang gasolina. Noong kalagitnaan ng 1970s, nagsimulang magsaliksik ang Kagawaran ng Enerhiya ng US upang bumuo ng isang nakatigil na molten carbonate fuel cell na angkop para sa mga praktikal na aplikasyon. Noong 1990s, ang isang bilang ng mga komersyal na yunit na may rating na hanggang 250 kW ay inilagay sa operasyon, tulad ng sa US Naval Air Station Miramar sa California. Noong 1996, ang FuelCell Energy, Inc. nagtalaga ng 2 MW pre-series plant sa Santa Clara, California.
Solid state oxide fuel cells (SOFC)
Ang solid-state oxide fuel cells ay simple sa disenyo at gumagana sa napakataas na temperatura - 700-1000 °C. Ang ganitong mataas na temperatura ay nagpapahintulot sa paggamit ng medyo "marumi", hindi nilinis na gasolina. Ang parehong mga tampok tulad ng sa mga cell ng gasolina batay sa molten carbonate ay tumutukoy sa isang katulad na lugar ng aplikasyon - malalaking nakatigil na mapagkukunan ng init at kuryente.
Ang mga solid oxide fuel cell ay may istrukturang naiiba sa mga fuel cell batay sa mga teknolohiya ng PAFC at MCFC. Ang anode, cathode at electrolyte ay gawa sa mga espesyal na grado ng keramika. Kadalasan, ang pinaghalong zirconium oxide at calcium oxide ay ginagamit bilang electrolyte, ngunit maaaring gamitin ang iba pang mga oxide. Ang electrolyte ay bumubuo ng isang kristal na sala-sala na pinahiran sa magkabilang panig na may isang buhaghag na materyal na elektrod. Sa istruktura, ang mga naturang elemento ay ginawa sa anyo ng mga tubo o flat board, na ginagawang posible na gumamit ng mga teknolohiyang malawakang ginagamit sa industriya ng electronics sa kanilang paggawa. Bilang resulta, ang mga solid-state oxide fuel cell ay maaaring gumana sa napakataas na temperatura, upang magamit ang mga ito upang makagawa ng parehong elektrikal at thermal energy.
Sa mataas na temperatura ng pagpapatakbo, ang mga oxygen ions ay nabuo sa katod, na lumilipat sa pamamagitan ng kristal na sala-sala patungo sa anode, kung saan sila ay nakikipag-ugnayan sa mga hydrogen ions, na bumubuo ng tubig at naglalabas ng mga libreng electron. Sa kasong ito, ang hydrogen ay inilabas mula sa natural na gas nang direkta sa cell, ibig sabihin, hindi na kailangan ng isang hiwalay na reformer.
Ang mga teoretikal na pundasyon para sa paglikha ng solid-state oxide fuel cells ay inilatag noong huling bahagi ng 1930s, nang ang mga Swiss scientist na sina Bauer (Emil Bauer) at Preis (H. Preis) ay nag-eksperimento sa zirconium, yttrium, cerium, lanthanum at tungsten, gamit ang mga ito. bilang electrolytes.
Ang mga unang prototype ng naturang mga fuel cell ay nilikha noong huling bahagi ng 1950s ng isang bilang ng mga kumpanyang Amerikano at Dutch. Karamihan sa mga kumpanyang ito sa lalong madaling panahon ay inabandona ang karagdagang pananaliksik dahil sa mga paghihirap sa teknolohiya, ngunit isa sa kanila, ang Westinghouse Electric Corp. (ngayon ay "Siemens Westinghouse Power Corporation"), nagpatuloy sa trabaho. Ang kumpanya ay kasalukuyang tumatanggap ng mga pre-order para sa isang komersyal na modelo ng tubular topology solid oxide fuel cell na inaasahan sa taong ito (Figure 15). Ang segment ng merkado ng naturang mga elemento ay mga nakatigil na pag-install para sa produksyon ng init at electric energy na may kapasidad na 250 kW hanggang 5 MW.
Ang mga cell ng gasolina ng uri ng SOFC ay nagpakita ng napakataas na pagiging maaasahan. Halimbawa, ang isang prototype ng fuel cell ng Siemens Westinghouse ay nag-log ng 16,600 oras at patuloy na gumagana, na ginagawa itong pinakamahabang patuloy na buhay ng fuel cell sa mundo.
Ang mataas na temperatura, mataas na presyon ng operating mode ng SOFC fuel cell ay nagbibigay-daan sa paglikha ng mga hybrid na halaman, kung saan ang mga fuel cell emissions ay nagtutulak ng mga gas turbine na ginagamit upang makabuo ng kuryente. Ang unang naturang hybrid na planta ay gumagana sa Irvine, California. Ang na-rate na kapangyarihan ng planta na ito ay 220 kW, kung saan 200 kW mula sa fuel cell at 20 kW mula sa microturbine generator.
