Πηγή ενέργειας κυψελών καυσίμου υδρογόνου. Κυψέλη καυσίμου
Το κείμενο της εργασίας αναρτάται χωρίς εικόνες και τύπους.
Πλήρη έκδοσηη εργασία είναι διαθέσιμη στην καρτέλα "Αρχεία εργασίας" σε μορφή PDF
Οι αυξανόμενες ανάγκες κατανάλωσης ενέργειας απαιτούν αναζήτηση των υποσχόμενων πηγών της. Στην επίλυση αυτού ΠροβλήματαΟι τρέχουσες πηγές που ονομάζονται κυψέλες καυσίμου μπορούν να παίξουν σημαντικό ρόλο.
Ο σκοπός αυτού του έργου- Έχοντας εξοικειωθεί με τις αρχές λειτουργίας των κυψελών καυσίμου, παράγετε ένα μοντέλο λειτουργίας αυτού του τύπου πηγής ηλεκτρικής ενέργειας. Εργασία: έχοντας μελετήσει θεωρητικό υλικό για τα βασικά της λειτουργίας των κυψελών καυσίμου και εξοικείωση με υπάρχοντες τύπουςαπό αυτές τις τρέχουσες πηγές, παράγουν ένα λειτουργικό πρωτότυπο μοντέλο του στοιχείου. Αυτή η πηγή ρεύματος επιλέχθηκε επειδή μετατρέπει απευθείας την ενέργεια καυσίμου σε ηλεκτρική ενέργεια χωρίς τη χρήση διαφόρων ενδιάμεσων συσκευών.
Υπόθεση -την ικανότητα να αναπτύσσει ανεξάρτητα και να δημιουργεί ένα πρωτότυπο μοντέλο κυψέλης καυσίμου. Αντικείμενο μελέτης: τρέχουσες πηγές - κυψέλες καυσίμου. Αντικείμενο μελέτης- τεχνικό και Ηλεκτρικά Χαρακτηριστικάαυτές τις τρέχουσες πηγές. Ερευνητικές μέθοδοι- μελέτη του απαραίτητου θεωρητικού υλικού, εκτέλεση πειραμάτων για τη δημιουργία της δικής σας λειτουργικής κυψέλης καυσίμου για κυψέλη καυσίμου υδρογόνου-οξυγόνου με αλκαλικό ηλεκτρολύτη και δοκιμή της λειτουργίας της προκύπτουσας πηγής ρεύματος. Πρακτική σημασία και συνάφειαΤα έργα είναι αναμφισβήτητα πολύ ενδιαφέροντα και πολλά υποσχόμενα λόγω του γεγονότος ότι μετατρέπουν τη χημική ενέργεια του καυσίμου απευθείας σε ηλεκτρική ενέργεια, θερμότητα και νερό. Έτσι, είναι εξαιρετικά αποδοτικά, αθόρυβα, μη ρυπογόνα και επομένως έχουν περιβαλλοντικά οφέλη.
Καινοτομίαέργο: δημιουργία της δικής σας αποδοτικής κυψέλης καυσίμου για μια κυψέλη καυσίμου υδρογόνου-οξυγόνου με αλκαλικό ηλεκτρολύτη (ο συγγραφέας χρησιμοποίησε μια πλάκα μικροκαναλιού ως μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων και μονοκρυστάλλους σε σχήμα βελόνας οξειδίου του μολυβδαινίου με χρυσό ως χωρίς πλατίνα καταλύτης).
2. Θεωρητικό μέρος.
2.1. Κυψέλες καυσίμου
Κυψέλη καυσίμου - μια συσκευή που παράγει αποτελεσματικά συνεχές ρεύμα και θερμότητα από καύσιμο πλούσιο σε υδρογόνο μέσω ηλεκτροχημικής αντίδρασης.
Μια κυψέλη καυσίμου (FC) είναι παρόμοια με μια μπαταρία στο ότι παράγει συνεχές ρεύμα μέσω μιας χημικής αντίδρασης. Όπως μια μπαταρία, έχει μια άνοδο, μια κάθοδο και έναν ηλεκτρολύτη. Ωστόσο, σε αντίθεση με τις μπαταρίες, οι κυψέλες καυσίμου δεν μπορούν να αποθηκεύσουν ηλεκτρική ενέργεια και δεν εκφορτίζονται ή απαιτούν ηλεκτρική ενέργεια για να επαναφορτιστούν. Οι κυψέλες καυσίμου μπορούν να παράγουν συνεχώς ηλεκτρική ενέργεια, εφόσον έχουν τροφοδοσία καυσίμου και αέρα.
Παρά το γεγονός ότι οι πρώτες κυψέλες καυσίμου εμφανίστηκαν πριν από περισσότερα από 100 χρόνια, δεν έχει καταστεί ακόμη δυνατό να δημιουργηθεί μια «ιδανική» κυψέλη καυσίμου. Επί του παρόντος, οι υπάρχουσες κυψέλες καυσίμου κατασκευάζονται σύμφωνα με διάφορα σχήματα, λειτουργούν σε θερμοκρασίες από θερμοκρασία δωματίου έως αρκετές εκατοντάδες βαθμούς και χρησιμοποιούν υγρό ή αέριο καύσιμο. Το κοινό που έχουν όλα είναι ότι τόσο το καύσιμο όσο και το οξειδωτικό προμηθεύονται από εξωτερικές δεξαμενές. Έτσι, η ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που μπορεί να παράγει μια κυψέλη καυσίμου περιορίζεται μόνο από τη χωρητικότητα αυτών των εξωτερικών εγκαταστάσεων αποθήκευσης. Η χωρητικότητά τους μπορεί να είναι σχεδόν ατελείωτη.
Πλεονεκτήματα. Σε αντίθεση με τις παραδοσιακές βολταϊκές κυψέλες ή μπαταρίες, στις οποίες το καύσιμο και το οξειδωτικό αποθηκεύονται μέσα στο περίβλημα και δεν μπορούν να αντικατασταθούν ή να προστεθούν καθώς εξαντλούνται, ορισμένοι τύποι κυψελών καυσίμου μπορούν να χρησιμοποιηθούν αμέσως μετά την παροχή του καυσίμου και του οξειδωτικού (άλλοι τύποι απαιτούν προκαταρκτική διαδικασία εκκίνησης). Οι κυψέλες καυσίμου που χρησιμοποιούν υγρό καύσιμο έχουν σημαντικά υψηλότερη απόδοση σε σύγκριση με τους παραδοσιακούς κινητήρες που χρησιμοποιούν το ίδιο καύσιμο και συνδέονται με μια ηλεκτρική γεννήτρια. Μια κυψέλη καυσίμου μετατρέπει την αντίδραση οξείδωσης του καυσίμου απευθείας σε ηλεκτρική ενέργεια χωρίς ενδιάμεσες συσκευές.
Ελαττώματα. Αυτά περιλαμβάνουν το υψηλό κόστος των καταλυτών πλατίνας, οι οποίοι είναι υποχρεωτικοί αναπόσπαστο μέροςπολλών τύπων κυψελών καυσίμου. Η πιθανότητα μη αναστρέψιμης "δηλητηρίασης" ενός τέτοιου καταλύτη σε περίπτωση χρήσης καυσίμου με ρύπους. Και κατά συνέπεια, είτε πλήρης αλειτουργία της κυψέλης καυσίμου, είτε απώλεια ισχύος με ταυτόχρονη επιδείνωση της απόδοσης. Υπάρχει επίσης το πρόβλημα της ασφαλούς αποθήκευσης μεγάλων όγκων υδρογόνου στην περίπτωση κυψελών καυσίμου υδρογόνου-οξυγόνου. Το επόμενο μειονέκτημα είναι η αδυναμία των κυψελών καυσίμου να παρέχουν βραχυπρόθεσμη μέγιστη ισχύ. (Πρέπει να εγκαταστήσετε επιπλέον μπαταρίες παραδοσιακών σχεδίων).
Επί του παρόντος, βρίσκεται σε εξέλιξη έρευνα για αποτελεσματικούς καταλύτες χωρίς πλατίνα και μεμβράνες ανταλλαγής πρωτονίων, καθώς και για τη βελτιστοποίηση του σχεδιασμού των ηλεκτροδίων και τη βελτίωση των μεθόδων αποθήκευσης καυσίμου στην περίπτωση χρήσης κυψελών καυσίμου για Οχημα.
2. 2. Τύποι κυψελών καυσίμου
Ας δούμε μερικούς τύπους κυψελών καυσίμου. Σε αντίθεση με άλλες γεννήτριες ενέργειας, όπως οι κινητήρες εσωτερικής καύσης ή οι τουρμπίνες που τροφοδοτούνται από αέριο, άνθρακα, μαζούτ κ.λπ., οι κυψέλες καυσίμου δεν καίνε καύσιμο. Αυτό σημαίνει ότι δεν υπάρχουν θορυβώδεις ρότορες υψηλής πίεσης, χωρίς δυνατό θόρυβο εξάτμισης, χωρίς κραδασμούς. Οι κυψέλες καυσίμου παράγουν ηλεκτρική ενέργεια απευθείας μέσω μιας αθόρυβης ηλεκτροχημικής αντίδρασης. Τα μόνα προϊόντα εκπομπών κατά τη λειτουργία είναι το νερό με τη μορφή ατμού και μια μικρή ποσότητα διοξειδίου του άνθρακα, το οποίο δεν απελευθερώνεται καθόλου εάν χρησιμοποιείται καθαρό υδρογόνο ως καύσιμο. Τα FC συναρμολογούνται σε συγκροτήματα και στη συνέχεια σε ξεχωριστές λειτουργικές μονάδες. Υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί τύποι κυψελών καυσίμου, ο καθένας από τους οποίους χρησιμοποιεί διαφορετικές χημικές διεργασίες. Οι κυψέλες καυσίμου ταξινομούνται συνήθως ανάλογα με τις Θερμοκρασία λειτουργίαςΚαι τύπος ηλεκτρολύτηπου χρησιμοποιούν. Ορισμένοι τύποι κυψελών καυσίμου είναι κατάλληλοι για χρήση σε σταθερούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής, άλλοι για μικρές φορητές συσκευές ή για τροφοδοσία αυτοκινήτων κ.λπ.
Οι κυψέλες καυσίμου χωρίζονται σε υψηλής θερμοκρασίας και χαμηλής θερμοκρασίας.
Κυψέλες καυσίμου χαμηλής θερμοκρασίας απαιτούν σχετικά καθαρό υδρογόνο ως καύσιμο. Αυτό συχνά σημαίνει ότι απαιτείται επεξεργασία καυσίμου για τη μετατροπή του πρωτογενούς καυσίμου (όπως το φυσικό αέριο) σε καθαρό υδρογόνο. Αυτή η διαδικασία καταναλώνει πρόσθετη ενέργεια και απαιτεί ειδικό εξοπλισμό.
Κυψέλες καυσίμου υψηλής θερμοκρασίας δεν χρειάζονται αυτή την πρόσθετη διαδικασία καθώς μπορούν να πραγματοποιήσουν την «εσωτερική μετατροπή» του καυσίμου σε υψηλές θερμοκρασίες, που σημαίνει ότι δεν χρειάζεται να επενδύσουν σε υποδομές υδρογόνου .
2.2.1. Κυψέλη καυσίμου με μεμβράνη ανταλλαγής πολυμερών
Η κυψέλη καυσίμου με μεμβράνη ανταλλαγής πολυμερών (PEMFC) είναι μία από τις πολλά υποσχόμενες τεχνολογίες κυψελών καυσίμου. Αυτό αποτελείται:
1. Ανοδος- αρνητικός ακροδέκτης της κυψέλης καυσίμου. Αγάγει ηλεκτρόνια, τα οποία απελευθερώνονται από μόρια υδρογόνου, μετά τα οποία τα ηλεκτρόνια χρησιμοποιούνται σε ένα εξωτερικό κύκλωμα. Διαθέτει χαραγμένα κανάλια μέσω των οποίων το αέριο υδρογόνο κατανέμεται ομοιόμορφα στην επιφάνεια του καταλύτη.
2.Κάθοδος- θετικός ακροδέκτης της κυψέλης καυσίμου, διαθέτει επίσης κανάλια για τη διανομή οξυγόνου στην επιφάνεια του καταλύτη. Μεταφέρει επίσης τα ηλεκτρόνια πίσω από το εξωτερικό κύκλωμα του καταλύτη, όπου μπορούν να συνδυαστούν με ιόντα υδρογόνου και οξυγόνου για να σχηματίσουν νερό.
3.Μεμβράνη ανταλλαγής ηλεκτρολύτη - πρωτονίων. Αυτό είναι ένα ειδικά επεξεργασμένο υλικό που άγει μόνο θετικά φορτισμένα ιόντα και μπλοκάρει τα ηλεκτρόνια. Με το PEMFC, η μεμβράνη πρέπει να ενυδατώνεται για να λειτουργεί σωστά και να παραμένει σταθερή.
4. Καταλύτηςείναι ένα ειδικό υλικό που προάγει την αντίδραση οξυγόνου και υδρογόνου. Συνήθως κατασκευάζεται από νανοσωματίδια πλατίνας που εφαρμόζονται σε χαρτί άνθρακα ή ύφασμα. Ο καταλύτης έχει δομή επιφάνειας τέτοιας ώστε η μέγιστη επιφάνεια της πλατίνας να μπορεί να εκτεθεί σε υδρογόνο ή οξυγόνο.
Η αντίδραση σε μία κυψέλη καυσίμου παράγει μόνο περίπου 0,7 V. Για να αυξηθεί η τάση, πρέπει να συνδυαστούν πολλές μεμονωμένες κυψέλες καυσίμου.
2.2.2. Κυψέλη καυσίμου υδρογόνου-οξυγόνου
Αυτή είναι μια πηγή χημικού ρεύματος στην οποία δραστικές ουσίες τροφοδοτούνται συνεχώς από το εξωτερικό στη ζώνη ηλεκτροχημικής αντίδρασης. Ρύζι. 1.Λειτουργεί σε κανονικές ή ελαφρώς αυξημένες θερμοκρασίες χρησιμοποιώντας υδατικούς ηλεκτρολύτες. Στοιχεία αυτού του τύπου χαρακτηρίζονται από την παρουσία πορωδών ηλεκτροδίων κατασκευασμένων από κατάλληλα ηλεκτρικά αγώγιμα υλικά (άνθρακας, νικέλιο κ.λπ.), τα οποία είναι μερικώς εμποτισμένα με ηλεκτρολύτη, αλλά διατηρούν τη διαπερατότητα των αερίων. Επί εσωτερική επιφάνειαστους πόρους όπου εισέρχονται ενεργά αέρια (υδρογόνο και οξυγόνο), συμβαίνουν διεργασίες ηλεκτροδίων, οι οποίες συνίστανται στη μετάβαση των προσροφημένων αερίων σε ιοντική κατάσταση και αποτελούν την πηγή της ηλεκτροκινητικής δύναμης του στοιχείου.
Κύριο πλεονέκτηματης προτεινόμενης κυψέλης καυσίμου υδρογόνου-οξυγόνου είναι ότι ο βαθμός εμποτισμού των ηλεκτροδίων που δημιουργούνται στην αρχή (κατά την κατασκευή του στοιχείου) παραμένει σχεδόν σταθερός, αφού δεν λαμβάνει χώρα περαιτέρω αυθόρμητος εμποτισμός των ηλεκτροδίων από τον παχυνόμενο ηλεκτρολύτη. Ή αυτό συμβαίνει μόνο σε μικρό βαθμό, γεγονός που καθορίζει την υψηλή σταθερότητα των ηλεκτροδίων. Το προϊόν λειτουργεί χωρίς αυξημένη πίεση αερίου.
ΜειονέκτημαΤα ηλεκτρόδια που λειτουργούν χωρίς αυξημένη πίεση αερίου είναι μια σημαντικά χαμηλότερη πυκνότητα ρεύματος που μπορούν να αντέξουν τέτοια ηλεκτρόδια.
Ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά σε μια κυψέλη καυσίμου υδρογόνου-οξυγόνου με υδατικό ηλεκτρολύτη και πορώδη ηλεκτρόδια από νικέλιο, άνθρακα ή άλλο ηλεκτρικά αγώγιμο υλικό, που λειτουργεί χωρίς τη χρήση υπερπίεσηπαρεχόμενο αέριο (ιδίως αέρας). Το TE διαφέρει στο ότι, προκειμένου να αποφευχθεί η σταδιακή διαβροχή των ηλεκτροδίων, καθώς και να αυξηθεί η σταθερότητα και το μέγεθος του ρεύματος εκφόρτισης, ο ηλεκτρολύτης χρησιμοποιείται σε παχύρρευστη κατάσταση. Οι πλάκες ηλεκτροδίων και των δύο πολικοτήτων (ή μιας από αυτές - κυρίως θετικές) αποτελούνται από μεγάλος αριθμόςστενές λεπτές πλάκες που βρίσκονται παράλληλα μεταξύ τους και κάθετες στο επίπεδο της πλάκας του ηλεκτροδίου. Διαχωρίζονται σε μέρη με λεπτά πορώδη παρεμβύσματα εμποτισμένα με ηλεκτρολύτη και τα υπόλοιπα με αέριο (υδρογόνο για το αρνητικό ηλεκτρόδιο και οξυγόνο ή αέρα για το θετικό ηλεκτρόδιο).
Μια κυψέλη οξυγόνου-υδρογόνου με αλκαλικό ηλεκτρολύτη είναι μια από τις πιο υποσχόμενες σύγχρονες κυψέλες καυσίμου. Του πλεονεκτήματασυνίστανται στη σχετική απλότητα του σχεδιασμού, στον υψηλό βαθμό αξιοπιστίας, στην ικανότητα χρήσης αερίων χωρίς ειδικό καθαρισμό και σε χαμηλή μερική πίεση, συμπεριλαμβανομένης της χρήσης ατμοσφαιρικού οξυγόνου. Επιπλέον, αυτό το στοιχείο διατηρεί τα πλεονεκτήματα των καλύτερων κυψελών καυσίμου άλλων συστημάτων: συνεχής λειτουργία για σχετικά μεγάλο χρονικό διάστημα, απουσία επιβλαβών εκπομπών, υψηλή χρήση δραστικών ουσιών, σταθερότητα τάσης.
2.2.3. Αλκαλικές κυψέλες καυσίμου (ALFC)
Οι αλκαλικές κυψέλες καυσίμου (AFC) είναι μια από τις πιο μελετημένες τεχνολογίες, που χρησιμοποιείται από τα μέσα της δεκαετίας του 1960. από τη NASA στα προγράμματα Apollo και Space Shuttle. Σε αυτά τα διαστημόπλοια, οι κυψέλες καυσίμου παράγουν ηλεκτρική ενέργεια και πόσιμο νερό. Οι αλκαλικές κυψέλες καυσίμου είναι από τις περισσότερες αποτελεσματικά στοιχεία, που χρησιμοποιείται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, η απόδοση της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας φτάνει το 70%.
Οι αλκαλικές κυψέλες καυσίμου χρησιμοποιούν έναν ηλεκτρολύτη, δηλ. διάλυμα νερούυδροξείδιο του καλίου που περιέχεται σε μια πορώδη σταθεροποιημένη μήτρα. Η συγκέντρωση υδροξειδίου του καλίου μπορεί να ποικίλλει ανάλογα με τη θερμοκρασία λειτουργίας της κυψέλης καυσίμου, η οποία κυμαίνεται από 65°C έως 220°C. Ο φορέας φορτίου στο SHTE είναι το ιόν υδροξυλίου (OH -), που κινείται από την κάθοδο προς την άνοδο, όπου αντιδρά με το υδρογόνο, παράγοντας νερό και ηλεκτρόνια. Το νερό που παράγεται στην άνοδο κινείται πίσω στην κάθοδο, δημιουργώντας και πάλι ιόντα υδροξυλίου εκεί. Ως αποτέλεσμα αυτής της σειράς αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα στην κυψέλη καυσίμου, παράγεται ηλεκτρισμός και, ως υποπροϊόν, θερμότητα:
Αντίδραση στην άνοδο: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e - Αντίδραση στην κάθοδο: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4OH - Γενική αντίδραση του συστήματος: 2H 2 + O 2 => 2H 2 Ο.
Το πλεονέκτημα των SHTE είναι ότι είναι φθηνότερα στην παραγωγή τους, αφού η τιμή των καταλυτών τους είναι χαμηλότερη. Επιπλέον, οι SHFC λειτουργούν σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες και είναι από τις πιο αποδοτικές κυψέλες καυσίμου.
Ενας από ιδιαίτερα χαρακτηριστικά SHTE - υψηλή ευαισθησία στο CO 2, το οποίο μπορεί να περιέχεται στο καύσιμο ή στον αέρα. Το CO 2 αντιδρά με τον ηλεκτρολύτη, τον δηλητηριάζει γρήγορα και μειώνει σημαντικά την απόδοση των κυψελών καυσίμου. Επομένως, η χρήση του SHTE περιορίζεται σε κλειστούς χώρους, όπως διαστημικά και υποβρύχια οχήματα, πρέπει να λειτουργούν με καθαρό υδρογόνο και οξυγόνο. Επιπλέον, μόρια όπως το CO, το H 2 O και το CH 4, τα οποία είναι ασφαλή για άλλες κυψέλες καυσίμου και για μερικά από αυτά είναι ακόμη και καύσιμα, είναι επιβλαβή για το SHFC.
3. Πειραματικό μέρος
Για τη διεξαγωγή των πειραμάτων, αποφασίστηκε να κατασκευαστεί ένα μοντέλο εργασίας κυψέλης καυσίμου υδρογόνου-οξυγόνου με αλκαλικό ηλεκτρολύτη (διάλυμα ΚΟΗ). Δεδομένου ότι η λειτουργία ενός τέτοιου στοιχείου απαιτεί υδρογόνο και αέρια οξυγόνου, ήταν επίσης απαραίτητο να κατασκευαστεί μια συσκευή για τη συνεχή παραγωγή τους - ένας ηλεκτρολύτης. Λόγω του γεγονότος ότι η κυψέλη θερμαίνεται κατά τη λειτουργία, ο ηλεκτρολύτης συμπληρώθηκε με ψυγείο αερίου με βάση ένα θερμοηλεκτρικό ψυγείο που βασίζεται σε στοιχείο Peltier. Ο ηλεκτρολύτης θερμαίνεται επίσης σε θερμοκρασία 35 - 40 °C.
3.1. Κατασκευή της κυψέλης καυσίμου
Η κυψέλη καυσίμου είναι μια δομή σάντουιτς τριών στρωμάτων. Με πλευρές 8 x 8 cm και πάχος 7 mm. Η βάση του σχεδιασμού της πλάκας είναι κατασκευασμένη από διαφανές πολυανθρακικό. Το σχήμα 2 δείχνει μια όψη της πλευρικής πλάκας. Ορατά είναι τα εξαρτήματα για την παροχή αερίου, η ηλεκτρική επαφή και οι βίδες που σφίγγουν τη δομή σε ένα ενιαίο σύνολο. Το σχήμα 3 δείχνει μια όψη της κυψέλης καυσίμου από την ακραία επιφάνεια.
Στο κεντρικό τμήμα υπάρχει ένα στρογγυλό παράθυρο στο οποίο είναι κολλημένη μια μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων. Ως μεμβράνη χρησιμοποιήθηκε μια πλάκα μικροκαναλιού. Ο ηλεκτρολύτης, ένα διάλυμα ΚΟΗ 5%, συγκρατείται καλά στα κανάλια της μεμβράνης λόγω των τριχοειδών δυνάμεων. Ένας μεγάλος αριθμός οπών μεγέθους μικρού εξασφαλίζει την ανεμπόδιστη μεταφορά πρωτονίων μέσω της πλάκας, η οποία είναι ένας διηλεκτρικός μονωτήρας. Είναι χημικά αδρανές έναντι του καυστικού καλίου ΚΟΗ. Η εμφάνιση του κεντρικού τμήματος με μια πλάκα μικροκαναλιού φαίνεται στο Σχήμα 4.
Το φύλλο αλουμινίου είναι κολλημένο στις πλευρές της κυψέλης καυσίμου, το οποίο χρησιμεύει ως ηλεκτρική επαφή για τα ηλεκτρόδια. Τα ηλεκτρόδια είναι δίσκοι από τσόχα άνθρακα. Η τσόχα άνθρακα ικανοποιεί τις βασικές απαιτήσεις για την επιτυχή λειτουργία μιας κυψέλης καυσίμου, δηλαδή υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα, πορώδες της δομής για τη διέλευση αερίου και ανάπτυξη επιφάνειας για αποτελεσματική λειτουργία του καταλύτη, καθώς και χημική αδράνεια ως προς τον ηλεκτρολύτη ΚΟΗ . Υπάρχουν δύο πλαϊνά μέρη. Η εμφάνιση της πλάκας φαίνεται στο σχήμα 5.
Κατά μήκος της περιμέτρου, η κυψέλη καυσίμου συναρμολογείται σε μια ενιαία συσκευασία χρησιμοποιώντας 9 βίδες. Τα πλαϊνά μέρη διαθέτουν εξαρτήματα για την παροχή και την αφαίρεση αερίου.
3.2. Κατασκευή ηλεκτρολύτη για συνεχή παραγωγή υδρογόνου και οξυγόνου
Το κύριο μέρος του ηλεκτρολύτη είναι ένας γυάλινος σωλήνας σχήματος U γεμάτος με διάλυμα ΚΟΗ 10%. Το υδρογόνο και το οξυγόνο παράγονται από την αποσύνθεση του απεσταγμένου νερού υπό την επίδραση ηλεκτρικού ρεύματος. Τα ηλεκτρόδια περνούν μέσω των άνω ελαστικών βυσμάτων που εισάγονται στους ανοιχτούς αγκώνες του σωλήνα. Εξωτερική άποψη ενός πλήρως συναρμολογημένου ηλεκτρόλυσης, με μια κυψέλη καυσίμου συνδεδεμένη σε αυτό - Εικ. 6. Τα αέρια που παράγονται κατά τη λειτουργία αφαιρούνται μέσω ενός συστήματος σωλήνων που συνδέονται με άνω μέρηγυάλινο σωλήνα. Λόγω του γεγονότος ότι το απεσταγμένο νερό έχει σημαντική αντίσταση και ο ρυθμός αποσύνθεσής του θα είναι ασήμαντος, προστίθεται ένα αλκάλιο στο νερό - καυστικό κάλιο KOH. Η αντίσταση μειώνεται απότομα, η ισχύς του ρεύματος αυξάνεται και, κατά συνέπεια, ο ρυθμός αποσύνθεσης του νερού σε υδρογόνο και οξυγόνο. Για χημική αντοχή, τα ηλεκτρόδια που βυθίζονται στο διάλυμα είναι κατασκευασμένα από νικέλιο.
Κατά τη λειτουργία, η στάθμη του ηλεκτρολύτη μειώνεται λόγω της αποσύνθεσης του νερού και πρέπει να ανέβει στο επίπεδο με την προσθήκη νέων μερίδων νερού. Σε αυτή την περίπτωση, το αλκάλιο δεν καταναλώνεται. Για να αναπληρώσετε τη στάθμη του νερού χωρίς να αποσυμπιέσετε τον ηλεκτρολύτη, μια σύριγγα με νερό συνδέεται σε ένα από τα επάνω ελαστικά βύσματα. Σε μία ώρα λειτουργίας του ηλεκτρολύτη σε τάση 14 V και ρεύμα 2 Α, σχηματίζονται περίπου 120 cm 3 H 2 και 60 cm 3 O 2. Ο ρυθμός παραγωγής αερίου είναι επαρκής για τη διεξαγωγή του πειράματος. Επίσης, δεδομένης της εκρηκτικότητας του μείγματος Η 2 και Ο 2, ο ρυθμός παραγωγής τους είναι ανεπαρκής για το σχηματισμό εκρηκτικών αερίων στο δωμάτιο. Το υδρογόνο και το οξυγόνο εισέρχονται το καθένα από τις δικές τους γραμμές, συνδυάζοντας μόνο μέσα στην κυψέλη καυσίμου. Η ροή των αερίων μπορεί να κατευθύνεται απευθείας στην κυψέλη καυσίμου ή να αποθηκευτεί σε σύριγγες με όγκο 60 cm 3 συνδεδεμένες με τις γραμμές. Σε αυτή την περίπτωση, η ροή των αερίων προς την κυψέλη εμποδίζεται από σφιγκτήρες κυλίνδρων.
Όλα τα κύρια στοιχεία του ηλεκτρολύτη είναι τοποθετημένα σε γενική βάση χρησιμοποιώντας συνδέσμους και σφιγκτήρες. Η πηγή ρεύματος είναι ένα ρυθμιζόμενο εργαστηριακό τροφοδοτικό. Το υδρογόνο και το οξυγόνο που παράγονται κατά τη διαδικασία της αποσύνθεσης περνούν μέσα από ένα ψυγείο χρησιμοποιώντας ένα στοιχείο Peltier. Ο ψύκτης είναι στην πραγματικότητα ένα στοιχείο Peltier, στην ψυχρή διασταύρωση του οποίου τοποθετείται μια πλάκα αλουμινίου με χάλκινους σωλήνες για τη ροή αερίου χρησιμοποιώντας θερμοαγώγιμη πάστα KPT-8. Ο ρυθμός ροής αερίου είναι χαμηλός. Επομένως, το αέριο έχει χρόνο να κρυώσει σε θερμοκρασία +10 °C στην έξοδο, σε θερμοκρασία +20 °C στην είσοδο. Η θερμή διασταύρωση ψύχεται από ένα θερμαντικό σώμα χάλκινης πλάκας με εξαναγκασμένη ροή αέρα. Το ψυγείο στερεώνεται επίσης στη θερμή διασταύρωση του στοιχείου Peltier χρησιμοποιώντας θερμοαγώγιμη πάστα KPT-8. Εικ.7.
Έτσι, τα αέρια προψύχονται, γεγονός που αυξάνει την πυκνότητά τους και καθιστά δυνατή τη χρήση της κυψέλης χωρίς να ληφθούν μέτρα για να εξαναγκαστεί να κρυώσει. Κατά τη διαδικασία παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, το στοιχείο υπόκειται σε αυτοθέρμανση ως αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης του υδρογόνου με το οξυγόνο. Όταν η κυψέλη λειτουργεί, παράγεται ηλεκτρισμός και παράγεται νερό. Αυτή η διαδικασία είναι ουσιαστικά η καύση υδρογόνου σε μια ατμόσφαιρα οξυγόνου. Επομένως, η θέρμανση της κυψέλης είναι φυσιολογική. Η κατανάλωση ρεύματος 5 Α είναι το άθροισμα του ρεύματος που καταναλώνεται από τον ηλεκτρόλυση, το στοιχείο Peltier και τον ανεμιστήρα που ψύχει τη θερμή διασταύρωση του στοιχείου Peltier.
Για να επιβεβαιωθεί η απόδοση της κυψέλης καυσίμου όταν χρησιμοποιούνται ως καταλύτης μονοκρυστάλλοι οξειδίου του μολυβδαινίου σε σχήμα βελόνας που ενεργοποιούνται με χρυσό, πραγματοποιήθηκε ένα πείραμα με κυψέλη χωρίς καταλύτες. Σκοπός: μέτρηση του EMF της κυψέλης. Μετά τη σύνδεση του συναρμολογημένου στοιχείου με τον ηλεκτρολύτη, διατηρήθηκε σε ροή αερίου για 15 λεπτά για να εξασφαλιστεί η απομάκρυνση των ατμοσφαιρικών αερίων από τα πορώδη ηλεκτρόδια. Πριν από το πείραμα, το κελί αποσυναρμολογήθηκε. Η μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων υγράνθηκε με διάλυμα ηλεκτρολύτη - διάλυμα ΚΟΗ 5%. Η μέγιστη τιμή EMF που ελήφθη: 15,5 mV. Εκείνοι. χωρίς καταλύτες, τα H 2 και O 2 αλληλεπιδρούν, αλλά ελάχιστα.
Στο επόμενο πείραμα, ένα στρώμα καταλύτη αποτελούμενο από μονοκρυστάλλους οξειδίου του μολυβδαινίου σε σχήμα βελόνας εμποτισμένο με χρυσό εναποτέθηκε στα ακραία μέρη των ηλεκτροδίων από πορώδη άνθρακα. Το κελί αποσυναρμολογήθηκε για το σκοπό αυτό. Ο καταλύτης εφαρμόστηκε και στα δύο ηλεκτρόδια. Ο θρυμματισμένος καταλύτης (Εικ. 8) χύθηκε στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου και κατανεμήθηκε ομοιόμορφα. Ήταν στο μέρος του ηλεκτροδίου που βλέπει στην επίστρωση αλουμινίου. Το στοιχείο συναρμολογήθηκε και συνδέθηκε με τον ηλεκτρολύτη. Την κράτησαν σε ροή αερίων για 15 λεπτά. Μέγιστη τιμή EMF σε περίπτωση χρήσης καταλυτών: 600 mV. Εκείνοι. ο καταλύτης αύξησε σημαντικά την ποσότητα υδρογόνου και οξυγόνου που αντιδρούν μεταξύ τους. (Τα πιο γνωστά σχέδια παρόμοιων κυψελών καυσίμου με αλκαλικό ηλεκτρολύτη και καταλύτες με βάση την πλατίνα έχουν emf ελαφρώς μεγαλύτερο από 1 V.)
4. Συμπέρασμα
Αποτελέσματα έργου: 1. Μελέτη θεωρητική βάσηλειτουργία κυψελών καυσίμου υδρογόνου-οξυγόνου με αλκαλικό ηλεκτρολύτη. 2. Κατασκευάστηκε ένα λειτουργικό αποσυναρμολογούμενο μοντέλο κυψέλης καυσίμου με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων από πλάκα μικροκαναλιού και πορώδη ηλεκτρόδια άνθρακα. 3. Ένας ηλεκτρολύτης κατασκευάστηκε για την παραγωγή υδρογόνου και οξυγόνου. 4. Πραγματοποιήθηκε πείραμα στις αποτελεσματική εφαρμογήως καταλύτης χωρίς πλατίνα για μονοκρυστάλλους σε σχήμα βελόνας MoO 3 με χρυσό.
5. Λογοτεχνία
1. «Yusti E., Vinzel A. Fuel στοιχεία. - Μ.: Μιρ, 1964. - 305 σελ.
2 http vezdehod-strannik.ru
3. http://att-vesti.neva.ru/J33-2.HTM
4. V.N. Varypaev, M.A. Ντασογιάν. Πηγές χημικού ρεύματος: - M.: Mir, 1990. - 240 γ.
5. https://postnauka.ru/faq/59642#!
6. Εφαρμογές
Ρύζι. 1 - Διεργασίες που συμβαίνουν κατά τη λειτουργία της κυψέλης καυσίμου
Ρύζι. 2 - Κυψέλη καυσίμου. Ρύζι. 3 - Άποψη από την τελική επιφάνεια
Ρύζι. 4 - Κεντρική τομή με μεμβράνη Εικ. 5 - Πλαϊνό κάλυμμα.
Ρύζι. 7 - Θερμοηλεκτρικό ψυγείο με βάση ένα στοιχείο Peltier
Ρύζι. 8 α - Καταλύτης (οξείδιο του μολυβδαινίου MoO 3 ) μεγέθυνση 400 φορές. β - εικόνα σε μικροσκόπιο ατομικής δύναμης (Κέντρο Συλλογικής Χρήσης, Κρατικό Πανεπιστήμιο Βόρειας Οσετίας)
Κυψέλη καυσίμου- τι είναι; Πότε και πώς εμφανίστηκε; Γιατί χρειάζεται και γιατί μιλούν για αυτά τόσο συχνά στις μέρες μας; Ποιες είναι οι εφαρμογές, τα χαρακτηριστικά και οι ιδιότητές του; Η ασταμάτητη πρόοδος απαιτεί απαντήσεις σε όλα αυτά τα ερωτήματα!
Τι είναι μια κυψέλη καυσίμου;
Κυψέλη καυσίμου- είναι μια χημική πηγή ρεύματος ή ηλεκτροχημική γεννήτρια, είναι μια συσκευή για τη μετατροπή της χημικής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια. Στη σύγχρονη ζωή, οι πηγές χημικού ρεύματος χρησιμοποιούνται παντού και είναι μπαταρίες για κινητά τηλέφωνα, φορητούς υπολογιστές, PDA, καθώς και μπαταρίες σε αυτοκίνητα, πηγές ενέργειας αδιάκοπη παροχή ενέργειαςκαι ούτω καθεξής. Το επόμενο στάδιο στην ανάπτυξη αυτής της περιοχής θα είναι η ευρεία διανομή των κυψελών καυσίμου και αυτό είναι ένα αδιαμφισβήτητο γεγονός.
Ιστορία των κυψελών καυσίμου
Η ιστορία των κυψελών καυσίμου είναι μια άλλη ιστορία για το πώς οι ιδιότητες της ύλης, μόλις ανακαλύφθηκαν στη Γη, βρήκαν ευρεία εφαρμογή μακριά στο διάστημα και στο γύρισμα της χιλιετίας επέστρεψαν από τον ουρανό στη Γη.
Όλα ξεκίνησαν το 1839, όταν ο Γερμανός χημικός Christian Schönbein δημοσίευσε τις αρχές της κυψέλης καυσίμου στο Philosophical Journal. Την ίδια χρονιά, ένας Άγγλος και απόφοιτος της Οξφόρδης, ο William Robert Grove, σχεδίασε μια γαλβανική κυψέλη, η οποία αργότερα ονομάστηκε γαλβανική κυψέλη Grove, η οποία αναγνωρίζεται επίσης ως η πρώτη κυψέλη καυσίμου. Το όνομα "κυψέλη καυσίμου" δόθηκε στην εφεύρεση το έτος της επετείου της - το 1889. Οι Ludwig Mond και Karl Langer είναι οι συγγραφείς του όρου.
Λίγο νωρίτερα, το 1874, ο Ιούλιος Βερν, στο μυθιστόρημά του The Mysterious Island, προέβλεψε την τρέχουσα ενεργειακή κατάσταση, γράφοντας ότι «το νερό θα χρησιμοποιηθεί μια μέρα ως καύσιμο, το υδρογόνο και το οξυγόνο από τα οποία αποτελείται θα χρησιμοποιηθούν».
Εν τω μεταξύ, νέα τεχνολογίαΗ παροχή ρεύματος βελτιώθηκε σταδιακά και ξεκινώντας από τη δεκαετία του '50 του 20ού αιώνα, δεν πέρασε ούτε ένας χρόνος χωρίς ανακοινώσεις για τις τελευταίες εφευρέσεις σε αυτόν τον τομέα. Το 1958, το πρώτο τρακτέρ που κινούνταν με κυψέλες καυσίμου εμφανίστηκε στις Ηνωμένες Πολιτείες, το 1959. κυκλοφόρησε τροφοδοτικό 5 kW για μηχανή συγκόλλησης κ.λπ. Στη δεκαετία του '70, η τεχνολογία υδρογόνου απογειώθηκε στο διάστημα: εμφανίστηκαν αεροπλάνα και κινητήρες πυραύλων που κινούνταν με υδρογόνο. Στη δεκαετία του '60, η RSC Energia ανέπτυξε κυψέλες καυσίμου για το σοβιετικό σεληνιακό πρόγραμμα. Το πρόγραμμα Buran δεν μπορούσε επίσης χωρίς αυτά: αναπτύχθηκαν αλκαλικές κυψέλες καυσίμου 10 kW. Και προς το τέλος του αιώνα, οι κυψέλες καυσίμου διέσχισαν μηδενικό υψόμετρο πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας - με βάση αυτές, παροχή ηλεκτρικού ρεύματοςΓερμανικό υποβρύχιο. Επιστρέφοντας στη Γη, η πρώτη ατμομηχανή τέθηκε σε λειτουργία στις Ηνωμένες Πολιτείες το 2009. Φυσικά, στις κυψέλες καυσίμου.
Σε όλη την υπέροχη ιστορία των κυψελών καυσίμου, το ενδιαφέρον είναι ότι ο τροχός εξακολουθεί να παραμένει μια εφεύρεση της ανθρωπότητας που δεν έχει ανάλογα στη φύση. Το γεγονός είναι ότι στο σχεδιασμό και την αρχή της λειτουργίας τους, οι κυψέλες καυσίμου είναι παρόμοιες με μια βιολογική κυψέλη, η οποία, στην ουσία, είναι μια μικροσκοπική κυψέλη καυσίμου υδρογόνου-οξυγόνου. Ως αποτέλεσμα, ο άνθρωπος για άλλη μια φορά εφηύρε κάτι που η φύση χρησιμοποιεί εδώ και εκατομμύρια χρόνια.
Αρχή λειτουργίας κυψελών καυσίμου
Η αρχή λειτουργίας των κυψελών καυσίμου είναι προφανής ακόμη και από σχολικό πρόγραμμα σπουδώνστη χημεία και ήταν ακριβώς αυτό που καθορίστηκε στα πειράματα του William Grove το 1839. Το θέμα είναι ότι η διαδικασία της ηλεκτρόλυσης του νερού (διάσταση νερού) είναι αναστρέψιμη.Όπως είναι αλήθεια ότι όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα περνά μέσα από το νερό, το τελευταίο χωρίζεται σε υδρογόνο και οξυγόνο, έτσι ισχύει και το αντίστροφο: το υδρογόνο και το οξυγόνο μπορούν να συνδυαστούν για να παράγουν νερό και ηλεκτρισμό. Στο πείραμα του Γκρόουβ, δύο ηλεκτρόδια τοποθετήθηκαν σε ένα θάλαμο στον οποίο τροφοδοτήθηκαν περιορισμένα τμήματα καθαρού υδρογόνου και οξυγόνου υπό πίεση. Λόγω των μικρών όγκων αερίου, καθώς και λόγω των χημικών ιδιοτήτων των ηλεκτροδίων άνθρακα, υπήρχε αργή απόκρισημε την απελευθέρωση θερμότητας, νερού και, κυρίως, το σχηματισμό διαφοράς δυναμικού μεταξύ των ηλεκτροδίων.
Η απλούστερη κυψέλη καυσίμου αποτελείται από μια ειδική μεμβράνη που χρησιμοποιείται ως ηλεκτρολύτης, και στις δύο πλευρές της οποίας εφαρμόζονται ηλεκτρόδια σε σκόνη. Το υδρογόνο πηγαίνει στη μία πλευρά (άνοδος) και το οξυγόνο (αέρας) πηγαίνει στην άλλη (κάθοδος). Σε κάθε ηλεκτρόδιο συμβαίνουν διαφορετικές χημικές αντιδράσεις. Στην άνοδο, το υδρογόνο διασπάται σε ένα μείγμα πρωτονίων και ηλεκτρονίων. Σε ορισμένες κυψέλες καυσίμου, τα ηλεκτρόδια περιβάλλονται από έναν καταλύτη, συνήθως κατασκευασμένο από πλατίνα ή άλλα ευγενή μέταλλα, που προάγει την αντίδραση διάστασης:
2H 2 → 4H + + 4e -
όπου το Η 2 είναι ένα διατομικό μόριο υδρογόνου (η μορφή στην οποία το υδρογόνο υπάρχει ως αέριο). Η+ - ιονισμένο υδρογόνο (πρωτόνιο); e - - ηλεκτρόνιο.
Στην πλευρά της καθόδου της κυψέλης καυσίμου, τα πρωτόνια (που έχουν περάσει από τον ηλεκτρολύτη) και τα ηλεκτρόνια (που έχουν περάσει από το εξωτερικό φορτίο) ανασυνδυάζονται και αντιδρούν με το οξυγόνο που παρέχεται στην κάθοδο για να σχηματίσουν νερό:
4H + + 4e - + O 2 → 2H 2 O
Ολική αντίδρασησε μια κυψέλη καυσίμου γράφεται ως εξής:
2H 2 + O 2 → 2H 2 O
Η λειτουργία μιας κυψέλης καυσίμου βασίζεται στο γεγονός ότι ο ηλεκτρολύτης επιτρέπει στα πρωτόνια να περάσουν μέσα από αυτό (προς την κάθοδο), αλλά τα ηλεκτρόνια όχι. Τα ηλεκτρόνια κινούνται προς την κάθοδο κατά μήκος ενός εξωτερικού αγώγιμου κυκλώματος. Αυτή η κίνηση των ηλεκτρονίων είναι ηλεκτρική ενέργεια, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την οδήγηση μιας εξωτερικής συσκευής συνδεδεμένης σε κυψέλη καυσίμου (ένα φορτίο, όπως ένας λαμπτήρας):
Οι κυψέλες καυσίμου χρησιμοποιούν καύσιμο υδρογόνο και οξυγόνο για να λειτουργήσουν. Ο ευκολότερος τρόπος είναι με το οξυγόνο - λαμβάνεται από τον αέρα. Το υδρογόνο μπορεί να τροφοδοτηθεί απευθείας από ένα συγκεκριμένο δοχείο ή με διαχωρισμό του εξωτερική πηγήκαύσιμο (φυσικό αέριο, βενζίνη ή μεθυλική αλκοόλη - μεθανόλη). Στην περίπτωση εξωτερικής πηγής, πρέπει να μετατραπεί χημικά για να εξαχθεί το υδρογόνο. Επί του παρόντος, οι περισσότερες τεχνολογίες κυψελών καυσίμου που αναπτύσσονται για φορητές συσκευές χρησιμοποιούν μεθανόλη.
Χαρακτηριστικά κυψελών καυσίμου
λειτουργούν μόνο εφόσον το καύσιμο και το οξειδωτικό προέρχονται από εξωτερική πηγή (δηλαδή δεν μπορούν να αποθηκεύσουν ηλεκτρική ενέργεια),
η χημική σύνθεση του ηλεκτρολύτη δεν αλλάζει κατά τη λειτουργία (η κυψέλη καυσίμου δεν χρειάζεται να επαναφορτιστεί),
είναι εντελώς ανεξάρτητα από την ηλεκτρική ενέργεια (ενώ οι συμβατικές μπαταρίες αποθηκεύουν ενέργεια από το δίκτυο).
Οι κυψέλες καυσίμου είναι ανάλογες με τις υπάρχουσες μπαταρίες με την έννοια ότι και στις δύο περιπτώσεις η ηλεκτρική ενέργεια λαμβάνεται από τη χημική ενέργεια. Υπάρχουν όμως και θεμελιώδεις διαφορές:
Κάθε κυψέλη καυσίμου δημιουργεί τάση 1V. Μεγαλύτερη τάση επιτυγχάνεται με τη σύνδεση τους σε σειρά. Η αύξηση της ισχύος (ρεύμα) πραγματοποιείται μέσω μιας παράλληλης σύνδεσης καταρράκτες κυψελών καυσίμου που συνδέονται σε σειρά.
Σε κυψέλες καυσίμου δεν υπάρχει αυστηρός περιορισμός στην αποτελεσματικότητα, όπως αυτή των θερμικών μηχανών (η απόδοση του κύκλου Carnot είναι η υψηλότερη δυνατή απόδοση μεταξύ όλων των θερμικών μηχανών με τις ίδιες ελάχιστες και μέγιστες θερμοκρασίες).
Υψηλής απόδοσηςεπιτυγχάνεται μέσω της άμεσης μετατροπής της ενέργειας καυσίμου σε ηλεκτρική. Όταν οι γεννήτριες ντίζελ καίνε πρώτα καύσιμο, ο ατμός ή το αέριο που προκύπτει περιστρέφει έναν στρόβιλο ή έναν άξονα κινητήρα εσωτερικής καύσης, ο οποίος με τη σειρά του περιστρέφει μια ηλεκτρική γεννήτρια. Το αποτέλεσμα είναι μια αποτελεσματικότητα 42%, αλλά πιο συχνά είναι περίπου 35-38%. Επιπλέον, λόγω των πολλών συνδέσμων, καθώς και λόγω των θερμοδυναμικών περιορισμών στη μέγιστη απόδοση των θερμικών μηχανών, η υπάρχουσα απόδοση είναι απίθανο να αυξηθεί υψηλότερα. Για υπάρχουσες κυψέλες καυσίμου Η απόδοση είναι 60-80%,
Αποδοτικότητα σχεδόν δεν εξαρτάται από τον συντελεστή φορτίου,
Η χωρητικότητα είναι αρκετές φορές υψηλότερηπαρά στις υπάρχουσες μπαταρίες,
Πλήρης χωρίς περιβαλλοντικά επιβλαβείς εκπομπές. Μόνο καθαροί υδρατμοί και θερμική ενέργεια απελευθερώνονται (σε αντίθεση με τις γεννήτριες ντίζελ, οι οποίες έχουν ρύπους περιβάλλονεξατμίσεις και απαιτείται η αφαίρεσή τους).
Τύποι κυψελών καυσίμου
Κυψέλες καυσίμου ταξινομημένοσύμφωνα με τα ακόλουθα χαρακτηριστικά:
ανάλογα με το καύσιμο που χρησιμοποιείται,
από την πίεση και τη θερμοκρασία λειτουργίας,
ανάλογα με τη φύση της αίτησης.
Γενικά διακρίνονται τα εξής: τύπους κυψελών καυσίμου:
Κυψέλες καυσίμου στερεού οξειδίου (SOFC);
Κυψέλη καυσίμου με κυψέλη καυσίμου με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (PEMFC).
Αναστρέψιμη κυψέλη καυσίμου (RFC);
Κυψέλη καυσίμου άμεσης μεθανόλης (DMFC);
Κυψέλες καυσίμου λιωμένου ανθρακικού (MCFC);
Κυψέλες καυσίμου φωσφορικού οξέος (PAFC);
Αλκαλικές κυψέλες καυσίμου (AFC).
Ένας τύπος κυψελών καυσίμου που λειτουργεί σε κανονικές θερμοκρασίες και πιέσεις χρησιμοποιώντας υδρογόνο και οξυγόνο είναι η κυψέλη μεμβράνης ανταλλαγής ιόντων. Το νερό που προκύπτει δεν διαλύει τον στερεό ηλεκτρολύτη, ρέει προς τα κάτω και αφαιρείται εύκολα.
Προβλήματα κυψελών καυσίμου
Το κύριο πρόβλημα των κυψελών καυσίμου σχετίζεται με την ανάγκη να υπάρχει «συσκευασμένο» υδρογόνο, το οποίο θα μπορούσε να αγοραστεί ελεύθερα. Προφανώς, το πρόβλημα θα πρέπει να λυθεί με την πάροδο του χρόνου, αλλά προς το παρόν η κατάσταση προκαλεί ένα ελαφρύ χαμόγελο: τι έρχεται πρώτο - το κοτόπουλο ή το αυγό; Οι κυψέλες καυσίμου δεν έχουν ακόμη αναπτυχθεί αρκετά για την κατασκευή εργοστασίων υδρογόνου, αλλά η πρόοδός τους είναι αδιανόητη χωρίς αυτά τα εργοστάσια. Εδώ σημειώνουμε το πρόβλημα της πηγής υδρογόνου. Επί του παρόντος, το υδρογόνο παράγεται από φυσικό αέριο, αλλά το αυξανόμενο κόστος ενέργειας θα αυξήσει επίσης την τιμή του υδρογόνου. Ταυτόχρονα, στο υδρογόνο από φυσικό αέριο είναι αναπόφευκτη η παρουσία CO και H 2 S (υδρόθειο) που δηλητηριάζουν τον καταλύτη.
Οι κοινοί καταλύτες πλατίνας χρησιμοποιούν ένα πολύ ακριβό και αναντικατάστατο μέταλλο - την πλατίνα. Ωστόσο, αυτό το πρόβλημα σχεδιάζεται να λυθεί με τη χρήση καταλυτών που βασίζονται σε ένζυμα, τα οποία είναι μια φθηνή και εύκολα παραγόμενη ουσία.
Η θερμότητα που παράγεται είναι επίσης ένα πρόβλημα. Η απόδοση θα αυξηθεί απότομα εάν η παραγόμενη θερμότητα κατευθυνθεί σε ένα χρήσιμο κανάλι - για παραγωγή θερμική ενέργειαγια συστήματα παροχής θερμότητας, που χρησιμοποιείται ως απορριπτόμενη θερμότητα στην απορρόφηση ψυκτικές μηχανέςκαι ούτω καθεξής.
Κυψέλες καυσίμου μεθανόλης (DMFC): Πραγματικές εφαρμογές
Το μεγαλύτερο πρακτικό ενδιαφέρον σήμερα είναι οι άμεσες κυψέλες καυσίμου με βάση τη μεθανόλη (Direct Methanol Fuel Cell, DMFC). Ο φορητός υπολογιστής Portege M100 που λειτουργεί με κυψέλη καυσίμου DMFC μοιάζει με αυτό:
Ένα τυπικό κύκλωμα κυψελών DMFC περιέχει, εκτός από την άνοδο, την κάθοδο και τη μεμβράνη, πολλά πρόσθετα εξαρτήματα: μια κασέτα καυσίμου, έναν αισθητήρα μεθανόλης, μια αντλία κυκλοφορίας καυσίμου, μια αντλία αέρα, έναν εναλλάκτη θερμότητας κ.λπ.
Ο χρόνος λειτουργίας, για παράδειγμα, ενός φορητού υπολογιστή σε σύγκριση με τις μπαταρίες σχεδιάζεται να αυξηθεί 4 φορές (έως 20 ώρες), ενός κινητού τηλεφώνου - έως 100 ώρες σε ενεργή λειτουργία και έως έξι μήνες σε κατάσταση αναμονής. Η επαναφόρτιση θα πραγματοποιηθεί με την προσθήκη μιας μερίδας υγρής μεθανόλης.
Το κύριο καθήκον είναι να βρείτε επιλογές για τη χρήση ενός διαλύματος μεθανόλης με την υψηλότερη συγκέντρωσή του. Το πρόβλημα είναι ότι η μεθανόλη είναι ένα αρκετά ισχυρό δηλητήριο, θανατηφόρο σε δόσεις πολλών δεκάδων γραμμαρίων. Όμως η συγκέντρωση της μεθανόλης επηρεάζει άμεσα τη διάρκεια λειτουργίας. Εάν προηγουμένως χρησιμοποιήθηκε διάλυμα μεθανόλης 3-10%, τότε έχουν ήδη εμφανιστεί κινητά τηλέφωνα και PDA που χρησιμοποιούν διάλυμα 50% και το 2008, σε εργαστηριακές συνθήκες, ειδικοί της MTI MicroFuel Cells και, λίγο αργότερα, η Toshiba απέκτησαν κυψέλες καυσίμου που λειτουργούσαν σε καθαρή μεθανόλη.
Οι κυψέλες καυσίμου είναι το μέλλον!
Τέλος, το προφανές μέλλον των κυψελών καυσίμου αποδεικνύεται από το γεγονός ότι ο διεθνής οργανισμός IEC (International Electrotechnical Commission), ο οποίος καθορίζει τα βιομηχανικά πρότυπα για ηλεκτρονικές συσκευές, έχει ήδη ανακοινώσει τη δημιουργία μιας ομάδας εργασίας για την ανάπτυξη ενός διεθνούς προτύπου για μικροσκοπικές κυψέλες καυσίμου. .
Καθολική πηγή ενέργειας για όλες τις βιοχημικές διεργασίες σε ζωντανούς οργανισμούς, ενώ ταυτόχρονα δημιουργεί μια διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού στην εσωτερική του μεμβράνη. Ωστόσο, η αντιγραφή αυτής της διαδικασίας για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας Βιομηχανική σκάλαδύσκολο, καθώς οι αντλίες πρωτονίων των μιτοχονδρίων είναι πρωτεϊνικής φύσης.
Συσκευή ΤΕ
Οι κυψέλες καυσίμου είναι ηλεκτροχημικές συσκευές που θεωρητικά μπορούν να έχουν υψηλό ρυθμό μετατροπής της χημικής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια.
Η αρχή του διαχωρισμού των ροών καυσίμου και οξειδωτικού
Συνήθως, οι κυψέλες καυσίμου χαμηλής θερμοκρασίας χρησιμοποιούν: υδρογόνο στην πλευρά της ανόδου και οξυγόνο στην πλευρά της καθόδου (κυψέλη υδρογόνου) ή μεθανόλη και ατμοσφαιρικό οξυγόνο. Σε αντίθεση με τις κυψέλες καυσίμου, τα βολταϊκά στοιχεία μιας χρήσης και οι μπαταρίες περιέχουν αναλώσιμα στερεά ή υγρά αντιδραστήρια, η μάζα των οποίων περιορίζεται από τον όγκο των μπαταριών και, όταν είναι ηλεκτρικά χημική αντίδρασησταματά, πρέπει να αντικατασταθούν με νέα ή να επαναφορτιστούν ηλεκτρικά για να ξεκινήσει μια αντίστροφη χημική αντίδραση, ή τουλάχιστον πρέπει να αντικατασταθούν με χρησιμοποιημένα ηλεκτρόδια και μολυσμένο ηλεκτρολύτη. Σε μια κυψέλη καυσίμου, τα αντιδραστήρια εισρέουν, τα προϊόντα της αντίδρασης ρέουν έξω και η αντίδραση μπορεί να συνεχιστεί όσο τα αντιδραστήρια εισέρχονται σε αυτήν και διατηρείται η αντιδραστικότητα των συστατικών της ίδιας της κυψέλης καυσίμου, που τις περισσότερες φορές καθορίζεται από τη «δηλητηρίασή» τους από -προϊόντα από ανεπαρκώς καθαρές πρώτες ύλες.
Παράδειγμα κυψέλης καυσίμου υδρογόνου-οξυγόνου
Μια μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (π.χ. "ηλεκτρολύτης πολυμερούς") κυψέλη καυσίμου υδρογόνου-οξυγόνου περιέχει μια μεμβράνη πολυμερούς αγώγιμου πρωτονίου που χωρίζει δύο ηλεκτρόδια, την άνοδο και την κάθοδο. Κάθε ηλεκτρόδιο είναι συνήθως μια πλάκα άνθρακα (μήτρα) επικαλυμμένη με έναν καταλύτη - πλατίνα ή ένα κράμα μετάλλων της ομάδας πλατίνας και άλλες συνθέσεις.
Οι κυψέλες καυσίμου δεν μπορούν να αποθηκεύσουν ηλεκτρική ενέργεια όπως οι γαλβανικές ή επαναφορτιζόμενες μπαταρίες, αλλά για ορισμένες εφαρμογές, όπως η λειτουργία μεμονωμένα από ηλεκτρικό σύστημαΟι σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής που χρησιμοποιούν διακοπτόμενες πηγές ενέργειας (ήλιος, άνεμος), μαζί με ηλεκτρολύτες, συμπιεστές και δεξαμενές αποθήκευσης καυσίμου (για παράδειγμα, φιάλες υδρογόνου) αποτελούν μια συσκευή αποθήκευσης ενέργειας.
Μεμβράνη
Η μεμβράνη επιτρέπει την αγωγή πρωτονίων, αλλά όχι ηλεκτρονίων. Μπορεί να είναι πολυμερές (Nafion, πολυβενζιμιδαζόλη κ.λπ.) ή κεραμικό (οξείδιο κ.λπ.). Ωστόσο, υπάρχουν κυψέλες καυσίμου χωρίς μεμβράνη.
Ανοδικά και καθοδικά υλικά και καταλύτες
Η άνοδος και η κάθοδος είναι συνήθως απλώς ένας αγώγιμος καταλύτης - πλατίνα που εναποτίθεται σε μια πολύ ανεπτυγμένη επιφάνεια άνθρακα.
Τύποι κυψελών καυσίμου
| Τύπος κυψέλης καυσίμου | Αντίδραση στην άνοδο | Ηλεκτρολύτης | Αντίδραση στην κάθοδο | Θερμοκρασία, °C |
|---|---|---|---|---|
| Αλκαλικό ΤΕ | 2H 2 + 4OH − → 2H 2 O + 4e − | διάλυμα ΚΟΗ | O 2 + 2H 2 O + 4e − → 4OH − | 200 |
| FC με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων | 2H 2 → 4H + + 4e − | Μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων | 80 | |
| Μεθανόλη ΤΕ | 2CH 3 OH + 2H 2 O → 2CO 2 + 12H + + 12e − | Μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων | 3O 2 + 12H + + 12e − → 6H 2 O | 60 |
| FC με βάση το ορθοφωσφορικό οξύ | 2H 2 → 4H + + 4e − | Διάλυμα φωσφορικού οξέος | O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O | 200 |
| Κυψέλες καυσίμου με βάση τηγμένο ανθρακικό | 2H 2 + 2CO 3 2− → 2H 2 O + 2CO 2 + 4e − | Λιωμένο ανθρακικό | O 2 + 2CO 2 + 4e − → 2CO 3 2− | 650 |
| Στερεό οξείδιο TE | 2H 2 + 2O 2 − → 2H 2 O + 4e − | Μίγμα οξειδίων | O 2 + 4e − → 2O 2 − | 1000 |
Ηλεκτροχημική γεννήτρια αέρα-αλουμινίου
Η ηλεκτροχημική γεννήτρια αλουμινίου-αέρα χρησιμοποιεί την οξείδωση του αλουμινίου με το ατμοσφαιρικό οξυγόνο για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Η αντίδραση που δημιουργεί ρεύμα σε αυτό μπορεί να αναπαρασταθεί ως
4 Al + 3 O 2 + 6 H 2 O ⟶ 4 Al (OH) 3 , (\style display (\ce (4 Al + 3 O_2 + 6 H_2O -> 4 Al(OH)_3,))) E = 2,71 V , (\displaystyle \quad E=2,71~(\text(V)),)και η αντίδραση διάβρωσης είναι πώς
2 Al + 6 H 2 O ⟶ 2 Al (OH) 3 + 3 H 2 ⋅ (\style display (\ce (2 Al + 6 H_2O -> 2 Al(OH)_3 + 3 H_2.)))Τα σοβαρά πλεονεκτήματα της ηλεκτροχημικής γεννήτριας αέρα-αλουμινίου είναι: υψηλή (έως 50%) απόδοση, απουσία επιβλαβών εκπομπών, ευκολία συντήρησης.
Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα
Πλεονεκτήματα των κυψελών καυσίμου υδρογόνου
Συμπαγείς διαστάσειςΟι κυψέλες καυσίμου είναι ελαφρύτερες και μικρότερες από τις παραδοσιακές πηγές ενέργειας. Οι κυψέλες καυσίμου παράγουν λιγότερο θόρυβο, λειτουργούν λιγότερη θερμότητα και είναι πιο αποδοτικές όσον αφορά την κατανάλωση καυσίμου. Αυτό γίνεται ιδιαίτερα σημαντικό σε στρατιωτικές εφαρμογές. Για παράδειγμα, ένας στρατιώτης του αμερικανικού στρατού φέρει 22 διαφορετικούς τύπους μπαταριών. [ ] Η μέση ισχύς της μπαταρίας είναι 20 watt. Η χρήση κυψελών καυσίμου θα μειώσει το κόστος εφοδιαστικής, θα μειώσει το βάρος και θα παρατείνει τη διάρκεια ζωής των συσκευών και του εξοπλισμού.
Προβλήματα κυψελών καυσίμου
Η εισαγωγή κυψελών καυσίμου στις μεταφορές παρεμποδίζεται από την έλλειψη υποδομής υδρογόνου. Υπάρχει ένα πρόβλημα «κοτόπουλου και αυγού» - γιατί να παράγουμε αυτοκίνητα υδρογόνου αν δεν υπάρχει υποδομή; Γιατί να κατασκευαστεί υποδομή υδρογόνου εάν δεν υπάρχει μεταφορά υδρογόνου;
Τα περισσότερα στοιχεία εκπέμπουν κάποια ποσότητα θερμότητας κατά τη λειτουργία. Αυτό απαιτεί τη δημιουργία πολύπλοκων τεχνικές συσκευέςγια ανάκτηση θερμότητας (ατμοστρόβιλοι κ.λπ.), καθώς και οργάνωση ροών καυσίμου και οξειδωτών, συστήματα ελέγχου απογείωσης ισχύος, ανθεκτικότητα μεμβράνης, δηλητηρίαση καταλυτών με ορισμένα υποπροϊόντα οξείδωσης καυσίμου και άλλες εργασίες. Αλλά ταυτόχρονα, η υψηλή θερμοκρασία της διαδικασίας επιτρέπει την παραγωγή θερμικής ενέργειας, η οποία αυξάνει σημαντικά την απόδοση του σταθμού παραγωγής ενέργειας.
Το πρόβλημα της δηλητηρίασης του καταλύτη και της αντοχής της μεμβράνης λύνεται με τη δημιουργία ενός στοιχείου με μηχανισμούς αυτοίασης - αναγέννηση ενζυμικών καταλυτών [ ] .
Οι κυψέλες καυσίμου, λόγω του χαμηλού ρυθμού των χημικών αντιδράσεων, έχουν σημαντική [ ] αδράνειας και για λειτουργία υπό συνθήκες αιχμής ή παλμικών φορτίων απαιτούν συγκεκριμένο απόθεμα ισχύος ή χρήση άλλων τεχνικών λύσεων (υπερπυκνωτές, μπαταρίες).
Υπάρχει επίσης το πρόβλημα της λήψης και αποθήκευσης υδρογόνου. Πρώτον, πρέπει να είναι αρκετά καθαρό ώστε να μην συμβαίνει ταχεία δηλητηρίαση του καταλύτη και δεύτερον, να είναι αρκετά φθηνό ώστε το κόστος του να είναι κερδοφόρο για τον τελικό χρήστη.
Από τα απλά χημικά στοιχεία, το υδρογόνο και ο άνθρακας είναι ακραίες τιμές. Το υδρογόνο έχει την υψηλότερη ειδική θερμότητα καύσης, αλλά πολύ χαμηλή πυκνότητα και υψηλή χημική αντιδραστικότητα. Ο άνθρακας έχει την υψηλότερη ειδική θερμότητα καύσης μεταξύ των στερεών στοιχείων, αρκετά υψηλής πυκνότητας, αλλά χαμηλή χημική δραστηριότητα λόγω ενέργειας ενεργοποίησης. Ο χρυσός μέσος είναι ένας υδατάνθρακας (ζάχαρη) ή τα παράγωγά του (αιθανόλη) ή υδρογονάνθρακες (υγρός και στερεός). Το εκλυόμενο διοξείδιο του άνθρακα πρέπει να συμμετέχει στον γενικό κύκλο αναπνοής του πλανήτη, χωρίς να υπερβαίνει τις μέγιστες επιτρεπόμενες συγκεντρώσεις.
Υπάρχουν πολλοί τρόποι παραγωγής υδρογόνου, αλλά επί του παρόντος περίπου το 50% του υδρογόνου που παράγεται παγκοσμίως προέρχεται από φυσικό αέριο. Όλες οι άλλες μέθοδοι εξακολουθούν να είναι πολύ ακριβές. Είναι προφανές ότι με μια σταθερή ισορροπία των φορέων πρωτογενούς ενέργειας, με την αυξανόμενη ζήτηση για υδρογόνο ως μαζικό καύσιμο και την ανάπτυξη της αντίστασης των καταναλωτών στη ρύπανση, η αύξηση της παραγωγής θα αυξηθεί ακριβώς λόγω αυτού του μεριδίου και με την ανάπτυξη υποδομών που επιτρέπουν εάν είναι διαθέσιμες, πιο ακριβές (αλλά πιο βολικές σε ορισμένες περιπτώσεις) μέθοδοι θα εξαφανιστούν. Άλλοι τρόποι με τους οποίους το υδρογόνο εμπλέκεται ως δευτερεύων ενεργειακός φορέας αναπόφευκτα εξισορροπούν τον ρόλο του από το καύσιμο σε ένα είδος χημικής μπαταρίας. Υπάρχει η άποψη ότι καθώς οι τιμές της ενέργειας αυξάνονται, το κόστος του υδρογόνου επίσης αναπόφευκτα αυξάνεται εξαιτίας αυτού. Όμως το κόστος της ενέργειας που παράγεται από ανανεώσιμες πηγές μειώνεται συνεχώς (βλ. Αιολική ενέργεια, παραγωγή υδρογόνου). Για παράδειγμα, μέση τιμήΗ ηλεκτρική ενέργεια στις ΗΠΑ αυξήθηκε σε 0,09 $ ανά kWh, ενώ το κόστος της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από αιολική ενέργεια είναι 0,04-0,07 $ (βλ. Αιολική ενέργεια ή AWEA). Στην Ιαπωνία, μια κιλοβατώρα ηλεκτρικής ενέργειας κοστίζει περίπου 0,2 δολάρια, το οποίο είναι συγκρίσιμο με το κόστος της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από φωτοβολταϊκά στοιχεία. Λαμβάνοντας υπόψη την εδαφική απόσταση ορισμένων υποσχόμενων περιοχών (για παράδειγμα, η απευθείας μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από φωτοβολταϊκούς σταθμούς από την Αφρική, μέσω καλωδίου, είναι σαφώς μάταιη, παρά το τεράστιο ενεργειακό δυναμικό του από αυτή την άποψη), ακόμη και η λειτουργία του υδρογόνου ως «χημική μπαταρία». μπορεί να είναι αρκετά κερδοφόρο. Σύμφωνα με στοιχεία του 2010, το κόστος της ενέργειας των κυψελών καυσίμου υδρογόνου πρέπει να οκταπλασιαστεί προκειμένου να γίνει ανταγωνιστικό με την ενέργεια που παράγεται από θερμικές και εργοστάσια πυρηνικής ενέργειας.
Δυστυχώς, το υδρογόνο που παράγεται από φυσικό αέριο θα περιέχει CO και υδρόθειο, τα οποία δηλητηριάζουν τον καταλύτη. Επομένως, για να μειωθεί η δηλητηρίαση από τον καταλύτη, είναι απαραίτητο να αυξηθεί η θερμοκρασία της κυψέλης καυσίμου. Ήδη σε θερμοκρασία 160 °C, μπορεί να υπάρχει 1% CO στο καύσιμο.
Τα μειονεκτήματα των κυψελών καυσίμου με καταλύτες πλατίνας περιλαμβάνουν το υψηλό κόστος της πλατίνας, τις δυσκολίες στον καθαρισμό του υδρογόνου από τις προαναφερθείσες ακαθαρσίες και, κατά συνέπεια, το υψηλό κόστος του αερίου και τον περιορισμένο πόρο του στοιχείου λόγω δηλητηρίασης του καταλύτης από ακαθαρσίες. Επιπλέον, η πλατίνα για τον καταλύτη είναι ένας μη ανανεώσιμος πόρος. Πιστεύεται ότι τα αποθέματά του θα είναι αρκετά για 15-20 χρόνια παραγωγής στοιχείων.
Τα ένζυμα διερευνώνται ως εναλλακτική λύση για τους καταλύτες πλατίνας. Τα ένζυμα είναι ανανεώσιμα υλικά, είναι φθηνά και δεν δηλητηριάζονται από τις κύριες ακαθαρσίες στα φθηνά καύσιμα. Έχουν συγκεκριμένα πλεονεκτήματα. Η έλλειψη ευαισθησίας των ενζύμων στο CO και στο υδρόθειο κατέστησε δυνατή τη λήψη υδρογόνου από βιολογικές πηγές, για παράδειγμα, κατά τη μετατροπή οργανικών αποβλήτων.
Ιστορία
Πρώτες ανακαλύψεις
Η αρχή της λειτουργίας των κυψελών καυσίμου ανακαλύφθηκε το 1839 από τον Άγγλο επιστήμονα W. Grove, ο οποίος ανακάλυψε ότι η διαδικασία της ηλεκτρόλυσης είναι αναστρέψιμη, δηλαδή το υδρογόνο και το οξυγόνο μπορούν να συνδυαστούν σε μόρια νερού χωρίς καύση, αλλά με την απελευθέρωση θερμότητας και ηλεκτρική ενέργεια. Ο επιστήμονας ονόμασε τη συσκευή του, όπου ήταν σε θέση να πραγματοποιήσει αυτή την αντίδραση, «μπαταρία αερίου» και ήταν η πρώτη κυψέλη καυσίμου. Ωστόσο, στα επόμενα 100 χρόνια αυτή η ιδέα δεν βρήκε πρακτική εφαρμογή.
Το 1937, ο καθηγητής F. Bacon άρχισε να εργάζεται για την κυψέλη καυσίμου του. Μέχρι τα τέλη της δεκαετίας του 1950, είχε αναπτύξει μια μπαταρία 40 κυψελών καυσίμου με ισχύ 5 kW. Μια τέτοια μπαταρία θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την παροχή ενέργειας μηχανή συγκόλλησηςή περονοφόρο. Η μπαταρία λειτουργούσε σε υψηλές θερμοκρασίες της τάξης των 200°C και άνω και πιέσεις 20-40 bar. Άλλωστε ήταν αρκετά ογκώδης.
Ιστορία της έρευνας στην ΕΣΣΔ και τη Ρωσία
Οι πρώτες μελέτες ξεκίνησαν τη δεκαετία του 1930. Η RSC Energia (από το 1966) ανέπτυξε στοιχεία PAFC για το σοβιετικό σεληνιακό πρόγραμμα. Από το 1987 έως το 1987, η Energia παρήγαγε περίπου 100 κυψέλες καυσίμου, οι οποίες ανήλθαν συνολικά σε περίπου 80.000 ώρες λειτουργίας.
Κατά τη διάρκεια της εργασίας στο πρόγραμμα Buran, μελετήθηκαν αλκαλικά στοιχεία AFC. Στο Buran εγκαταστάθηκαν κυψέλες καυσίμου 10 kW.
Το 1989, το Ινστιτούτο Ηλεκτροχημείας Υψηλών Θερμοκρασιών (Ekaterinburg) παρήγαγε την πρώτη εγκατάσταση SOFC με ισχύ 1 kW.
Το 1999, η AvtoVAZ άρχισε να εργάζεται με κυψέλες καυσίμου. Μέχρι το 2003, δημιουργήθηκαν πολλά πρωτότυπα με βάση το αυτοκίνητο VAZ-2131. Οι μπαταρίες κυψελών καυσίμου βρίσκονταν στο χώρο του κινητήρα του αυτοκινήτου και οι δεξαμενές με συμπιεσμένο υδρογόνο βρίσκονταν στο χώρο αποσκευών, δηλαδή χρησιμοποιήθηκαν κλασικό σχέδιοθέση της μονάδας ισχύος και των δεξαμενών καυσίμων. Η ανάπτυξη του αυτοκινήτου υδρογόνου έγινε από τον G. K. Mirzoev, υποψήφιο τεχνικών επιστημών.
Στις 10 Νοεμβρίου 2003, υπογράφηκε Γενική Συμφωνία Συνεργασίας μεταξύ της Ρωσικής Ακαδημίας Επιστημών και της εταιρείας Norilsk Nickel στον τομέα της ενέργειας υδρογόνου και των κυψελών καυσίμου. Αυτό οδήγησε στην ίδρυση στις 4 Μαΐου 2005 της Εθνικής Εταιρείας Καινοτομίας «New Energy Projects» (NIK NEP), η οποία το 2006 παρήγαγε μια εφεδρική μονάδα ηλεκτροπαραγωγής βασισμένη σε κυψέλες καυσίμου στερεού πολυμερούς ηλεκτρολύτη ισχύος 1 kW. Σύμφωνα με το πρακτορείο ειδήσεων MFD-InfoCenter, η MMC Norilsk Nickel ρευστοποιεί την εταιρεία New Energy Projects ως μέρος της απόφασης που ανακοινώθηκε στις αρχές του 2009 για την απαλλαγή από μη βασικά και ασύμφορα περιουσιακά στοιχεία.
Το 2008 ιδρύθηκε η εταιρεία InEnergy, η οποία ασχολείται με εργασίες έρευνας και ανάπτυξης στον τομέα των ηλεκτροχημικών τεχνολογιών και συστημάτων τροφοδοσίας. Με βάση τα αποτελέσματα της έρευνας, σε συνεργασία με κορυφαία ινστιτούτα της Ρωσικής Ακαδημίας Επιστημών (IPCP, ISTT και IHTT), υλοποιήθηκαν μια σειρά από πιλοτικά έργα που έδειξαν υψηλή απόδοση. Για την εταιρεία MTS, δημιουργήθηκε και τέθηκε σε λειτουργία ένα αρθρωτό εφεδρικό σύστημα ισχύος βασισμένο σε κυψέλες καυσίμου υδρογόνου-αέρα, αποτελούμενο από κυψέλη καυσίμου, σύστημα ελέγχου, συσκευή αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας και μετατροπέα. Ισχύς συστήματος έως 10 kW.
Τα ενεργειακά συστήματα υδρογόνου-αέρα έχουν μια σειρά από αναμφισβήτητα πλεονεκτήματα, συμπεριλαμβανομένου ενός μεγάλου εύρους θερμοκρασιών λειτουργίας εξωτερικό περιβάλλον(-40..+60С), υψηλή απόδοση (έως 60%), απουσία θορύβου και κραδασμών, γρήγορη εκκίνηση, συμπαγές και φιλικό προς το περιβάλλον (νερό ως αποτέλεσμα «καυσαερίων»).
Το συνολικό κόστος ιδιοκτησίας συστημάτων υδρογόνου-αέρα είναι σημαντικά χαμηλότερο από τις συμβατικές ηλεκτροχημικές μπαταρίες. Επιπλέον, έχουν την υψηλότερη ανοχή σφαλμάτων λόγω της απουσίας κινητών μερών των μηχανισμών και δεν απαιτούν συντήρηση, και η διάρκεια ζωής τους φτάνει τα 15 χρόνια, ξεπερνώντας τις κλασικές ηλεκτροχημικές μπαταρίες έως και πέντε φορές.
Η Gazprom και τα ομοσπονδιακά πυρηνικά κέντρα της Ρωσικής Ομοσπονδίας εργάζονται για τη δημιουργία πρωτοτύπων σταθμών ηλεκτροπαραγωγής κυψελών καυσίμου. Οι κυψέλες καυσίμου στερεού οξειδίου, η ανάπτυξη των οποίων βρίσκεται τώρα ενεργά σε εξέλιξη, θα εμφανιστούν, προφανώς, μετά το 2016.
Εφαρμογές κυψελών καυσίμου
Οι κυψέλες καυσίμου αρχικά χρησιμοποιήθηκαν μόνο στη διαστημική βιομηχανία, αλλά επί του παρόντος το πεδίο εφαρμογής τους επεκτείνεται συνεχώς. Χρησιμοποιούνται σε σταθερούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής, ως αυτόνομες πηγές θερμότητας και τροφοδοσίας κτιρίων, σε κινητήρες οχημάτων και ως πηγές ενέργειας για φορητούς υπολογιστές και κινητά τηλέφωνα. Ορισμένες από αυτές τις συσκευές δεν έχουν φύγει ακόμη από τους τοίχους των εργαστηρίων, άλλες είναι ήδη διαθέσιμες στο εμπόριο και χρησιμοποιούνται εδώ και πολύ καιρό.
| Περιοχή εφαρμογής | Εξουσία | Παραδείγματα χρήσης |
|---|---|---|
| Στατικές εγκαταστάσεις | 5-250 kW και άνω | Αυτόνομες πηγές τροφοδοσίας θερμότητας και ηλεκτρισμού για κατοικίες, δημόσια και βιομηχανικά κτίρια, αδιάλειπτα τροφοδοτικά, εφεδρικές και πηγές τροφοδοσίας έκτακτης ανάγκης |
| Φορητές εγκαταστάσεις | 1-50 kW | Οδικές πινακίδες, φορτηγά σιδηροδρόμου εμπορευμάτων και ψυγείων, αναπηρικά αμαξίδια, καρότσια γκολφ, διαστημόπλοια και δορυφόροι |
| Μεταφορά | 25-150 kW | Αυτοκίνητα και άλλα οχήματα, πολεμικά πλοία και υποβρύχια |
| Φορητές συσκευές | 1-500 W | Κινητά τηλέφωνα, φορητοί υπολογιστές, PDA, διάφορες ηλεκτρονικές συσκευές ευρείας κατανάλωσης, σύγχρονος στρατιωτικός εξοπλισμός |
Οι σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής υψηλής ισχύος που βασίζονται σε κυψέλες καυσίμου χρησιμοποιούνται ευρέως. Βασικά, τέτοιες εγκαταστάσεις λειτουργούν με βάση στοιχεία που βασίζονται σε λιωμένα ανθρακικά, φωσφορικό οξύ και στερεά οξείδια. Κατά κανόνα, τέτοιες εγκαταστάσεις χρησιμοποιούνται όχι μόνο για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, αλλά και για την παραγωγή θερμότητας.
Καταβάλλεται μεγάλη προσπάθεια για την ανάπτυξη υβριδικών εγκαταστάσεων στις οποίες συνδυάζονται κυψέλες καυσίμου υψηλής θερμοκρασίας αεριοστρόβιλοι. Η απόδοση τέτοιων εγκαταστάσεων μπορεί να φτάσει το 74,6% με τη βελτίωση των αεριοστροβίλων.
Παράγονται επίσης ενεργά μονάδες χαμηλής ισχύος που βασίζονται σε κυψέλες καυσίμου.
Τεχνικός κανονισμός στον τομέα της παραγωγής και χρήσης κυψελών καυσίμου
Στις 19 Αυγούστου 2004, η Διεθνής Ηλεκτροτεχνική Επιτροπή (IEC) εξέδωσε το πρώτο διεθνές πρότυπο, IEC 62282–2 «Fuel Cell Technologies. Μέρος 2, Μονάδες κυψελών καυσίμου." Αυτό ήταν το πρώτο πρότυπο της σειράς IEC 62282, που αναπτύχθηκε από την Τεχνική Επιτροπή για τις Τεχνολογίες Κυψελών Καυσίμου (TC/IEC 105). Η Τεχνική Επιτροπή TC/IEC 105 περιλαμβάνει μόνιμους αντιπροσώπους από 17 χώρες και παρατηρητές από 15 χώρες.
Το TC/IEC 105 έχει αναπτύξει και δημοσιεύσει 14 διεθνή πρότυπα στη σειρά IEC 62282, που καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα θεμάτων που σχετίζονται με την τυποποίηση των σταθμών παραγωγής ενέργειας με κυψέλες καυσίμου. Η Ομοσπονδιακή Υπηρεσία Τεχνικού Κανονισμού και Μετρολογίας της Ρωσικής Ομοσπονδίας (ROSSTANDART) είναι συλλογικό μέλος της Τεχνικής Επιτροπής TC/IEC 105 ως παρατηρητής. Οι δραστηριότητες συντονισμού με την IEC εκ μέρους της Ρωσικής Ομοσπονδίας πραγματοποιούνται από τη γραμματεία της RosMEK (Rosstandart) και οι εργασίες για την εφαρμογή των προτύπων IEC πραγματοποιούνται από την εθνική τεχνική επιτροπή τυποποίησης TC 029 «Hydrogen Technologies», η National Association of Hydrogen Energy (NAVE) και KVT LLC. Επί του παρόντος, η ROSSTANDART έχει υιοθετήσει τα ακόλουθα εθνικά και διακρατικά πρότυπα, πανομοιότυπα με τα διεθνή πρότυπα IEC.
Μέρος 1
Αυτό το άρθρο εξετάζει λεπτομερέστερα την αρχή λειτουργίας των κυψελών καυσίμου, το σχεδιασμό, την ταξινόμηση, τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα, το πεδίο εφαρμογής, την αποτελεσματικότητα, το ιστορικό δημιουργίας και τις σύγχρονες προοπτικές χρήσης τους. Στο δεύτερο μέρος του άρθρου, που θα δημοσιευθεί στο επόμενο τεύχος του περιοδικού ABOK, παρέχει παραδείγματα εγκαταστάσεων όπου χρησιμοποιήθηκαν ως πηγές τροφοδοσίας θερμότητας και ηλεκτρισμού (ή μόνο παροχής ρεύματος). Διάφοροι τύποικυψέλες καυσίμου.
Εισαγωγή
Οι κυψέλες καυσίμου είναι ένας πολύ αποτελεσματικός, αξιόπιστος, ανθεκτικός και φιλικός προς το περιβάλλον τρόπος παραγωγής ενέργειας.
Αρχικά χρησιμοποιήθηκαν μόνο στη διαστημική βιομηχανία, οι κυψέλες καυσίμου χρησιμοποιούνται τώρα όλο και περισσότερο σε διάφορους τομείς - ως σταθεροί σταθμοί παραγωγής ενέργειας, αυτόνομες πηγέςΤροφοδοτικά θερμότητας και ρεύματος σε κτίρια, κινητήρες οχημάτων, τροφοδοτικά για φορητούς υπολογιστές και κινητά τηλέφωνα. Ορισμένες από αυτές τις συσκευές είναι εργαστηριακά πρωτότυπα, κάποιες υπόκεινται σε δοκιμές προπαραγωγής ή χρησιμοποιούνται για σκοπούς επίδειξης, αλλά πολλά μοντέλα παράγονται μαζικά και χρησιμοποιούνται σε εμπορικά έργα.
Η κυψέλη καυσίμου (ηλεκτροχημική γεννήτρια) είναι μια συσκευή που μετατρέπει απευθείας τη χημική ενέργεια του καυσίμου (υδρογόνο) σε ηλεκτρική ενέργεια μέσω ηλεκτροχημικής αντίδρασης, σε αντίθεση με τις παραδοσιακές τεχνολογίες που χρησιμοποιούν την καύση στερεών, υγρών και αέριων καυσίμων. Η άμεση ηλεκτροχημική μετατροπή του καυσίμου είναι πολύ αποτελεσματική και ελκυστική από περιβαλλοντική άποψη, αφού απελευθερώνει ελάχιστο ποσόρύπους και δεν υπάρχει ισχυρός θόρυβος ή κραδασμοί.
Από πρακτική άποψη, μια κυψέλη καυσίμου μοιάζει με μια συμβατική βολταϊκή μπαταρία. Η διαφορά είναι ότι η μπαταρία είναι αρχικά φορτισμένη, δηλαδή γεμίζει με «καύσιμο». Κατά τη λειτουργία, καταναλώνεται «καύσιμο» και η μπαταρία αποφορτίζεται. Σε αντίθεση με μια μπαταρία, μια κυψέλη καυσίμου χρησιμοποιεί καύσιμο που παρέχεται από μια εξωτερική πηγή για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας (Εικ. 1).
Για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, μπορεί να χρησιμοποιηθεί όχι μόνο καθαρό υδρογόνο, αλλά και άλλες πρώτες ύλες που περιέχουν υδρογόνο, για παράδειγμα, φυσικό αέριο, αμμωνία, μεθανόλη ή βενζίνη. Ο συνηθισμένος αέρας χρησιμοποιείται ως πηγή οξυγόνου, επίσης απαραίτητο για την αντίδραση.
Όταν χρησιμοποιείται καθαρό υδρογόνο ως καύσιμο, τα προϊόντα της αντίδρασης, εκτός από την ηλεκτρική ενέργεια, είναι θερμότητα και νερό (ή υδρατμοί), δηλαδή δεν απελευθερώνονται ρυπογόνα αέρια στην ατμόσφαιρα ατμοσφαιρικό περιβάλλονή καλώντας Το φαινόμενο του θερμοκηπίου. Εάν μια πρώτη ύλη που περιέχει υδρογόνο, όπως το φυσικό αέριο, χρησιμοποιείται ως καύσιμο, άλλα αέρια όπως ο άνθρακας και τα οξείδια του αζώτου θα είναι υποπροϊόν της αντίδρασης, αλλά η ποσότητα είναι πολύ μικρότερη από ό,τι όταν καίγεται η ίδια ποσότητα φυσικού αέριο.
Η διαδικασία χημικής μετατροπής του καυσίμου για παραγωγή υδρογόνου ονομάζεται αναμόρφωση και η αντίστοιχη συσκευή ονομάζεται αναμορφωτής.
Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των κυψελών καυσίμου
Οι κυψέλες καυσίμου είναι πιο ενεργειακά αποδοτικές από τους κινητήρες εσωτερικής καύσης επειδή δεν υπάρχει περιορισμός θερμοδυναμικής ενεργειακής απόδοσης για τις κυψέλες καυσίμου. Η απόδοση των κυψελών καυσίμου είναι 50%, ενώ η απόδοση των κινητήρων εσωτερικής καύσης είναι 12-15%, και η απόδοση των σταθμών ηλεκτροπαραγωγής ατμοστροβίλων δεν υπερβαίνει το 40%. Με τη χρήση θερμότητας και νερού, η απόδοση των κυψελών καυσίμου αυξάνεται περαιτέρω.
Σε αντίθεση, για παράδειγμα, με τους κινητήρες εσωτερικής καύσης, η απόδοση των κυψελών καυσίμου παραμένει πολύ υψηλή ακόμη και όταν δεν λειτουργούν με πλήρη ισχύ. Επιπλέον, η ισχύς των κυψελών καυσίμου μπορεί να αυξηθεί με απλή προσθήκη μεμονωμένων μονάδων, ενώ η απόδοση δεν αλλάζει, δηλαδή οι μεγάλες εγκαταστάσεις είναι εξίσου αποδοτικές με τις μικρές. Αυτές οι συνθήκες καθιστούν δυνατή την πολύ ευέλικτη επιλογή της σύνθεσης του εξοπλισμού σύμφωνα με τις επιθυμίες του πελάτη και τελικά οδηγούν σε μείωση του κόστους του εξοπλισμού.
Ένα σημαντικό πλεονέκτημα των κυψελών καυσίμου είναι η φιλικότητα προς το περιβάλλον. Οι εκπομπές ρύπων στην ατμόσφαιρα από τη λειτουργία κυψελών καυσίμου είναι τόσο χαμηλές που σε ορισμένες περιοχές των Ηνωμένων Πολιτειών η λειτουργία τους δεν απαιτεί ειδική άδεια από κυβερνητικές υπηρεσίες, τον έλεγχο της ποιότητας του αέρα.
Οι κυψέλες καυσίμου μπορούν να τοποθετηθούν απευθείας σε ένα κτίριο, μειώνοντας τις απώλειες κατά τη μεταφορά ενέργειας και η θερμότητα που παράγεται ως αποτέλεσμα της αντίδρασης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παροχή θερμότητας ή ζεστού νερού στο κτίριο. Οι αυτόνομες πηγές θερμότητας και ηλεκτρικής ενέργειας μπορεί να είναι πολύ ωφέλιμες σε απομακρυσμένες περιοχές και σε περιοχές που χαρακτηρίζονται από έλλειψη ηλεκτρικής ενέργειας και υψηλό κόστος, αλλά ταυτόχρονα υπάρχουν αποθέματα πρώτων υλών που περιέχουν υδρογόνο (πετρέλαιο, φυσικό αέριο).
Τα πλεονεκτήματα των κυψελών καυσίμου είναι επίσης η διαθεσιμότητα καυσίμου, η αξιοπιστία (δεν υπάρχουν κινούμενα μέρη σε μια κυψέλη καυσίμου), η ανθεκτικότητα και η ευκολία λειτουργίας.
Ένα από τα κύρια μειονεκτήματα των κυψελών καυσίμου σήμερα είναι το σχετικά υψηλό κόστος τους, αλλά αυτό το μειονέκτημα μπορεί σύντομα να ξεπεραστεί - όλο και περισσότερες εταιρείες παράγουν εμπορικά δείγματα κυψελών καυσίμου, βελτιώνονται συνεχώς και το κόστος τους μειώνεται.
Ο πιο αποτελεσματικός τρόπος είναι η χρήση καθαρού υδρογόνου ως καύσιμο, αλλά αυτό θα απαιτήσει τη δημιουργία ειδικής υποδομής για την παραγωγή και τη μεταφορά του. Επί του παρόντος, όλα τα εμπορικά σχέδια χρησιμοποιούν φυσικό αέριο και παρόμοια καύσιμα. Τα μηχανοκίνητα οχήματα μπορούν να χρησιμοποιούν κανονική βενζίνη, η οποία θα επιτρέψει τη διατήρηση του υπάρχοντος αναπτυγμένου δικτύου πρατηρίων καυσίμων. Ωστόσο, η χρήση τέτοιου καυσίμου οδηγεί σε επιβλαβείς εκπομπέςστην ατμόσφαιρα (αν και πολύ χαμηλή) και περιπλέκει (και επομένως αυξάνει το κόστος) την κυψέλη καυσίμου. Στο μέλλον, εξετάζεται η δυνατότητα χρήσης φιλικών προς το περιβάλλον ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (για παράδειγμα, ηλιακή ή αιολική ενέργεια) για την αποσύνθεση του νερού σε υδρογόνο και οξυγόνο με χρήση ηλεκτρόλυσης και στη συνέχεια τη μετατροπή του καυσίμου που προκύπτει σε κυψέλη καυσίμου. Τέτοιες συνδυασμένες μονάδες, που λειτουργούν σε κλειστό κύκλο, μπορούν να αντιπροσωπεύουν μια απολύτως φιλική προς το περιβάλλον, αξιόπιστη, ανθεκτική και αποδοτική πηγή ενέργειας.
Ένα άλλο χαρακτηριστικό των κυψελών καυσίμου είναι ότι είναι πιο αποδοτικές όταν χρησιμοποιούν ηλεκτρική και θερμική ενέργεια ταυτόχρονα. Ωστόσο, δεν έχουν όλες οι εγκαταστάσεις τη δυνατότητα να χρησιμοποιούν θερμική ενέργεια. Εάν οι κυψέλες καυσίμου χρησιμοποιούνται μόνο για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, η απόδοσή τους μειώνεται, αν και υπερβαίνει την απόδοση των «παραδοσιακών» εγκαταστάσεων.
Ιστορία και σύγχρονη χρήση κυψελών καυσίμου
Η αρχή της λειτουργίας των κυψελών καυσίμου ανακαλύφθηκε το 1839. Ο Άγγλος επιστήμονας William Robert Grove (1811-1896) ανακάλυψε ότι η διαδικασία της ηλεκτρόλυσης - η αποσύνθεση του νερού σε υδρογόνο και οξυγόνο μέσω ηλεκτρικού ρεύματος - είναι αναστρέψιμη, δηλαδή το υδρογόνο και το οξυγόνο μπορούν να συνδυαστούν σε μόρια νερού χωρίς καύση, αλλά με την απελευθέρωση θερμότητας και ηλεκτρικού ρεύματος. Ο Γκρόουβ ονόμασε τη συσκευή στην οποία ήταν δυνατή μια τέτοια αντίδραση «μπαταρία αερίου», η οποία ήταν η πρώτη κυψέλη καυσίμου.
Η ενεργός ανάπτυξη τεχνολογιών για τη χρήση κυψελών καυσίμου ξεκίνησε μετά τον Δεύτερο Παγκόσμιο Πόλεμο και συνδέεται με την αεροδιαστημική βιομηχανία. Αυτή τη στιγμή βρισκόταν σε εξέλιξη έρευνα για μια αποτελεσματική και αξιόπιστη, αλλά ταυτόχρονα αρκετά συμπαγή πηγή ενέργειας. Στη δεκαετία του 1960, οι ειδικοί της NASA (National Aeronautics and Space Administration, NASA) επέλεξαν κυψέλες καυσίμου ως πηγή ενέργειας για το διαστημόπλοιο των προγραμμάτων Apollo (επανδρωμένες πτήσεις προς τη Σελήνη), Apollo-Soyuz, Gemini και Skylab. Το διαστημόπλοιο Apollo χρησιμοποίησε τρεις εγκαταστάσεις 1,5 kW (2,2 kW αιχμής) που χρησιμοποιούν κρυογονικό υδρογόνο και οξυγόνο για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, θερμότητας και νερού. Η μάζα κάθε εγκατάστασης ήταν 113 κιλά. Αυτές οι τρεις κυψέλες λειτουργούσαν παράλληλα, αλλά η ενέργεια που παράγεται από μια μονάδα ήταν αρκετή για μια ασφαλή επιστροφή. Κατά τη διάρκεια 18 πτήσεων, οι κυψέλες καυσίμου λειτούργησαν για συνολικά 10.000 ώρες χωρίς καμία βλάβη. Επί του παρόντος, οι κυψέλες καυσίμου χρησιμοποιούνται στο Διαστημικό Λεωφορείο, το οποίο χρησιμοποιεί τρεις μονάδες 12 W για να παράγει όλη την ηλεκτρική ενέργεια στο διαστημόπλοιο (Εικ. 2). Το νερό που λαμβάνεται ως αποτέλεσμα της ηλεκτροχημικής αντίδρασης χρησιμοποιείται για πόσιμο νερό αλλά και για ψυκτικό εξοπλισμό.
Στη χώρα μας έγιναν επίσης εργασίες για τη δημιουργία κυψελών καυσίμου για χρήση στην αστροναυτική. Για παράδειγμα, οι κυψέλες καυσίμου χρησιμοποιήθηκαν για την τροφοδοσία του σοβιετικού επαναχρησιμοποιήσιμου διαστημικού σκάφους Buran.
Η ανάπτυξη μεθόδων για την εμπορική χρήση κυψελών καυσίμου ξεκίνησε στα μέσα της δεκαετίας του 1960. Οι εξελίξεις αυτές χρηματοδοτήθηκαν εν μέρει από κυβερνητικούς οργανισμούς.
Επί του παρόντος, η ανάπτυξη τεχνολογιών για τη χρήση κυψελών καυσίμου προχωρά σε διάφορες κατευθύνσεις. Πρόκειται για τη δημιουργία στατικών σταθμών ηλεκτροπαραγωγής σε κυψέλες καυσίμου (τόσο για κεντρική όσο και για αποκεντρωμένη παροχή ενέργειας), σταθμούς παραγωγής ενέργειας για οχήματα (δημιουργήθηκαν δείγματα αυτοκινήτων και λεωφορείων σε κυψέλες καυσίμου, συμπεριλαμβανομένης της χώρας μας) (Εικ. 3) και επίσης τροφοδοτικά για διάφορες φορητές συσκευές (φορητοί υπολογιστές, κινητά τηλέφωνα κ.λπ.) (Εικ. 4).
Παραδείγματα χρήσης κυψελών καυσίμου σε διάφορους τομείς δίνονται στον Πίνακα. 1.
Ένα από τα πρώτα εμπορικά μοντέλα κυψελών καυσίμου που σχεδιάστηκαν για αυτόνομη παροχή θερμότητας και ισχύος σε κτίρια ήταν το PC25 Model A που κατασκευάστηκε από την ONSI Corporation (τώρα United Technologies, Inc.). Αυτή η κυψέλη καυσίμου με ονομαστική ισχύ 200 kW είναι ένας τύπος κυψέλης με ηλεκτρολύτη με βάση το φωσφορικό οξύ (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC). Ο αριθμός "25" στο όνομα του μοντέλου σημαίνει τον αύξοντα αριθμό του σχεδίου. Τα περισσότερα προηγούμενα μοντέλα ήταν πειραματικές ή δοκιμαστικές μονάδες, όπως το μοντέλο "PC11" των 12,5 kW που παρουσιάστηκε τη δεκαετία του 1970. Τα νέα μοντέλα αύξησαν την ισχύ που εξάγεται από μια μεμονωμένη κυψέλη καυσίμου και μείωσαν επίσης το κόστος ανά κιλοβάτ παραγόμενης ενέργειας. Επί του παρόντος, ένα από τα πιο αποδοτικά εμπορικά μοντέλα είναι η κυψέλη καυσίμου PC25 Model C. Όπως το μοντέλο Α, αυτή είναι μια πλήρως αυτόματη κυψέλη καυσίμου PAFC 200 kW που έχει σχεδιαστεί για επιτόπια εγκατάσταση ως ανεξάρτητη πηγή θερμότητας και ενέργειας. Μια τέτοια κυψέλη καυσίμου μπορεί να εγκατασταθεί έξω από ένα κτίριο. Εξωτερικά είναι ένα παραλληλεπίπεδο μήκους 5,5 μ., πλάτους 3 μέτρων και ύψους 18.140 κιλών. Η διαφορά από τα προηγούμενα μοντέλα είναι ένας βελτιωμένος αναμορφωτής και μια υψηλότερη πυκνότητα ρεύματος.
| Τραπέζι 1 Πεδίο εφαρμογής κυψελών καυσίμου |
|||||||||||||||
|
Σε ορισμένους τύπους κυψελών καυσίμου, η χημική διαδικασία μπορεί να αντιστραφεί: εφαρμόζοντας μια διαφορά δυναμικού στα ηλεκτρόδια, το νερό μπορεί να διασπαστεί σε υδρογόνο και οξυγόνο, τα οποία συγκεντρώνονται στα πορώδη ηλεκτρόδια. Όταν συνδεθεί ένα φορτίο, μια τέτοια αναγεννητική κυψέλη καυσίμου θα αρχίσει να παράγει ηλεκτρική ενέργεια.
Μια πολλά υποσχόμενη κατεύθυνση για τη χρήση κυψελών καυσίμου είναι η χρήση τους σε συνδυασμό με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, για παράδειγμα, φωτοβολταϊκά πάνελ ή σταθμούς αιολικής ενέργειας. Αυτή η τεχνολογία μας επιτρέπει να αποφύγουμε πλήρως την ατμοσφαιρική ρύπανση. Ένα παρόμοιο σύστημα σχεδιάζεται να δημιουργηθεί, για παράδειγμα, στο Εκπαιδευτικό Κέντρο Adam Joseph Lewis στο Oberlin (βλ. ABOK, 2002, No. 5, σελ. 10). Επί του παρόντος, οι ηλιακοί συλλέκτες χρησιμοποιούνται ως μία από τις πηγές ενέργειας σε αυτό το κτίριο. Μαζί με ειδικούς της NASA, έχει αναπτυχθεί ένα έργο για τη χρήση φωτοβολταϊκών πάνελ για την παραγωγή υδρογόνου και οξυγόνου από το νερό με ηλεκτρόλυση. Το υδρογόνο χρησιμοποιείται στη συνέχεια στις κυψέλες καυσίμου για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και ζεστό νερό. Αυτό θα επιτρέψει στο κτίριο να διατηρήσει τη λειτουργικότητα όλων των συστημάτων κατά τη διάρκεια συννεφιασμένων ημερών και τη νύχτα.
Αρχή λειτουργίας κυψελών καυσίμου
Ας εξετάσουμε την αρχή της λειτουργίας μιας κυψέλης καυσίμου χρησιμοποιώντας το παράδειγμα ενός απλού στοιχείου με μια μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (Proton Exchange Membrane, PEM). Ένα τέτοιο στοιχείο αποτελείται από μια πολυμερή μεμβράνη τοποθετημένη μεταξύ μιας ανόδου (θετικό ηλεκτρόδιο) και μιας καθόδου (αρνητικό ηλεκτρόδιο) μαζί με καταλύτες ανόδου και καθόδου. Η πολυμερής μεμβράνη χρησιμοποιείται ως ηλεκτρολύτης. Το διάγραμμα του στοιχείου PEM φαίνεται στο Σχ. 5.
Μια μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (PEM) είναι ένα λεπτό (πάχους περίπου 2-7 φύλλα χαρτιού) στερεό οργανική ένωση. Αυτή η μεμβράνη λειτουργεί ως ηλεκτρολύτης: διαχωρίζει μια ουσία σε θετικά και αρνητικά φορτισμένα ιόντα παρουσία νερού.
Μια διαδικασία οξείδωσης συμβαίνει στην άνοδο και μια διαδικασία αναγωγής στην κάθοδο. Η άνοδος και η κάθοδος σε ένα στοιχείο PEM είναι κατασκευασμένα από ένα πορώδες υλικό, το οποίο είναι ένα μείγμα σωματιδίων άνθρακα και πλατίνας. Η πλατίνα δρα ως καταλύτης που προάγει την αντίδραση διάστασης. Η άνοδος και η κάθοδος γίνονται πορώδεις για την ελεύθερη διέλευση υδρογόνου και οξυγόνου μέσω αυτών, αντίστοιχα.
Η άνοδος και η κάθοδος τοποθετούνται ανάμεσα σε δύο μεταλλικές πλάκες, οι οποίες παρέχουν υδρογόνο και οξυγόνο στην άνοδο και την κάθοδο και απομακρύνουν τη θερμότητα και το νερό, καθώς και την ηλεκτρική ενέργεια.
Τα μόρια υδρογόνου περνούν μέσω καναλιών στην πλάκα προς την άνοδο, όπου τα μόρια αποσυντίθενται σε μεμονωμένα άτομα (Εικ. 6).
Εικόνα 5. () Σχηματική κυψέλη καυσίμου με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (κελί PEM) |
|
Εικόνα 6. () Τα μόρια υδρογόνου περνούν μέσω καναλιών στην πλάκα στην άνοδο, όπου τα μόρια αποσυντίθενται σε μεμονωμένα άτομα |
|
Εικόνα 7. () Ως αποτέλεσμα της χημικής απορρόφησης παρουσία καταλύτη, τα άτομα υδρογόνου μετατρέπονται σε πρωτόνια |
|
Εικόνα 8. () Θετικά φορτισμένα ιόντα υδρογόνου διαχέονται μέσω της μεμβράνης στην κάθοδο και μια ροή ηλεκτρονίων κατευθύνεται στην κάθοδο μέσω ενός εξωτερικού ηλεκτρικού κυκλώματος στο οποίο συνδέεται το φορτίο |
|
Εικόνα 9. () Το οξυγόνο που παρέχεται στην κάθοδο, παρουσία καταλύτη, εισέρχεται σε μια χημική αντίδραση με ιόντα υδρογόνου από τη μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων και ηλεκτρόνια από την εξωτερική ηλεκτρικό κύκλωμα. Ως αποτέλεσμα μιας χημικής αντίδρασης, σχηματίζεται νερό |
Στη συνέχεια, ως αποτέλεσμα της χημικής απορρόφησης παρουσία ενός καταλύτη, τα άτομα υδρογόνου, που το καθένα δίνει ένα ηλεκτρόνιο e–, μετατρέπονται σε θετικά φορτισμένα ιόντα υδρογόνου H+, δηλαδή πρωτόνια (Εικ. 7).
Τα θετικά φορτισμένα ιόντα υδρογόνου (πρωτόνια) διαχέονται μέσω της μεμβράνης στην κάθοδο και η ροή των ηλεκτρονίων κατευθύνεται στην κάθοδο μέσω ενός εξωτερικού ηλεκτρικού κυκλώματος στο οποίο είναι συνδεδεμένο το φορτίο (καταναλωτής ηλεκτρικής ενέργειας) (Εικ. 8).
Το οξυγόνο που παρέχεται στην κάθοδο, παρουσία καταλύτη, εισέρχεται σε μια χημική αντίδραση με ιόντα υδρογόνου (πρωτόνια) από τη μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων και ηλεκτρόνια από το εξωτερικό ηλεκτρικό κύκλωμα (Εικ. 9). Ως αποτέλεσμα μιας χημικής αντίδρασης, σχηματίζεται νερό.
Η χημική αντίδραση σε άλλους τύπους κυψελών καυσίμου (για παράδειγμα, με έναν ηλεκτρολύτη οξέος, ο οποίος χρησιμοποιεί ένα διάλυμα ορθοφωσφορικού οξέος H 3 PO 4) είναι απολύτως πανομοιότυπη με τη χημική αντίδραση σε μια κυψέλη καυσίμου με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων.
Σε κάθε κυψέλη καυσίμου, μέρος της ενέργειας από μια χημική αντίδραση απελευθερώνεται ως θερμότητα.
Η ροή των ηλεκτρονίων σε ένα εξωτερικό κύκλωμα είναι ένα συνεχές ρεύμα που χρησιμοποιείται για την εκτέλεση εργασιών. Το άνοιγμα του εξωτερικού κυκλώματος ή η διακοπή της κίνησης των ιόντων υδρογόνου σταματά τη χημική αντίδραση.
Η ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από μια κυψέλη καυσίμου εξαρτάται από τον τύπο της κυψέλης καυσίμου, τις γεωμετρικές διαστάσεις, τη θερμοκρασία, την πίεση αερίου. Μια ξεχωριστή κυψέλη καυσίμου παρέχει EMF μικρότερο από 1,16 V. Το μέγεθος των κυψελών καυσίμου μπορεί να αυξηθεί, αλλά στην πράξη χρησιμοποιούνται πολλά στοιχεία συνδεδεμένα σε μπαταρίες (Εικ. 10).
Σχεδιασμός κυψελών καυσίμου
Ας δούμε τον σχεδιασμό μιας κυψέλης καυσίμου χρησιμοποιώντας το PC25 Model C ως παράδειγμα. Το διάγραμμα κυψελών καυσίμου φαίνεται στο Σχ. έντεκα.
Η κυψέλη καυσίμου PC25 Model C αποτελείται από τρία κύρια μέρη: τον επεξεργαστή καυσίμου, το τμήμα πραγματικής παραγωγής ενέργειας και τον μετατροπέα τάσης.
Το κύριο μέρος της κυψέλης καυσίμου - το τμήμα παραγωγής ενέργειας - είναι μια μπαταρία που αποτελείται από 256 μεμονωμένες κυψέλες καυσίμου. Τα ηλεκτρόδια των κυψελών καυσίμου περιέχουν καταλύτη πλατίνας. Αυτές οι κυψέλες παράγουν σταθερό ηλεκτρικό ρεύμα 1.400 αμπέρ στα 155 βολτ. Οι διαστάσεις της μπαταρίας είναι περίπου 2,9 m σε μήκος και 0,9 m σε πλάτος και ύψος.
Δεδομένου ότι η ηλεκτροχημική διεργασία λαμβάνει χώρα σε θερμοκρασία 177 °C, είναι απαραίτητο να θερμανθεί η μπαταρία τη στιγμή της εκκίνησης και να αφαιρεθεί η θερμότητα από αυτήν κατά τη λειτουργία. Για να επιτευχθεί αυτό, η κυψέλη καυσίμου περιλαμβάνει ένα ξεχωριστό κύκλωμα νερού και η μπαταρία είναι εξοπλισμένη με ειδικές πλάκες ψύξης.
Ο επεξεργαστής καυσίμου μετατρέπει το φυσικό αέριο σε υδρογόνο που απαιτείται για μια ηλεκτροχημική αντίδραση. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται μεταρρύθμιση. Το κύριο στοιχείο του επεξεργαστή καυσίμου είναι ο αναμορφωτής. Στον αναμορφωτή, το φυσικό αέριο (ή άλλο καύσιμο που περιέχει υδρογόνο) αντιδρά με υδρατμούς σε υψηλή θερμοκρασία (900 °C) και υψηλή πίεση παρουσία καταλύτη νικελίου. Σε αυτή την περίπτωση, συμβαίνουν οι ακόλουθες χημικές αντιδράσεις:
CH 4 (μεθάνιο) + H 2 O 3H 2 + CO
(η αντίδραση είναι ενδόθερμη, με απορρόφηση θερμότητας).
CO + H 2 O H 2 + CO 2
(η αντίδραση είναι εξώθερμη, απελευθερώνοντας θερμότητα).
Η συνολική αντίδραση εκφράζεται με την εξίσωση:
CH 4 (μεθάνιο) + 2H 2 O 4H 2 + CO 2
(η αντίδραση είναι ενδόθερμη, με απορρόφηση θερμότητας).
Για την παροχή της υψηλής θερμοκρασίας που απαιτείται για τη μετατροπή του φυσικού αερίου, ένα μέρος του αναλωμένου καυσίμου από τη στοίβα κυψελών καυσίμου κατευθύνεται σε έναν καυστήρα, ο οποίος διατηρεί την απαιτούμενη θερμοκρασία αναμορφωτή.
Ο ατμός που απαιτείται για την αναμόρφωση παράγεται από το συμπύκνωμα που παράγεται κατά τη λειτουργία της κυψέλης καυσίμου. Αυτό χρησιμοποιεί τη θερμότητα που αφαιρείται από την μπαταρία των κυψελών καυσίμου (Εικ. 12).
Η στοίβα κυψελών καυσίμου παράγει ένα διακοπτόμενο συνεχές ρεύμα που είναι χαμηλής τάσης και υψηλής τάσης. Ένας μετατροπέας τάσης χρησιμοποιείται για τη μετατροπή του σε βιομηχανικό πρότυπο AC ρεύμα. Επιπλέον, η μονάδα μετατροπέα τάσης περιλαμβάνει διάφορες συσκευές ελέγχου και κυκλώματα αλληλασφάλισης που επιτρέπουν την απενεργοποίηση της κυψέλης καυσίμου σε περίπτωση διαφόρων αστοχιών.
Σε μια τέτοια κυψέλη καυσίμου, περίπου το 40% της ενέργειας καυσίμου μπορεί να μετατραπεί σε ηλεκτρική ενέργεια. Περίπου η ίδια ποσότητα, περίπου το 40% της ενέργειας του καυσίμου, μπορεί να μετατραπεί σε θερμική ενέργεια, η οποία στη συνέχεια χρησιμοποιείται ως πηγή θερμότητας για θέρμανση, παροχή ζεστού νερού και παρόμοιους σκοπούς. Έτσι, η συνολική απόδοση μιας τέτοιας εγκατάστασης μπορεί να φτάσει το 80%.
Σημαντικό πλεονέκτημαΜια τέτοια πηγή παροχής θερμότητας και ηλεκτρικής ενέργειας είναι η δυνατότητα αυτόματης λειτουργίας της. Για τη συντήρηση, οι ιδιοκτήτες της εγκατάστασης όπου είναι εγκατεστημένη η κυψέλη καυσίμου δεν χρειάζεται να διατηρούν ειδικά εκπαιδευμένο προσωπικό - η περιοδική συντήρηση μπορεί να πραγματοποιηθεί από υπαλλήλους του λειτουργικού οργανισμού.
Τύποι κυψελών καυσίμου
Επί του παρόντος, είναι γνωστοί διάφοροι τύποι κυψελών καυσίμου, που διαφέρουν ως προς τη σύνθεση του ηλεκτρολύτη που χρησιμοποιείται. Οι παρακάτω τέσσερις τύποι είναι πιο διαδεδομένοι (Πίνακας 2):
1. Κυψέλες καυσίμου με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC).
2. Κυψέλες καυσίμου με βάση το ορθοφωσφορικό οξύ (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC).
3. Κυψέλες καυσίμου με βάση τηγμένο ανθρακικό (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).
4. Κυψέλες καυσίμου στερεού οξειδίου (SOFC). Επί του παρόντος, ο μεγαλύτερος στόλος κυψελών καυσίμου βασίζεται στην τεχνολογία PAFC.
Ενας από βασικά χαρακτηριστικά ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΟΙ ΤΥΠΟΙκυψέλες καυσίμου είναι η θερμοκρασία λειτουργίας. Από πολλές απόψεις, είναι η θερμοκρασία που καθορίζει την περιοχή εφαρμογής των κυψελών καυσίμου. Για παράδειγμα, οι υψηλές θερμοκρασίες είναι κρίσιμες για φορητούς υπολογιστές, επομένως οι κυψέλες καυσίμου με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων με χαμηλές θερμοκρασίες λειτουργίας αναπτύσσονται για αυτό το τμήμα της αγοράς.
Για την αυτόνομη τροφοδοσία κτιρίων απαιτούνται κυψέλες καυσίμου υψηλής εγκατεστημένης ισχύος και ταυτόχρονα υπάρχει η δυνατότητα χρήσης θερμικής ενέργειας, ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν και άλλοι τύποι κυψελών καυσίμου για τους σκοπούς αυτούς.
Κυψέλες καυσίμου με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (PEMFC)
Αυτές οι κυψέλες καυσίμου λειτουργούν σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες λειτουργίας (60-160 °C). Έχουν υψηλή πυκνότητα ισχύος, σας επιτρέπουν να ρυθμίζετε γρήγορα την ισχύ εξόδου και μπορούν να ενεργοποιηθούν γρήγορα. Το μειονέκτημα αυτού του τύπου στοιχείου είναι οι υψηλές απαιτήσεις ποιότητας καυσίμου, καθώς το μολυσμένο καύσιμο μπορεί να βλάψει τη μεμβράνη. Η ονομαστική ισχύς αυτού του τύπου κυψελών καυσίμου είναι 1-100 kW.
Οι κυψέλες καυσίμου με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων αναπτύχθηκαν αρχικά από την General Electric τη δεκαετία του 1960 για τη NASA. Αυτός ο τύπος κυψελών καυσίμου χρησιμοποιεί έναν ηλεκτρολύτη πολυμερούς στερεάς κατάστασης που ονομάζεται μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (PEM). Τα πρωτόνια μπορούν να κινηθούν μέσω της μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων, αλλά τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να περάσουν από αυτήν, με αποτέλεσμα μια διαφορά δυναμικού μεταξύ της καθόδου και της ανόδου. Λόγω της απλότητας και της αξιοπιστίας τους, τέτοιες κυψέλες καυσίμου χρησιμοποιήθηκαν ως πηγή ενέργειας στο επανδρωμένο διαστημόπλοιο Gemini.
Αυτός ο τύπος κυψελών καυσίμου χρησιμοποιείται ως πηγή ενέργειας για ένα ευρύ φάσμα διαφορετικών συσκευών, συμπεριλαμβανομένων πρωτοτύπων και πρωτοτύπων, από κινητά τηλέφωνα έως λεωφορεία και σταθερά συστήματα ισχύος. Η χαμηλή θερμοκρασία λειτουργίας επιτρέπει τη χρήση τέτοιων στοιχείων για την τροφοδοσία διαφόρων τύπων πολύπλοκων ηλεκτρονικών συσκευών. Η χρήση τους είναι λιγότερο αποτελεσματική ως πηγή παροχής θερμότητας και ηλεκτρικής ενέργειας σε δημόσια και βιομηχανικά κτίρια, όπου απαιτούνται μεγάλοι όγκοι θερμικής ενέργειας. Ταυτόχρονα, τέτοια στοιχεία είναι πολλά υποσχόμενα ως αυτόνομη πηγή τροφοδοσίας για μικρά κτίρια κατοικιών, όπως εξοχικές κατοικίες που χτίζονται σε περιοχές με ζεστό κλίμα.
| πίνακας 2 Τύποι κυψελών καυσίμου |
||||||||||||||||||||
|
Κυψέλες καυσίμου φωσφορικού οξέος (PAFC)
Δοκιμές κυψελών καυσίμου αυτού του τύπου πραγματοποιήθηκαν ήδη στις αρχές της δεκαετίας του 1970. Εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας - 150-200 °C. Ο κύριος τομέας εφαρμογής είναι αυτόνομες πηγές θερμότητας και παροχής ηλεκτρικής ενέργειας μεσαίας ισχύος (περίπου 200 kW).
Αυτές οι κυψέλες καυσίμου χρησιμοποιούν ένα διάλυμα φωσφορικού οξέος ως ηλεκτρολύτη. Τα ηλεκτρόδια είναι κατασκευασμένα από χαρτί επικαλυμμένο με άνθρακα στο οποίο είναι διασκορπισμένος ένας καταλύτης πλατίνας.
Η ηλεκτρική απόδοση των κυψελών καυσίμου PAFC είναι 37-42%. Ωστόσο, δεδομένου ότι αυτές οι κυψέλες καυσίμου λειτουργούν σε αρκετά υψηλή θερμοκρασία, είναι δυνατό να χρησιμοποιηθεί ο ατμός που παράγεται ως αποτέλεσμα της λειτουργίας. Σε αυτή την περίπτωση, η συνολική απόδοση μπορεί να φτάσει το 80%.
Για την παραγωγή ενέργειας, η πρώτη ύλη που περιέχει υδρογόνο πρέπει να μετατραπεί σε καθαρό υδρογόνο μέσω μιας διαδικασίας αναμόρφωσης. Για παράδειγμα, εάν χρησιμοποιείται βενζίνη ως καύσιμο, είναι απαραίτητο να αφαιρεθούν οι ενώσεις που περιέχουν θείο, καθώς το θείο μπορεί να βλάψει τον καταλύτη της πλατίνας.
Οι κυψέλες καυσίμου PAFC ήταν οι πρώτες εμπορικές κυψέλες καυσίμου που χρησιμοποιήθηκαν οικονομικά. Το πιο κοινό μοντέλο ήταν η κυψέλη καυσίμου 200 kW PC25 που κατασκευάστηκε από την ONSI Corporation (τώρα United Technologies, Inc.) (Εικ. 13). Για παράδειγμα, αυτά τα στοιχεία χρησιμοποιούνται ως πηγή θερμικής και ηλεκτρικής ενέργειας στο αστυνομικό τμήμα στο Central Park στη Νέα Υόρκη ή ως πρόσθετη πηγή ενέργειας στο Conde Nast Building & Four Times Square. Το περισσότερο μεγάλη εγκατάστασηΑυτός ο τύπος δοκιμάζεται ως μονάδα παραγωγής ενέργειας 11 MW που βρίσκεται στην Ιαπωνία.
Οι κυψέλες καυσίμου φωσφορικού οξέος χρησιμοποιούνται επίσης ως πηγή ενέργειας στα οχήματα. Για παράδειγμα, το 1994, η H-Power Corp., το Πανεπιστήμιο Georgetown και το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ εξόπλισαν ένα λεωφορείο με μια μονάδα παραγωγής ενέργειας 50 kW.
Κυψέλες καυσίμου λιωμένου ανθρακικού (MCFC)
Οι κυψέλες καυσίμου αυτού του τύπου λειτουργούν σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες - 600-700 °C. Αυτές οι θερμοκρασίες λειτουργίας επιτρέπουν στο καύσιμο να χρησιμοποιείται απευθείας στο ίδιο το στοιχείο, χωρίς τη χρήση ξεχωριστού αναμορφωτή. Αυτή η διαδικασία ονομάστηκε «εσωτερική μεταρρύθμιση». Καθιστά δυνατή τη σημαντική απλοποίηση του σχεδιασμού της κυψέλης καυσίμου.
Οι κυψέλες καυσίμου με βάση τηγμένο ανθρακικό απαιτούν σημαντικό χρόνο εκκίνησης και δεν επιτρέπουν την άμεση προσαρμογή της ισχύος εξόδου, επομένως η κύρια περιοχή εφαρμογής τους είναι οι μεγάλες σταθερές πηγές θερμικής και ηλεκτρικής ενέργειας. Ωστόσο, χαρακτηρίζονται από υψηλή απόδοση μετατροπής καυσίμου - 60% ηλεκτρική απόδοση και έως 85% συνολική απόδοση.
Σε αυτόν τον τύπο κυψελών καυσίμου, ο ηλεκτρολύτης αποτελείται από ανθρακικό κάλιο και άλατα ανθρακικού λιθίου που θερμαίνονται στους 650 °C περίπου. Κάτω από αυτές τις συνθήκες, τα άλατα βρίσκονται σε τετηγμένη κατάσταση, σχηματίζοντας έναν ηλεκτρολύτη. Στην άνοδο, το υδρογόνο αντιδρά με ιόντα CO 3, σχηματίζοντας νερό, διοξείδιο του άνθρακα και απελευθερώνοντας ηλεκτρόνια, τα οποία αποστέλλονται στο εξωτερικό κύκλωμα, και στην κάθοδο, το οξυγόνο αλληλεπιδρά με το διοξείδιο του άνθρακα και τα ηλεκτρόνια από το εξωτερικό κύκλωμα, σχηματίζοντας πάλι ιόντα CO 3 .
Εργαστηριακά δείγματα κυψελών καυσίμου αυτού του τύπου δημιουργήθηκαν στα τέλη της δεκαετίας του 1950 από τους Ολλανδούς επιστήμονες G. H. J. Broers και J. A. A. Ketelaar. Στη δεκαετία του 1960, ο μηχανικός Francis T. Bacon, απόγονος του διάσημου Άγγλου συγγραφέα και επιστήμονα του 17ου αιώνα, εργάστηκε με αυτές τις κυψέλες, γι' αυτό και οι κυψέλες καυσίμου MCFC ονομάζονται μερικές φορές κυψέλες Bacon. Στα προγράμματα Apollo, Apollo-Soyuz και Scylab της NASA, αυτές οι κυψέλες καυσίμου χρησιμοποιήθηκαν ως πηγή παροχής ενέργειας (Εικ. 14). Κατά τη διάρκεια αυτών των ίδιων ετών, το αμερικανικό στρατιωτικό τμήμα εξέτασε αρκετά δείγματα κυψελών καυσίμου MCFC που παράγονται από την Texas Instruments, η οποία χρησιμοποιούσε βενζίνη στρατιωτικής ποιότητας ως καύσιμο. Στα μέσα της δεκαετίας του 1970, το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ ξεκίνησε έρευνα για τη δημιουργία μιας σταθερής κυψέλης καυσίμου με βάση τηγμένο ανθρακικό άλας κατάλληλο για πρακτική χρήση. Στη δεκαετία του 1990, εισήχθησαν ορισμένες εμπορικές εγκαταστάσεις με ονομαστική ισχύ έως 250 kW, για παράδειγμα στον Ναυτικό Αεροπορικό Σταθμό των ΗΠΑ Miramar στην Καλιφόρνια. Το 1996, η FuelCell Energy, Inc. ξεκίνησε ένα εργοστάσιο προπαραγωγής 2 MW στη Σάντα Κλάρα της Καλιφόρνια.
Κυψέλες καυσίμου οξειδίου στερεάς κατάστασης (SOFC)
Οι κυψέλες καυσίμου οξειδίου στερεάς κατάστασης είναι απλές στο σχεδιασμό και λειτουργούν σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες - 700-1.000 °C. Τέτοιες υψηλές θερμοκρασίες επιτρέπουν τη χρήση σχετικά «βρώμικου», μη επεξεργασμένου καυσίμου. Τα ίδια χαρακτηριστικά με εκείνα των κυψελών καυσίμου που βασίζονται σε λιωμένο ανθρακικό καθορίζουν ένα παρόμοιο πεδίο εφαρμογής - μεγάλες σταθερές πηγές θερμικής και ηλεκτρικής ενέργειας.
Οι κυψέλες καυσίμου στερεού οξειδίου διαφέρουν δομικά από τις κυψέλες καυσίμου που βασίζονται σε τεχνολογίες PAFC και MCFC. Η άνοδος, η κάθοδος και ο ηλεκτρολύτης είναι κατασκευασμένα από ειδικές ποιότητες κεραμικών. Ο ηλεκτρολύτης που χρησιμοποιείται πιο συχνά είναι ένα μείγμα οξειδίου του ζιρκονίου και οξειδίου του ασβεστίου, αλλά μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν και άλλα οξείδια. Ο ηλεκτρολύτης σχηματίζει ένα κρυσταλλικό πλέγμα επικαλυμμένο και στις δύο πλευρές με πορώδες υλικό ηλεκτροδίων. Δομικά, τέτοια στοιχεία κατασκευάζονται με τη μορφή σωλήνων ή επίπεδων πλακών κυκλωμάτων, γεγονός που καθιστά δυνατή τη χρήση τεχνολογιών που χρησιμοποιούνται ευρέως στη βιομηχανία ηλεκτρονικών στην παραγωγή τους. Ως αποτέλεσμα, οι κυψέλες καυσίμου οξειδίου στερεάς κατάστασης μπορούν να λειτουργούν σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες, καθιστώντας τις πλεονεκτικές για την παραγωγή ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας.
Σε υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας, σχηματίζονται ιόντα οξυγόνου στην κάθοδο, τα οποία μεταναστεύουν μέσω του κρυσταλλικού πλέγματος προς την άνοδο, όπου αλληλεπιδρούν με ιόντα υδρογόνου, σχηματίζοντας νερό και απελευθερώνοντας ελεύθερα ηλεκτρόνια. Σε αυτή την περίπτωση, το υδρογόνο διαχωρίζεται από το φυσικό αέριο απευθείας στην κυψέλη, δηλαδή δεν υπάρχει ανάγκη για ξεχωριστό αναμορφωτή.
Τα θεωρητικά θεμέλια για τη δημιουργία κυψελών καυσίμου οξειδίου στερεάς κατάστασης τέθηκαν στα τέλη της δεκαετίας του 1930, όταν οι Ελβετοί επιστήμονες Emil Bauer και H. Preis πειραματίστηκαν με ζιρκόνιο, ύττριο, δημήτριο, λανθάνιο και βολφράμιο, χρησιμοποιώντας τα ως ηλεκτρολύτες.
Τα πρώτα πρωτότυπα τέτοιων κυψελών καυσίμου δημιουργήθηκαν στα τέλη της δεκαετίας του 1950 από μια σειρά αμερικανικών και ολλανδικών εταιρειών. Οι περισσότερες από αυτές τις εταιρείες εγκατέλειψαν σύντομα την περαιτέρω έρευνα λόγω τεχνολογικών δυσκολιών, αλλά μία από αυτές, η Westinghouse Electric Corp. (τώρα Siemens Westinghouse Power Corporation), συνέχισε την εργασία. Η εταιρεία δέχεται επί του παρόντος προπαραγγελίες για ένα εμπορικό μοντέλο σωληνοειδούς κυψέλης καυσίμου οξειδίου στερεάς κατάστασης, που αναμένεται να είναι διαθέσιμο φέτος (Εικόνα 15). Το τμήμα της αγοράς τέτοιων στοιχείων είναι σταθερές εγκαταστάσεις για την παραγωγή θερμικής και ηλεκτρικής ενέργειας ισχύος 250 kW έως 5 MW.
Οι κυψέλες καυσίμου SOFC έχουν επιδείξει πολύ υψηλή αξιοπιστία. Για παράδειγμα, μια πρωτότυπη κυψέλη καυσίμου που κατασκευάζεται από τη Siemens Westinghouse έχει επιτύχει 16.600 ώρες λειτουργίας και συνεχίζει να λειτουργεί, καθιστώντας τη τη μεγαλύτερη συνεχή ζωή κυψελών καυσίμου στον κόσμο.
Ο τρόπος λειτουργίας υψηλής θερμοκρασίας και υψηλής πίεσης των κυψελών καυσίμου SOFC επιτρέπει τη δημιουργία υβριδικών εγκαταστάσεων στις οποίες οι εκπομπές κυψελών καυσίμου οδηγούν αεριοστρόβιλους που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Η πρώτη τέτοια υβριδική εγκατάσταση λειτουργεί στο Irvine της Καλιφόρνια. Η ονομαστική ισχύς αυτής της εγκατάστασης είναι 220 kW, εκ των οποίων 200 kW από την κυψέλη καυσίμου και 20 kW από τη γεννήτρια μικροτουρμπίνας.
Οικολογία της γνώσης και της τεχνολογίας: Η ενέργεια του υδρογόνου είναι μια από τις πιο αποδοτικές βιομηχανίες και οι κυψέλες καυσίμου της επιτρέπουν να παραμείνει στην πρώτη γραμμή των καινοτόμων τεχνολογιών.
Η κυψέλη καυσίμου είναι μια συσκευή που παράγει αποτελεσματικά συνεχές ρεύμα και θερμότητα από καύσιμο πλούσιο σε υδρογόνο μέσω ηλεκτροχημικής αντίδρασης.
Μια κυψέλη καυσίμου είναι παρόμοια με μια μπαταρία στο ότι παράγει συνεχές ρεύμα μέσω μιας χημικής αντίδρασης. Και πάλι, όπως μια μπαταρία, μια κυψέλη καυσίμου περιλαμβάνει μια άνοδο, μια κάθοδο και έναν ηλεκτρολύτη. Ωστόσο, σε αντίθεση με τις μπαταρίες, οι κυψέλες καυσίμου δεν μπορούν να αποθηκεύσουν ηλεκτρική ενέργεια και δεν εκφορτίζονται ή απαιτούν ηλεκτρική ενέργεια για να επαναφορτιστούν. Οι κυψέλες καυσίμου μπορούν να παράγουν συνεχώς ηλεκτρική ενέργεια, εφόσον έχουν παροχή καυσίμου και αέρα. Ο σωστός όρος για να περιγράψει μια λειτουργική κυψέλη καυσίμου είναι ένα σύστημα κυψελών, καθώς απαιτεί ορισμένα βοηθητικά συστήματα για να λειτουργήσουν σωστά.
Σε αντίθεση με άλλες γεννήτριες ενέργειας, όπως οι κινητήρες εσωτερικής καύσης ή οι τουρμπίνες που τροφοδοτούνται από αέριο, άνθρακα, μαζούτ κ.λπ., οι κυψέλες καυσίμου δεν καίνε καύσιμο. Αυτό σημαίνει ότι δεν υπάρχουν θορυβώδεις ρότορες υψηλής πίεσης, χωρίς δυνατό θόρυβο εξάτμισης, χωρίς κραδασμούς. Οι κυψέλες καυσίμου παράγουν ηλεκτρισμό μέσω μιας σιωπηλής ηλεκτροχημικής αντίδρασης. Ένα άλλο χαρακτηριστικό των κυψελών καυσίμου είναι ότι μετατρέπουν τη χημική ενέργεια του καυσίμου απευθείας σε ηλεκτρική ενέργεια, θερμότητα και νερό.
Οι κυψέλες καυσίμου είναι εξαιρετικά αποδοτικές και δεν παράγουν μεγάλες ποσότητες αερίων του θερμοκηπίου όπως διοξείδιο του άνθρακα, μεθάνιο και οξείδιο του αζώτου. Οι μόνες εκπομπές από τις κυψέλες καυσίμου είναι το νερό με τη μορφή ατμού και μια μικρή ποσότητα διοξειδίου του άνθρακα, το οποίο δεν απελευθερώνεται καθόλου εάν χρησιμοποιείται καθαρό υδρογόνο ως καύσιμο. Οι κυψέλες καυσίμου συναρμολογούνται σε συγκροτήματα και στη συνέχεια σε μεμονωμένες λειτουργικές μονάδες.
Αρχή λειτουργίας κυψελών καυσίμου
Οι κυψέλες καυσίμου παράγουν ηλεκτρισμό και θερμότητα μέσω μιας ηλεκτροχημικής αντίδρασης χρησιμοποιώντας έναν ηλεκτρολύτη, μια κάθοδο και μια άνοδο.
Η άνοδος και η κάθοδος διαχωρίζονται από έναν ηλεκτρολύτη που μεταφέρει πρωτόνια. Μετά τη ροή του υδρογόνου στην άνοδο και του οξυγόνου στην κάθοδο, αρχίζει μια χημική αντίδραση, με αποτέλεσμα να παράγεται ηλεκτρικό ρεύμα, θερμότητα και νερό. Στον καταλύτη ανόδου, το μοριακό υδρογόνο διασπάται και χάνει ηλεκτρόνια. Τα ιόντα υδρογόνου (πρωτόνια) οδηγούνται μέσω του ηλεκτρολύτη στην κάθοδο, ενώ τα ηλεκτρόνια διέρχονται μέσω του ηλεκτρολύτη και ταξιδεύουν μέσω ενός εξωτερικού ηλεκτρικού κυκλώματος, δημιουργώντας ένα συνεχές ρεύμα που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την τροφοδοσία του εξοπλισμού. Στον καταλύτη καθόδου, ένα μόριο οξυγόνου συνδυάζεται με ένα ηλεκτρόνιο (το οποίο παρέχεται από εξωτερικές επικοινωνίες) και ένα εισερχόμενο πρωτόνιο και σχηματίζει νερό, το οποίο είναι το μόνο προϊόν αντίδρασης (με τη μορφή ατμού και/ή υγρού).
Ακολουθεί η αντίστοιχη αντίδραση:
Αντίδραση στην άνοδο: 2H2 => 4H+ + 4e-
Αντίδραση στην κάθοδο: O2 + 4H+ + 4e- => 2H2O
Γενική αντίδραση του στοιχείου: 2H2 + O2 => 2H2O
Τύποι κυψελών καυσίμου
Όπως υπάρχουν διαφορετικοί τύποι κινητήρων εσωτερικής καύσης, υπάρχουν διαφορετικοί τύποι κυψελών καυσίμου - η επιλογή του σωστού τύπου κυψέλης καυσίμου εξαρτάται από την εφαρμογή του.Οι κυψέλες καυσίμου χωρίζονται σε υψηλή θερμοκρασία και χαμηλή θερμοκρασία. Οι κυψέλες καυσίμου χαμηλής θερμοκρασίας απαιτούν σχετικά καθαρό υδρογόνο ως καύσιμο.
Αυτό συχνά σημαίνει ότι απαιτείται επεξεργασία καυσίμου για τη μετατροπή του πρωτογενούς καυσίμου (όπως το φυσικό αέριο) σε καθαρό υδρογόνο. Αυτή η διαδικασία καταναλώνει πρόσθετη ενέργεια και απαιτεί ειδικό εξοπλισμό. Οι κυψέλες καυσίμου υψηλής θερμοκρασίας δεν χρειάζονται αυτήν την πρόσθετη διαδικασία, καθώς μπορούν να «μετατρέψουν εσωτερικά» το καύσιμο σε υψηλές θερμοκρασίες, πράγμα που σημαίνει ότι δεν υπάρχει ανάγκη επένδυσης σε υποδομές υδρογόνου.
Κυψέλες καυσίμου λιωμένου ανθρακικού άλατος (MCFC).
Οι κυψέλες καυσίμου ηλεκτρολυτών λιωμένου ανθρακικού είναι κυψέλες καυσίμου υψηλής θερμοκρασίας. Η υψηλή θερμοκρασία λειτουργίας επιτρέπει την άμεση χρήση φυσικού αερίου χωρίς επεξεργαστή καυσίμου και καυσίμου αερίου με χαμηλή θερμογόνο δύναμη καυσίμου διαδικασίες παραγωγήςκαι από άλλες πηγές. Αυτή η διαδικασία αναπτύχθηκε στα μέσα της δεκαετίας του 1960. Έκτοτε, η τεχνολογία παραγωγής, η απόδοση και η αξιοπιστία έχουν βελτιωθεί.
Η λειτουργία του RCFC διαφέρει από άλλες κυψέλες καυσίμου. Αυτά τα κύτταρα χρησιμοποιούν έναν ηλεκτρολύτη που κατασκευάζεται από ένα μείγμα τηγμένων ανθρακικών αλάτων. Επί του παρόντος, χρησιμοποιούνται δύο τύποι μειγμάτων: ανθρακικό λίθιο και ανθρακικό κάλιο ή ανθρακικό λίθιο και ανθρακικό νάτριο. Για την τήξη των ανθρακικών αλάτων και την επίτευξη υψηλού βαθμού κινητικότητας ιόντων στον ηλεκτρολύτη, οι κυψέλες καυσίμου με λιωμένο ανθρακικό ηλεκτρολύτη λειτουργούν σε υψηλές θερμοκρασίες (650°C). Η απόδοση κυμαίνεται μεταξύ 60-80%.
Όταν θερμαίνονται σε θερμοκρασία 650°C, τα άλατα γίνονται αγωγός για τα ανθρακικά ιόντα (CO32-). Αυτά τα ιόντα περνούν από την κάθοδο στην άνοδο, όπου ενώνονται με το υδρογόνο για να σχηματίσουν νερό, διοξείδιο του άνθρακα και ελεύθερα ηλεκτρόνια. Αυτά τα ηλεκτρόνια στέλνονται μέσω ενός εξωτερικού ηλεκτρικού κυκλώματος πίσω στην κάθοδο, παράγοντας ηλεκτρικό ρεύμα και θερμότητα ως παραπροϊόν.
Αντίδραση στην άνοδο: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e-
Αντίδραση στην κάθοδο: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-
Γενική αντίδραση του στοιχείου: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(κάθοδος) => H2O(g) + CO2(άνοδος)
Οι υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας των κυψελών καυσίμου λιωμένου ανθρακικού ηλεκτρολύτη έχουν ορισμένα πλεονεκτήματα. Σε υψηλές θερμοκρασίες, το φυσικό αέριο αναμορφώνεται εσωτερικά, εξαλείφοντας την ανάγκη για επεξεργαστή καυσίμου. Επιπλέον, τα πλεονεκτήματα περιλαμβάνουν τη δυνατότητα χρήσης τυποποιημένα υλικάδομές όπως το φύλλο ανοξείδωτο ατσάλικαι καταλύτης νικελίου στα ηλεκτρόδια. Η απορριπτόμενη θερμότητα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ατμού υψηλής πίεσης για διάφορους βιομηχανικούς και εμπορικούς σκοπούς.
Οι υψηλές θερμοκρασίες αντίδρασης στον ηλεκτρολύτη έχουν επίσης τα πλεονεκτήματά τους. Η χρήση υψηλών θερμοκρασιών απαιτεί σημαντικό χρόνο για να επιτευχθούν οι βέλτιστες συνθήκες λειτουργίας και το σύστημα ανταποκρίνεται πιο αργά στις αλλαγές στην κατανάλωση ενέργειας. Αυτά τα χαρακτηριστικά επιτρέπουν τη χρήση εγκαταστάσεων κυψελών καυσίμου με λιωμένο ανθρακικό ηλεκτρολύτη υπό συνθήκες σταθερής ισχύος. Οι υψηλές θερμοκρασίες αποτρέπουν τη φθορά της κυψέλης καυσίμου από μονοξείδιο του άνθρακα, «δηλητηρίαση» κ.λπ.
Οι κυψέλες καυσίμου με λιωμένο ανθρακικό ηλεκτρολύτη είναι κατάλληλες για χρήση σε μεγάλες σταθερές εγκαταστάσεις. Εμπορικά παράγονται θερμοηλεκτρικοί σταθμοί με ηλεκτρική ισχύ εξόδου 2,8 MW. Αναπτύσσονται εγκαταστάσεις με ισχύ εξόδου έως 100 MW.
Κυψέλες καυσίμου φωσφορικού οξέος (PAFC).
Οι κυψέλες καυσίμου με φωσφορικό (ορθοφωσφορικό) οξύ ήταν οι πρώτες κυψέλες καυσίμου για εμπορική χρήση. Η διαδικασία αναπτύχθηκε στα μέσα της δεκαετίας του 1960 και έχει δοκιμαστεί από τη δεκαετία του 1970. Έκτοτε, η σταθερότητα και η απόδοση έχουν αυξηθεί και το κόστος έχει μειωθεί.
Οι κυψέλες καυσίμου φωσφορικού (ορθοφωσφορικού) οξέος χρησιμοποιούν ηλεκτρολύτη με βάση το ορθοφωσφορικό οξύ (H3PO4) σε συγκεντρώσεις έως και 100%. Η ιοντική αγωγιμότητα του φωσφορικού οξέος είναι χαμηλή σε χαμηλές θερμοκρασίες, για το λόγο αυτό αυτές οι κυψέλες καυσίμου χρησιμοποιούνται σε θερμοκρασίες έως 150–220°C.
Ο φορέας φορτίου σε κυψέλες καυσίμου αυτού του τύπου είναι το υδρογόνο (Η+, πρωτόνιο). Μια παρόμοια διαδικασία συμβαίνει στις κυψέλες καυσίμου με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (PEMFCs), στις οποίες το υδρογόνο που παρέχεται στην άνοδο χωρίζεται σε πρωτόνια και ηλεκτρόνια. Τα πρωτόνια ταξιδεύουν μέσω του ηλεκτρολύτη και συνδυάζονται με το οξυγόνο από τον αέρα στην κάθοδο για να σχηματίσουν νερό. Τα ηλεκτρόνια στέλνονται μέσω ενός εξωτερικού ηλεκτρικού κυκλώματος, παράγοντας έτσι ηλεκτρικό ρεύμα. Ακολουθούν αντιδράσεις που παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα και θερμότητα.
Αντίδραση στην άνοδο: 2H2 => 4H+ + 4e-
Αντίδραση στην κάθοδο: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O
Γενική αντίδραση του στοιχείου: 2H2 + O2 => 2H2O
Η απόδοση των κυψελών καυσίμου με βάση το φωσφορικό (ορθοφωσφορικό) οξύ είναι μεγαλύτερη από 40% όταν παράγουν ηλεκτρική ενέργεια. Με τη συνδυασμένη παραγωγή θερμότητας και ηλεκτρικής ενέργειας, η συνολική απόδοση είναι περίπου 85%. Επιπλέον, δεδομένων των θερμοκρασιών λειτουργίας, η απορριπτόμενη θερμότητα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη θέρμανση του νερού και τη δημιουργία ατμού ατμοσφαιρικής πίεσης.
Η υψηλή απόδοση των θερμοηλεκτρικών σταθμών που χρησιμοποιούν κυψέλες καυσίμου με βάση το φωσφορικό (ορθοφωσφορικό) οξύ στη συνδυασμένη παραγωγή θερμικής και ηλεκτρικής ενέργειας είναι ένα από τα πλεονεκτήματα αυτού του τύπου κυψελών καυσίμου. Οι μονάδες χρησιμοποιούν μονοξείδιο του άνθρακα με συγκέντρωση περίπου 1,5%, γεγονός που διευρύνει σημαντικά την επιλογή του καυσίμου. Επιπλέον, το CO2 δεν επηρεάζει τον ηλεκτρολύτη και τη λειτουργία της κυψέλης καυσίμου αυτού του τύπου κυψελών λειτουργεί με αναμορφωμένο φυσικό καύσιμο. Απλός σχεδιασμός, χαμηλός βαθμός πτητικότητας ηλεκτρολυτών και αυξημένη σταθερότητα είναι επίσης πλεονεκτήματα αυτού του τύπου κυψελών καυσίμου.
Εμπορικά παράγονται θερμοηλεκτρικοί σταθμοί με ηλεκτρική ισχύ εξόδου έως 400 kW. Οι εγκαταστάσεις των 11 MW έχουν περάσει τις κατάλληλες δοκιμές. Αναπτύσσονται εγκαταστάσεις με ισχύ εξόδου έως 100 MW.
Κυψέλες καυσίμου με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (PEMFCs)
Τα στοιχεία καυσίμου με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων θεωρούνται τα περισσότερα ο καλύτερος τύποςκυψέλες καυσίμου για την παραγωγή ενέργειας για οχήματα, τα οποία μπορούν να αντικαταστήσουν τους κινητήρες εσωτερικής καύσης βενζίνης και ντίζελ. Αυτές οι κυψέλες καυσίμου χρησιμοποιήθηκαν για πρώτη φορά από τη NASA για το πρόγραμμα Gemini. Σήμερα αναπτύσσονται και επιδεικνύονται εγκαταστάσεις MOPFC με ισχύ από 1 W έως 2 kW.
Αυτές οι κυψέλες καυσίμου χρησιμοποιούν μια στερεή μεμβράνη πολυμερούς (μια λεπτή μεμβράνη από πλαστικό) ως ηλεκτρολύτη. Όταν είναι κορεσμένο με νερό, αυτό το πολυμερές επιτρέπει στα πρωτόνια να περάσουν αλλά δεν μεταφέρει ηλεκτρόνια.
Το καύσιμο είναι υδρογόνο και ο φορέας φορτίου είναι ένα ιόν υδρογόνου (πρωτόνιο). Στην άνοδο, το μόριο υδρογόνου χωρίζεται σε ιόν υδρογόνου (πρωτόνιο) και ηλεκτρόνια. Τα ιόντα υδρογόνου περνούν μέσω του ηλεκτρολύτη στην κάθοδο και τα ηλεκτρόνια κινούνται γύρω από τον εξωτερικό κύκλο και παράγουν ηλεκτρική ενέργεια. Το οξυγόνο, το οποίο λαμβάνεται από τον αέρα, παρέχεται στην κάθοδο και συνδυάζεται με ηλεκτρόνια και ιόντα υδρογόνου για να σχηματίσει νερό. Στα ηλεκτρόδια συμβαίνουν οι ακόλουθες αντιδράσεις:
Αντίδραση στην άνοδο: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Αντίδραση στην κάθοδο: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Γενική αντίδραση του στοιχείου: 2H2 + O2 => 2H2O
Σε σύγκριση με άλλους τύπους κυψελών καυσίμου, οι κυψέλες καυσίμου με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων παράγουν περισσότερη ενέργεια για έναν δεδομένο όγκο ή βάρος κυψελών καυσίμου. Αυτό το χαρακτηριστικό τους επιτρέπει να είναι συμπαγείς και ελαφριές. Επιπλέον, η θερμοκρασία λειτουργίας είναι μικρότερη από 100°C, γεγονός που σας επιτρέπει να ξεκινήσετε γρήγορα τη λειτουργία. Αυτά τα χαρακτηριστικά, καθώς και η δυνατότητα γρήγορης αλλαγής της παραγωγής ενέργειας, είναι μερικά μόνο από τα χαρακτηριστικά που καθιστούν αυτές τις κυψέλες καυσίμου πρωταρχικό υποψήφιο για χρήση σε οχήματα.
Ένα άλλο πλεονέκτημα είναι ότι ο ηλεκτρολύτης είναι στερεός και όχι υγρός. Είναι ευκολότερο να συγκρατηθούν αέρια στην κάθοδο και στην άνοδο χρησιμοποιώντας έναν στερεό ηλεκτρολύτη, και επομένως τέτοιες κυψέλες καυσίμου είναι φθηνότερες στην παραγωγή. Σε σύγκριση με άλλους ηλεκτρολύτες, οι στερεοί ηλεκτρολύτες δεν δημιουργούν προβλήματα προσανατολισμού, λιγότερα προβλήματα διάβρωσης, με αποτέλεσμα τη μεγαλύτερη διάρκεια ζωής του στοιχείου και των συστατικών του.
Κυψέλες καυσίμου στερεού οξειδίου (SOFC)
Οι κυψέλες καυσίμου στερεού οξειδίου είναι οι κυψέλες καυσίμου με την υψηλότερη θερμοκρασία λειτουργίας. Η θερμοκρασία λειτουργίας μπορεί να κυμαίνεται από 600°C έως 1000°C, επιτρέποντας τη χρήση διαφορετικών τύπων καυσίμου χωρίς ειδική προεπεξεργασία. Για τη διαχείριση τόσο υψηλών θερμοκρασιών, ο ηλεκτρολύτης που χρησιμοποιείται είναι ένα λεπτό στερεό οξείδιο μετάλλου σε μια κεραμική βάση, συχνά ένα κράμα υττρίου και ζιρκονίου, το οποίο είναι αγωγός των ιόντων οξυγόνου (O2-). Η τεχνολογία κυψελών καυσίμου στερεού οξειδίου έχει αναπτυχθεί από τα τέλη της δεκαετίας του 1950. και έχει δύο διαμορφώσεις: επίπεδες και σωληνοειδείς.
Ο στερεός ηλεκτρολύτης παρέχει μια σφραγισμένη μετάβαση αερίου από το ένα ηλεκτρόδιο στο άλλο, ενώ οι υγροί ηλεκτρολύτες βρίσκονται σε ένα πορώδες υπόστρωμα. Ο φορέας φορτίου σε κυψέλες καυσίμου αυτού του τύπου είναι το ιόν οξυγόνου (O2-). Στην κάθοδο, τα μόρια οξυγόνου από τον αέρα διαχωρίζονται σε ένα ιόν οξυγόνου και τέσσερα ηλεκτρόνια. Τα ιόντα οξυγόνου διέρχονται από τον ηλεκτρολύτη και ενώνονται με το υδρογόνο, δημιουργώντας τέσσερα ελεύθερα ηλεκτρόνια. Τα ηλεκτρόνια στέλνονται μέσω ενός εξωτερικού ηλεκτρικού κυκλώματος, παράγοντας ηλεκτρικό ρεύμα και σπατάλη θερμότητας.
Αντίδραση στην άνοδο: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e-
Αντίδραση στην κάθοδο: O2 + 4e- => 2O2-
Γενική αντίδραση του στοιχείου: 2H2 + O2 => 2H2O
Η απόδοση της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας είναι η υψηλότερη από όλες τις κυψέλες καυσίμου - περίπου 60%. Επιπλέον, οι υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας επιτρέπουν τη συνδυασμένη παραγωγή θερμικής και ηλεκτρικής ενέργειας για την παραγωγή ατμού υψηλής πίεσης. Ο συνδυασμός μιας κυψέλης καυσίμου υψηλής θερμοκρασίας με έναν στρόβιλο καθιστά δυνατή τη δημιουργία μιας υβριδικής κυψέλης καυσίμου για αύξηση της απόδοσης παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας έως και 70%.
Οι κυψέλες καυσίμου στερεού οξειδίου λειτουργούν σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες (600°C–1000°C), με αποτέλεσμα σημαντικό χρόνο για την επίτευξη βέλτιστων συνθηκών λειτουργίας και βραδύτερη απόκριση του συστήματος στις αλλαγές στην κατανάλωση ενέργειας. Σε τόσο υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας, δεν απαιτείται μετατροπέας για την ανάκτηση υδρογόνου από το καύσιμο, επιτρέποντας στον θερμοηλεκτρικό σταθμό να λειτουργεί με σχετικά ακάθαρτα καύσιμα που προκύπτουν από αεριοποίηση άνθρακα ή απαερίων κ.λπ. Η κυψέλη καυσίμου είναι επίσης εξαιρετική για εφαρμογές υψηλής ισχύος, συμπεριλαμβανομένων βιομηχανικών και μεγάλων κεντρικών σταθμών παραγωγής ενέργειας. Οι μονάδες με ηλεκτρική ισχύ εξόδου 100 kW παράγονται στο εμπόριο.
Κυψέλες καυσίμου άμεσης οξείδωσης μεθανόλης (DOMFC)
Η τεχνολογία της χρήσης κυψελών καυσίμου με άμεση οξείδωση της μεθανόλης βρίσκεται σε περίοδο ενεργούς ανάπτυξης. Έχει αποδειχθεί με επιτυχία στον τομέα της τροφοδοσίας κινητών τηλεφώνων, φορητών υπολογιστών, καθώς και στη δημιουργία φορητών πηγών ενέργειας. Σε αυτό στοχεύει η μελλοντική χρήση αυτών των στοιχείων.
Ο σχεδιασμός κυψελών καυσίμου με άμεση οξείδωση μεθανόλης είναι παρόμοιος με κυψέλες καυσίμου με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (MEPFC), δηλ. Ένα πολυμερές χρησιμοποιείται ως ηλεκτρολύτης και ένα ιόν υδρογόνου (πρωτόνιο) χρησιμοποιείται ως φορέας φορτίου. Ωστόσο, η υγρή μεθανόλη (CH3OH) οξειδώνεται παρουσία νερού στην άνοδο, απελευθερώνοντας CO2, ιόντα υδρογόνου και ηλεκτρόνια, τα οποία αποστέλλονται μέσω ενός εξωτερικού ηλεκτρικού κυκλώματος, δημιουργώντας έτσι ηλεκτρικό ρεύμα. Τα ιόντα υδρογόνου διέρχονται από τον ηλεκτρολύτη και αντιδρούν με το οξυγόνο από τον αέρα και τα ηλεκτρόνια από το εξωτερικό κύκλωμα για να σχηματίσουν νερό στην άνοδο.
Αντίδραση στην άνοδο: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e-
Αντίδραση στην κάθοδο: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O
Γενική αντίδραση του στοιχείου: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O
Η ανάπτυξη αυτών των κυψελών καυσίμου ξεκίνησε στις αρχές της δεκαετίας του 1990. Με την ανάπτυξη βελτιωμένων καταλυτών και άλλων πρόσφατων καινοτομιών, η πυκνότητα ισχύος και η απόδοση έχουν αυξηθεί στο 40%.
Αυτά τα στοιχεία δοκιμάστηκαν στην περιοχή θερμοκρασίας 50-120°C. Λόγω των χαμηλών θερμοκρασιών λειτουργίας και της έλλειψης ανάγκης για μετατροπέα, οι κυψέλες καυσίμου άμεσης οξείδωσης μεθανόλης είναι οι καλύτεροι υποψήφιοι και για τα δύο κινητά τηλέφωνακαι άλλα καταναλωτικά αγαθά, καθώς και σε κινητήρες αυτοκινήτων. Το πλεονέκτημα αυτού του τύπου κυψελών καυσίμου είναι το μικρό τους μέγεθος, λόγω της χρήσης υγρού καυσίμου, και η απουσία ανάγκης χρήσης μετατροπέα.
Αλκαλικές κυψέλες καυσίμου (ALFC)
Οι αλκαλικές κυψέλες καυσίμου (AFC) είναι μια από τις πιο μελετημένες τεχνολογίες, που χρησιμοποιείται από τα μέσα της δεκαετίας του 1960. από τη NASA στα προγράμματα Apollo και Space Shuttle. Σε αυτά τα διαστημόπλοια, οι κυψέλες καυσίμου παράγουν ηλεκτρική ενέργεια και πόσιμο νερό. Οι αλκαλικές κυψέλες καυσίμου είναι μια από τις πιο αποδοτικές κυψέλες που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, με απόδοση παραγωγής ενέργειας που φτάνει έως και 70%.
Οι αλκαλικές κυψέλες καυσίμου χρησιμοποιούν έναν ηλεκτρολύτη, ένα υδατικό διάλυμα υδροξειδίου του καλίου, που περιέχεται σε μια πορώδη, σταθεροποιημένη μήτρα. Η συγκέντρωση υδροξειδίου του καλίου μπορεί να ποικίλλει ανάλογα με τη θερμοκρασία λειτουργίας της κυψέλης καυσίμου, η οποία κυμαίνεται από 65°C έως 220°C. Ο φορέας φορτίου στο SHTE είναι το ιόν υδροξυλίου (OH-), που κινείται από την κάθοδο προς την άνοδο, όπου αντιδρά με το υδρογόνο, παράγοντας νερό και ηλεκτρόνια. Το νερό που παράγεται στην άνοδο κινείται πίσω στην κάθοδο, δημιουργώντας και πάλι ιόντα υδροξυλίου εκεί. Ως αποτέλεσμα αυτής της σειράς αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα στην κυψέλη καυσίμου, παράγεται ηλεκτρισμός και, ως υποπροϊόν, θερμότητα:
Αντίδραση στην άνοδο: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Αντίδραση στην κάθοδο: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Γενική αντίδραση του συστήματος: 2H2 + O2 => 2H2O
Το πλεονέκτημα του SHTE είναι ότι αυτές οι κυψέλες καυσίμου είναι οι φθηνότερες στην παραγωγή, καθώς ο καταλύτης που απαιτείται στα ηλεκτρόδια μπορεί να είναι οποιαδήποτε από τις ουσίες που είναι φθηνότερες από αυτές που χρησιμοποιούνται ως καταλύτες για άλλες κυψέλες καυσίμου. Επιπλέον, οι SFC λειτουργούν σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες και είναι από τις πιο αποδοτικές κυψέλες καυσίμου - τέτοια χαρακτηριστικά μπορούν κατά συνέπεια να συμβάλουν στην ταχύτερη παραγωγή ενέργειας και στην υψηλή απόδοση καυσίμου.
Ένα από τα χαρακτηριστικά γνωρίσματα του SHTE είναι η υψηλή ευαισθησία του στο CO2, το οποίο μπορεί να περιέχεται στο καύσιμο ή στον αέρα. Το CO2 αντιδρά με τον ηλεκτρολύτη, τον δηλητηριάζει γρήγορα και μειώνει σημαντικά την απόδοση της κυψέλης καυσίμου. Επομένως, η χρήση του SHTE περιορίζεται σε κλειστούς χώρους, όπως διαστημικά και υποβρύχια οχήματα, πρέπει να λειτουργούν με καθαρό υδρογόνο και οξυγόνο. Επιπλέον, μόρια όπως το CO, το H2O και το CH4, που είναι ασφαλή για άλλες κυψέλες καυσίμου και λειτουργούν ακόμη και ως καύσιμο για ορισμένες από αυτές, είναι επιβλαβή για το SHFC.
Κυψέλες καυσίμου πολυμερών ηλεκτρολυτών (PEFC)
Στην περίπτωση των κυψελών καυσίμου πολυμερούς ηλεκτρολύτη, η πολυμερής μεμβράνη αποτελείται από ίνες πολυμερούς με περιοχές νερού στις οποίες αγωγιμότητας ιόντα νερού H2O+ (πρωτόνιο, κόκκινο) προσκολλώνται σε ένα μόριο νερού. Τα μόρια του νερού δημιουργούν πρόβλημα λόγω της αργής ανταλλαγής ιόντων. Επομένως, απαιτείται υψηλή συγκέντρωση νερού τόσο στο καύσιμο όσο και στα ηλεκτρόδια εξόδου, γεγονός που περιορίζει τη θερμοκρασία λειτουργίας στους 100°C.
Κυψέλες καυσίμου στερεού οξέος (SFC)
Στις κυψέλες καυσίμου στερεού οξέος, ο ηλεκτρολύτης (CsHSO4) δεν περιέχει νερό. Επομένως, η θερμοκρασία λειτουργίας είναι 100-300°C. Η περιστροφή των οξυ ανιόντων SO42 επιτρέπει στα πρωτόνια (κόκκινο) να κινηθούν όπως φαίνεται στο σχήμα.
Συνήθως, μια κυψέλη καυσίμου στερεού οξέος είναι ένα σάντουιτς στο οποίο είναι πολύ λεπτό στρώμαΗ ένωση στερεού οξέος τοποθετείται ανάμεσα σε δύο σφιχτά συμπιεσμένα ηλεκτρόδια για να εξασφαλίσει καλή επαφή. Όταν θερμαίνεται, το οργανικό συστατικό εξατμίζεται, εξέρχονται από τους πόρους στα ηλεκτρόδια, διατηρώντας την ικανότητα πολλαπλών επαφών μεταξύ του καυσίμου (ή του οξυγόνου στο άλλο άκρο των στοιχείων), του ηλεκτρολύτη και των ηλεκτροδίων
| Τύπος κυψέλης καυσίμου | Θερμοκρασία εργασίας | Απόδοση παραγωγής ενέργειας | Τύπος καυσίμου | Περιοχή εφαρμογής |
|---|---|---|---|---|
| RKTE | 550–700°C | 50-70% | Μεσαίες και μεγάλες εγκαταστάσεις | |
| FCTE | 100–220°C | 35-40% | Καθαρό υδρογόνο | Μεγάλες εγκαταστάσεις |
| ΜΟΠΤΕ | 30-100°C | 35-50% | Καθαρό υδρογόνο | Μικρές εγκαταστάσεις |
| SOFC | 450–1000°C | 45-70% | Τα περισσότερα καύσιμα υδρογονανθράκων | Μικρές, μεσαίες και μεγάλες εγκαταστάσεις |
| PEMFC | 20-90°C | 20-30% | Μεθανόλη | Φορητές μονάδες |
| SHTE | 50–200°C | 40-65% | Καθαρό υδρογόνο | Διαστημική έρευνα |
| PETE | 30-100°C | 35-50% | Καθαρό υδρογόνο | Μικρές εγκαταστάσεις |
Ελάτε μαζί μας