Schemat zasilania ogniwem paliwowym. Jak działają ogniwa paliwowe. Jak było

Ostatnio temat ogniw paliwowych jest na ustach wszystkich. I nie jest to zaskakujące, wraz z pojawieniem się tej technologii w świecie elektroniki, znalazła ona nowe narodziny. Światowi liderzy w dziedzinie mikroelektroniki ścigają się, aby zaprezentować prototypy swoich przyszłych produktów, które będą integrować ich własne mini elektrownie. Z jednej strony powinno to poluzować wiązanie urządzenia mobilne do „gniazda”, a z drugiej strony przedłużyć ich żywotność żywotność baterii.

Ponadto część z nich działa w oparciu o etanol, więc rozwój tych technologii jest bezpośrednią korzyścią dla producentów napojów alkoholowych – za kilkanaście lat kolejki „informatyków” stojących za kolejną „dawką” dla swoich laptop ustawi się w kolejce w destylarni wina.

Nie możemy trzymać się z daleka od „gorączki” ogniw paliwowych, która ogarnęła przemysł Hi-Tech, i postaramy się dowiedzieć, jakim zwierzęciem jest ta technologia, z czym jest zjadana i kiedy powinniśmy się jej spodziewać "żywnościowy". W tym materiale rozważymy drogę, jaką przebyły ogniwa paliwowe od momentu odkrycia tej technologii do dnia dzisiejszego. Postaramy się również ocenić perspektywy ich wdrożenia i rozwoju w przyszłości.

Jak było

Po raz pierwszy zasadę działania urządzenia z ogniwami paliwowymi opisał Christian Friedrich Schonbein w 1838 roku, a rok później w czasopiśmie Philosophical Journal opublikowano jego artykuł na ten temat. Były to jednak tylko opracowania teoretyczne. Pierwsze działające ogniwo paliwowe ujrzało światło dzienne w 1843 r. w laboratorium naukowca pochodzenia walijskiego, Sir Williama Roberta Grove'a. Przy jego tworzeniu wynalazca wykorzystał materiały podobne do tych stosowanych w nowoczesnych akumulatorach kwasu fosforowego. Następnie ogniwo paliwowe Sir Grove zostało ulepszone przez W. Thomasa Gruba. W 1955 chemik, który pracował dla legendarnej General Electric Company, zastosował membranę jonowymienną z sulfonowanego polistyrenu jako elektrolit w ogniwie paliwowym. Dopiero trzy lata później jego kolega Leonard Niedrach zaproponował technologię nakładania platyny na membranę, która pełniła rolę katalizatora w procesie utleniania wodoru i poboru tlenu.

„Ojciec” ogniw paliwowych Christian Schönbein

Zasady te stały się podstawą nowej generacji ogniw paliwowych, nazwanych od ich twórców elementami „Grubb-Nidrach”. General Electric kontynuował rozwój w tym kierunku, w którym przy pomocy NASA i giganta lotniczego McDonnell Aircraft powstało pierwsze komercyjne ogniwo paliwowe. Nowa technologia została zauważona za granicą. A już w 1959 roku Brytyjczyk Francis Bacon (Francis Thomas Bacon) wprowadził stacjonarne ogniwo paliwowe o mocy 5 kW. Jego opatentowane projekty były następnie licencjonowane przez Amerykanów i wykorzystywane w statkach kosmicznych NASA w systemach zasilania i zaopatrzenia w wodę pitną. W tym samym roku Amerykanin Harry Ihrig zbudował pierwszy ciągnik na ogniwo paliwowe (łączna moc 15 kW). Wodorotlenek potasu był używany jako elektrolit w akumulatorach, a sprężony wodór i tlen były używane jako odczynniki.

Po raz pierwszy produkcję stacjonarnych ogniw paliwowych do celów komercyjnych uruchomiła firma UTC Power, która oferowała systemy zasilania awaryjnego dla szpitali, uczelni i centrów biznesowych. Firma ta, będąca światowym liderem w tej dziedzinie, nadal produkuje podobne rozwiązania o mocy do 200 kW. Jest także głównym dostawcą ogniw paliwowych dla NASA. Jej produkty były szeroko stosowane podczas programu kosmicznego Apollo i nadal są poszukiwane w ramach programu Space Shuttle. UTC Power oferuje również ogniwa paliwowe o „zużyciu konsumenckim” do szerokiej gamy zastosowań w pojazdach. Jako pierwsza stworzyła ogniwo paliwowe, które pozwala na odbiór prądu o ujemne temperatury poprzez zastosowanie membrany do wymiany protonów.

Jak to działa

Naukowcy eksperymentowali z różnymi substancjami jako odczynnikami. Jednak podstawowe zasady działania ogniw paliwowych, pomimo znacząco odmiennych charakterystyk użytkowych, pozostają niezmienione. Każde ogniwo paliwowe jest urządzeniem do elektrochemicznej konwersji energii. Wytwarza energię elektryczną z określonej ilości paliwa (po stronie anody) i utleniacza (po stronie katody). Reakcja przebiega w obecności elektrolitu (substancji zawierającej wolne jony i zachowującej się jak ośrodek przewodzący prąd elektryczny). W zasadzie w każdym takim urządzeniu wchodzą do niego pewne odczynniki i produkty ich reakcji, które są usuwane po przeprowadzeniu reakcji elektrochemicznej. Elektrolit w tym przypadku służy jedynie jako ośrodek oddziaływania reagentów i nie zmienia się w ogniwie paliwowym. Opierając się na takim schemacie, idealne ogniwo paliwowe powinno działać tak długo, jak istnieje zapas substancji niezbędnych do reakcji.

Ogniw paliwowych nie należy tutaj mylić z konwencjonalnymi akumulatorami. W pierwszym przypadku część „paliwa” jest zużywana do produkcji energii elektrycznej, którą później trzeba uzupełnić. W przypadku ogniw galwanicznych energia elektryczna jest magazynowana w zamkniętym układzie chemicznym. W przypadku akumulatorów przyłożenie prądu pozwala na zajście odwrotnej reakcji elektrochemicznej i przywrócenie odczynników do stanu pierwotnego (czyli naładowanie ich). Możliwe są różne kombinacje paliwa i utleniacza. Na przykład wodorowe ogniwo paliwowe wykorzystuje wodór i tlen (środek utleniający) jako reagenty. Często jako paliwo stosuje się wodorowęglany i alkohole, a powietrze, chlor i dwutlenek chloru działają jako utleniacze.

Reakcja katalityczna zachodząca w ogniwie paliwowym wybija elektrony i protony z paliwa, a poruszające się elektrony tworzą prąd elektryczny. Ogniwa paliwowe zazwyczaj wykorzystują platynę lub jej stopy jako katalizator przyspieszający reakcję. Kolejny proces katalityczny zwraca elektrony poprzez połączenie ich z protonami i czynnikiem utleniającym, co powoduje powstawanie produktów reakcji (emisje). Z reguły te emisje to proste substancje: woda i dwutlenek węgla.

W konwencjonalnym ogniwie paliwowym z membraną do wymiany protonów (PEMFC), polimeryczna membrana przewodząca protony oddziela boki anody i katody. Od strony katody wodór dyfunduje na katalizator anodowy, gdzie następnie uwalniane są z niego elektrony i protony. Protony przechodzą następnie przez membranę do katody, a elektrony, które nie mogą podążać za protonami (membrana jest izolowana elektrycznie), są kierowane przez obwód obciążenia zewnętrznego (system zasilania). Po stronie katalizatora katodowego tlen reaguje z protonami, które przeszły przez membranę i elektronami, które przechodzą przez zewnętrzny obwód obciążenia. W wyniku tej reakcji uzyskuje się wodę (w postaci pary lub cieczy). Na przykład produktami reakcji w ogniwach paliwowych wykorzystujących paliwa węglowodorowe (metanol, olej napędowy) są woda i dwutlenek węgla.

Prawie wszystkie typy ogniw paliwowych cierpią na straty elektryczne, spowodowane zarówno naturalną rezystancją styków i elementów ogniwa paliwowego, jak i przepięciem elektrycznym (dodatkowa energia potrzebna do początkowa reakcja). W niektórych przypadkach nie da się całkowicie uniknąć tych strat, a czasem „gra nie jest warta świeczki”, ale najczęściej można je zredukować do akceptowalnego minimum. Rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie zestawów tych urządzeń, w których ogniwa paliwowe, w zależności od wymagań stawianych systemowi zasilania, mogą być łączone równolegle (większy prąd) lub szeregowo (większe napięcie).

Rodzaje ogniw paliwowych

Istnieje wiele rodzajów ogniw paliwowych, ale postaramy się pokrótce omówić najpopularniejsze z nich.

Alkaliczne ogniwa paliwowe (AFC)

Alkaliczne lub alkaliczne ogniwa paliwowe, zwane również ogniwami Bacon od ich brytyjskiego „ojca”, są jedną z najlepiej rozwiniętych technologii ogniw paliwowych. To właśnie te urządzenia pomogły człowiekowi postawić stopę na Księżycu. Generalnie NASA używa tego typu ogniw paliwowych od połowy lat sześćdziesiątych. AFC zużywają wodór i czysty tlen do produkcji wody pitnej, ciepła i elektryczności. W dużej mierze ze względu na to, że ta technologia jest dobrze rozwinięta, ma jeden z najwyższych wskaźników wydajności wśród podobnych systemów (ok. 70% potencjału).

Jednak ta technologia ma również swoje wady. Ze względu na specyfikę stosowania ciekłej substancji alkalicznej jako elektrolitu, która nie blokuje dwutlenku węgla, istnieje możliwość reakcji wodorotlenku potasu (jedna z opcji stosowanego elektrolitu) z tym składnikiem zwykłego powietrza. Rezultatem może być trujący związek węglanu potasu. Aby tego uniknąć, konieczne jest użycie czystego tlenu lub oczyszczenie powietrza z dwutlenku węgla. Oczywiście wpływa to na koszt takich urządzeń. Jednak pomimo tego AFC są obecnie najtańszymi dostępnymi ogniwami paliwowymi w produkcji.

Bezpośrednie Borowodorkowe Ogniwa Paliwowe (DBFC)

Ten podtyp alkalicznych ogniw paliwowych wykorzystuje jako paliwo borowodorek sodu. Jednak w przeciwieństwie do konwencjonalnych wodorowych AFC, ta technologia ma jedną istotną zaletę - brak ryzyka wytwarzania toksycznych związków po kontakcie z dwutlenkiem węgla. Jednak produktem jego reakcji jest substancja boraks, która jest szeroko stosowana w detergenty i mydło. Boraks jest stosunkowo nietoksyczny.

DBFC mogą być tańsze niż tradycyjne ogniwa paliwowe, ponieważ nie wymagają drogich katalizatorów platynowych. Ponadto mają wyższą gęstość energii. Szacuje się, że wyprodukowanie kilograma borowodorku sodu kosztuje 50 USD, ale jeśli zorganizujesz jego masową produkcję i zorganizujesz obróbkę boraksu, to ten pasek można zmniejszyć 50-krotnie.

Ogniwa paliwowe z wodorkiem metali (MHFC)

Ta podklasa alkalicznych ogniw paliwowych jest obecnie aktywnie badana. Cechą tych urządzeń jest możliwość chemicznego przechowywania wodoru wewnątrz ogniwa paliwowego. Bezpośrednie ogniwo paliwowe borowodorkowe ma taką samą zdolność, ale w przeciwieństwie do niego, MHFC jest wypełnione czystym wodorem.

Wśród charakterystycznych cech tych ogniw paliwowych są:

• możliwość ładowania z energii elektrycznej;
• praca w niskich temperaturach - do -20°C;
• długi okres trwałości;
• szybki „zimny” start;
• możliwość pracy przez pewien czas bez zewnętrznego źródła wodoru (na okres wymiany paliwa).

Pomimo tego, że wiele firm pracuje nad stworzeniem masowo produkowanych MHFC, wydajność prototypów nie jest wystarczająco wysoka w porównaniu z konkurencyjnymi technologiami. Jedna z najlepszych gęstości prądu dla tych ogniw paliwowych wynosi 250 miliamperów na centymetr kwadratowy, przy czym konwencjonalne ogniwa paliwowe PEMFC zapewniają gęstość prądu 1 amper na centymetr kwadratowy.

Elektrogalwaniczne ogniwa paliwowe (EGFC)

Reakcja chemiczna w EGFC zachodzi przy udziale wodorotlenku potasu i tlenu. Powoduje to wytwarzanie prądu elektrycznego między anodą ołowiową a katodą platerowaną złotem. Napięcie wyjściowe z elektrogalwanicznego ogniwa paliwowego jest wprost proporcjonalne do ilości tlenu. Ta funkcja pozwoliła na szerokie zastosowanie EGFC jako urządzenia do testowania tlenu w sprzęcie do nurkowania i sprzęcie medycznym. Ale właśnie z powodu tej zależności ogniwa paliwowe z wodorotlenkiem potasu mają bardzo ograniczony okres efektywnej pracy (o ile stężenie tlenu jest wysokie).

Pierwszy certyfikowane urządzenia Testy stężenia tlenu EGFC stały się powszechnie dostępne w 2005 roku, ale nie zyskały wówczas dużej popularności. Wypuszczony dwa lata później znacznie zmodyfikowany model odniósł znacznie większy sukces, a nawet otrzymał nagrodę za „innowację” na specjalistycznym pokazie nurków na Florydzie. Obecnie korzystają z nich takie organizacje jak NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) oraz DDRC (Diving Diseases Research Center).

Ogniwa paliwowe z bezpośrednim kwasem mrówkowym (DFAFC)

Te ogniwa paliwowe są podtypem urządzeń z bezpośrednim kwasem mrówkowym PEMFC. Ze względu na swoją specyfikę, ogniwa te mają dużą szansę w przyszłości stać się głównym źródłem zasilania takiej przenośnej elektroniki jak laptopy, telefony komórkowe itp.

Podobnie jak metanol, kwas mrówkowy jest podawany bezpośrednio do ogniwa paliwowego bez specjalnego etapu oczyszczania. O wiele bezpieczniej jest też przechowywać tę substancję niż np. wodór, a poza tym nie trzeba zapewniać żadnych szczególnych warunków przechowywania: kwas mrówkowy jest cieczą w normalna temperatura. Co więcej, technologia ta ma dwie niezaprzeczalne zalety w porównaniu z bezpośrednimi ogniwami paliwowymi na metanol. Po pierwsze, w przeciwieństwie do metanolu, kwas mrówkowy nie przenika przez membranę. Dlatego efektywność DFAFC z definicji powinna być wyższa. Po drugie, w przypadku dekompresji kwas mrówkowy nie jest tak niebezpieczny (metanol może powodować ślepotę, a przy silnym dawkowaniu śmierć).

Co ciekawe, do niedawna wielu naukowców nie uważało tej technologii za praktyczną przyszłość. Powodem, który skłonił naukowców do zaprzestania stosowania kwasu mrówkowego na wiele lat, było wysokie przepięcie elektrochemiczne, które doprowadziło do znacznego straty elektryczne. Jednak wyniki ostatnich eksperymentów wykazały, że przyczyną tej nieefektywności było zastosowanie platyny jako katalizatora, która tradycyjnie była szeroko stosowana w tym celu w ogniwach paliwowych. Po tym, jak naukowcy z University of Illinois przeprowadzili szereg eksperymentów z innymi materiałami, okazało się, że przy zastosowaniu palladu jako katalizatora wydajność DFAFC jest wyższa niż w przypadku równoważnych bezpośrednich ogniw paliwowych z metanolem. Obecnie prawa do tej technologii posiada amerykańska firma Tekion, która oferuje swoją linię produktów Formira Power Pack dla urządzeń mikroelektronicznych. Ten system jest „dupleksem” składającym się z akumulatora i właściwego ogniwa paliwowego. Po wyczerpaniu się zapasu odczynników we wkładzie ładującym akumulator, użytkownik po prostu wymienia go na nowy. W ten sposób staje się całkowicie niezależny od „gniazda”. Zgodnie z obietnicami producenta, czas między ładowaniami podwoi się, mimo że technologia będzie kosztować tylko 10-15% więcej niż konwencjonalne baterie. Jedyną poważną przeszkodą na drodze tej technologii może być to, że jest ona wspierana przez średniej wielkości firmę i może być po prostu „przytłoczona” przez większych konkurentów prezentujących swoje technologie, które mogą być nawet gorsze od DFAFC w wielu parametry.

Ogniwa paliwowe na metanol (DMFC)

Te ogniwa paliwowe są podzbiorem urządzeń z membraną do wymiany protonów. Używają metanolu wprowadzanego do ogniwa paliwowego bez dalszego oczyszczania. Jednak alkohol metylowy jest znacznie łatwiejszy do przechowywania i nie jest wybuchowy (chociaż jest łatwopalny i może powodować ślepotę). Jednocześnie pojemność energetyczna metanolu jest znacznie wyższa niż sprężonego wodoru.

Jednak ze względu na fakt, że metanol może przenikać przez membranę, wydajność DMFC przy dużych ilościach paliwa jest niska. Choć z tego powodu nie nadają się do transportu i dużych instalacji, urządzenia te świetnie sprawdzają się jako zamienniki baterii do urządzeń mobilnych.

Ogniwa paliwowe z przetworzonym metanolem (RMFC)

Ogniwa paliwowe z przetworzonym metanolem różnią się od ogniw DMFC tylko tym, że przekształcają metanol w wodór i dwutlenek węgla przed wytworzeniem energii elektrycznej. Dzieje się to w specjalnym urządzeniu zwanym procesorem paliwa. Po tym wstępnym etapie (reakcja przebiega w temperaturze powyżej 250°C) wodór ulega reakcji utleniania, w wyniku której powstaje woda i elektryczność.

Zastosowanie metanolu w RMFC wynika z tego, że jest on naturalnym nośnikiem wodoru, a w wystarczająco niskiej temperaturze (w porównaniu z innymi substancjami) może zostać rozłożony na wodór i dwutlenek węgla. Dlatego ta technologia jest bardziej zaawansowana niż DMFC. Ogniwa paliwowe z przetworzonym metanolem są bardziej wydajne, bardziej kompaktowe i działają w temperaturach poniżej zera.

Ogniwa paliwowe na etanol (DEFC)

Kolejny przedstawiciel klasy ogniw paliwowych z siecią wymiany protonów. Jak sama nazwa wskazuje, etanol wchodzi do ogniwa paliwowego z pominięciem etapów dodatkowego oczyszczania lub rozkładu na prostsze substancje. Pierwszym plusem tych urządzeń jest użycie alkoholu etylowego zamiast toksycznego metanolu. Oznacza to, że nie musisz inwestować dużych pieniędzy w rozwój tego paliwa.

Gęstość energetyczna alkoholu jest o około 30% wyższa niż metanolu. Ponadto można go pozyskiwać w dużych ilościach z biomasy. W celu obniżenia kosztów ogniw paliwowych na etanol trwają poszukiwania alternatywny materiał katalizator. Platyna, tradycyjnie stosowana w ogniwach paliwowych do tych celów, jest zbyt droga i stanowi istotną przeszkodę w masowym przyjęciu tych technologii. Rozwiązaniem tego problemu mogą być katalizatory wykonane z mieszaniny żelaza, miedzi i niklu, które wykazują imponujące wyniki w układach doświadczalnych.

Cynkowo-powietrzne ogniwa paliwowe (ZAFC)

ZAFC wykorzystuje utlenianie cynku tlenem z powietrza do wytwarzania energii elektrycznej. Te ogniwa paliwowe są niedrogie w produkcji i zapewniają dość wysoką gęstość energii. Obecnie są wykorzystywane w aparatach słuchowych i eksperymentalnych samochodach elektrycznych.

Po stronie anodowej znajduje się mieszanina cząstek cynku z elektrolitem, a po stronie katodowej woda i tlen z powietrza, które reagują ze sobą i tworzą hydroksyl (jego cząsteczką jest atom tlenu i atom wodoru, pomiędzy którymi istnieje wiązanie kowalencyjne). W wyniku reakcji hydroksylu z mieszaniną cynku uwalniane są elektrony trafiające do katody. Maksymalne napięcie, który wydzielają takie ogniwa paliwowe, wynosi 1,65 V, ale z reguły jest sztucznie redukowany do 1,4–1,35 V, ograniczając dostęp powietrza do układu. Produktami końcowymi tej reakcji elektrochemicznej są tlenek cynku i woda.

Możliwe jest zastosowanie tej technologii zarówno w akumulatorach (bez doładowania), jak iw ogniwach paliwowych. W tym ostatnim przypadku komora po stronie anodowej jest czyszczona i uzupełniana pastą cynkową. Ogólnie rzecz biorąc, technologia ZAFC okazała się być prostymi i niezawodnymi bateriami. Ich niewątpliwą zaletą jest możliwość kontrolowania reakcji jedynie poprzez dostosowanie dopływu powietrza do ogniwa paliwowego. Wielu badaczy rozważa ogniwa paliwowe cynkowo-powietrzne jako przyszłe główne źródło zasilania pojazdów elektrycznych.

Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe (MFC)

Pomysł wykorzystania bakterii dla dobra ludzkości nie jest nowy, chociaż dopiero niedawno doszedł do realizacji tych pomysłów. Obecnie kwestia komercyjnego wykorzystania biotechnologii do wytwarzania różnych produktów (np. produkcja wodoru z biomasy), neutralizacja szkodliwe substancje i produkcja energii elektrycznej. Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe, zwane również biologicznymi ogniwami paliwowymi, to biologiczny układ elektrochemiczny, który wytwarza energię elektryczną za pomocą bakterii. Technologia ta opiera się na katabolizmie (rozkład złożonej cząsteczki na prostszą z uwolnieniem energii) substancji takich jak glukoza, octan (sól kwasu octowego), maślan (sól kwasu masłowego) czy ścieki. W wyniku ich utleniania uwalniane są elektrony, które trafiają na anodę, po czym generowany prąd elektryczny przepływa przez przewodnik do katody.

W takich ogniwach paliwowych mediatory są zwykle stosowane w celu poprawy przepuszczalności elektronów. Problem w tym, że substancje pełniące rolę mediatorów są drogie i toksyczne. Jednak w przypadku stosowania bakterii aktywnych elektrochemicznie nie ma potrzeby stosowania mediatorów. Takie mikrobiologiczne ogniwa paliwowe „bez nadajników” zaczęto tworzyć całkiem niedawno i dlatego nie wszystkie ich właściwości są dobrze zbadane.

Pomimo przeszkód, które MFC musi jeszcze pokonać, technologia ta ma ogromny potencjał. Po pierwsze „paliwo” nie jest trudne do znalezienia. A co więcej, dziś kwestia sprzątania Ścieki a utylizacja wielu odpadów jest bardzo pilna. Zastosowanie tej technologii mogłoby rozwiązać oba te problemy. Po drugie, teoretycznie jego wydajność może być bardzo wysoka. Głównym wyzwaniem dla inżynierów mikrobiologicznych ogniw paliwowych jest i niezbędny element to urządzenie, mikroby. I podczas gdy mikrobiolodzy, którzy otrzymują liczne granty na badania, radują się, pisarze science fiction również zacierają ręce, przewidując sukces książek o skutkach „publikacji” niewłaściwych mikroorganizmów. Oczywiście istnieje ryzyko wydobycia czegoś, co „przetrawi” nie tylko niepotrzebne odpady, ale także coś wartościowego. Zasadniczo, podobnie jak w przypadku każdej nowej biotechnologii, ludzie obawiają się pomysłu noszenia w kieszeni pudełka zarażonego bakteriami.

Podanie

Stacjonarne elektrownie domowe i przemysłowe

Ogniwa paliwowe są szeroko stosowane jako źródła energii w różnych systemach autonomicznych, takich jak statki kosmiczne, zdalne stacje pogodowe, instalacje wojskowe itp. Główną zaletą takiego systemu zasilania jest jego niezwykle wysoka niezawodność w porównaniu z innymi technologiami. Z powodu braku ogniw paliwowych ruchome części i dowolne mechanizmy, niezawodność systemów zasilania może sięgać 99,99%. Dodatkowo w przypadku zastosowania wodoru jako odczynnika można osiągnąć bardzo małą wagę, co jest jednym z najważniejszych kryteriów w przypadku sprzętu kosmicznego.

Ostatnio elektrociepłownie, szeroko stosowane w budynki mieszkalne i biura. Cechą tych systemów jest to, że stale wytwarzają energię elektryczną, która, jeśli nie zostanie natychmiast zużyta, służy do podgrzewania wody i powietrza. Pomimo tego, że sprawność elektryczna takich instalacji wynosi tylko 15-20%, tę wadę rekompensuje fakt, że niewykorzystana energia elektryczna jest wykorzystywana do produkcji ciepła. Ogólnie sprawność energetyczna takich połączonych systemów wynosi około 80%. Jednym z najlepszych odczynników do takich ogniw paliwowych jest kwas fosforowy. Jednostki te zapewniają sprawność energetyczną 90% (35-50% energii elektrycznej i reszta energii cieplnej).

Transport

Systemy energetyczne oparte na ogniwach paliwowych znajdują również szerokie zastosowanie w transporcie. Nawiasem mówiąc, Niemcy jako jedni z pierwszych zainstalowali ogniwa paliwowe w pojazdach. Tak więc pierwsza na świecie łódź komercyjna wyposażona w taką konfigurację zadebiutowała osiem lat temu. Ten mały statek, nazwany „Hydra” i przeznaczony do przewozu do 22 pasażerów, został zwodowany w pobliżu dawnej stolicy Niemiec w czerwcu 2000 roku. Wodór (alkaliczne ogniwo paliwowe) działa jako odczynnik przenoszący energię. Dzięki zastosowaniu alkalicznych (alkalicznych) ogniw paliwowych instalacja jest w stanie generować prąd w temperaturach do -10°C i nie boi się słonej wody. Łódź „Hydra”, napędzana silnikiem elektrycznym o mocy 5 kW, rozpędza się do 6 węzłów (ok. 12 km/h).

Łódź „Hydra”

Ogniwa paliwowe (zwłaszcza zasilane wodorem) stały się znacznie bardziej rozpowszechnione w transporcie lądowym. Ogólnie rzecz biorąc, wodór był używany jako paliwo do silników samochodowych od dłuższego czasu iw zasadzie konwencjonalny silnik spalinowy można łatwo przekształcić w paliwo alternatywne. Jednak konwencjonalne spalanie wodoru jest mniej wydajne niż wytwarzanie energii elektrycznej w wyniku reakcji chemicznej między wodorem a tlenem. A idealnie, wodór, jeśli zostanie zastosowany w ogniwach paliwowych, będzie całkowicie bezpieczny dla przyrody lub, jak mówią, „przyjazny dla środowiska”, ponieważ podczas reakcji chemicznej nie uwalnia się dwutlenek węgla ani inne substancje, które dotykają „szklarni”. efekt".

To prawda, że ​​tutaj, jak można by się spodziewać, jest kilka dużych „ale”. Faktem jest, że wiele technologii produkcji wodoru z zasobów nieodnawialnych (gaz ziemny, węgiel, produkty naftowe) nie jest tak nieszkodliwych dla środowisko ponieważ uwalniają duże ilości dwutlenku węgla. Teoretycznie, jeśli do jego uzyskania wykorzystywane są zasoby odnawialne, to szkodliwe emisje w ogóle nie będzie. Jednak w tym przypadku koszt znacznie wzrasta. Zdaniem wielu ekspertów z tych powodów potencjał wodoru jako substytutu benzyny czy gazu ziemnego jest bardzo ograniczony. Istnieją już tańsze alternatywy i najprawdopodobniej ogniwa paliwowe na pierwszym elemencie układu okresowego pierwiastków nie będą w stanie stać się zjawiskiem masowym w pojazdach.

Producenci samochodów dość aktywnie eksperymentują z wodorem jako źródłem energii. A głównym tego powodem jest dość twarda pozycja UE w stosunku do szkodliwych emisji do atmosfery. Pod wpływem coraz ostrzejszych restrykcji nakładanych w Europie, Daimler AG, Fiat i Ford Motor Company zaprezentowały swoją wizję przyszłości ogniw paliwowych w budownictwie samochodowym, wyposażając swoje podstawowe modele. Inny europejski gigant samochodowy, Volkswagen, przygotowuje obecnie swój pojazd na ogniwa paliwowe. Firmy japońskie i południowokoreańskie nie pozostają w tyle. Jednak nie wszyscy stawiają na tę technologię. Wiele osób woli modyfikować silniki spalinowe lub łączyć je z silnikami elektrycznymi zasilanymi bateryjnie. Tą drogą poszły Toyota, Mazda i BMW. Jeśli chodzi o firmy amerykańskie, oprócz Forda ze swoim modelem Focus, General Motors zaprezentował także kilka pojazdów napędzanych ogniwami paliwowymi. Wszystkie te przedsięwzięcia są aktywnie wspierane przez wiele państw. Np. w Stanach Zjednoczonych istnieje prawo, zgodnie z którym nowy samochód hybrydowy wchodzący na rynek jest zwolniony z podatków, co może być całkiem przyzwoitą kwotą, bo z reguły takie auta są droższe niż ich odpowiedniki z tradycyjnym spalaniem. silniki. Tym samym hybrydy jako zakup stają się jeszcze bardziej atrakcyjne. Jednak na razie prawo to dotyczy tylko modeli wchodzących na rynek do momentu osiągnięcia poziomu sprzedaży 60 000 samochodów, po czym korzyść jest automatycznie anulowana.

Elektronika

Nie tak dawno ogniwa paliwowe zaczęły znajdować coraz większe zastosowanie w laptopach, telefony komórkowe i inne telefony komórkowe urządzenia elektryczne Oh. Powodem tego była szybko rosnąca obżarstwo urządzeń zaprojektowanych z myślą o długim czasie pracy na bateriach. W wyniku zastosowania dużych ekranów dotykowych w telefonach, potężnych możliwości audio oraz wprowadzenia obsługi Wi-Fi, Bluetooth i innych protokołów komunikacji bezprzewodowej o wysokiej częstotliwości, zmieniły się również wymagania dotyczące pojemności baterii. I chociaż baterie przeszły długą drogę od czasów pierwszych telefonów komórkowych, jeśli chodzi o pojemność i kompaktowość (w przeciwnym razie fani nie byliby dziś wpuszczani na stadiony z tą bronią z funkcją komunikacji), nadal nie nadążają wraz z miniaturyzacją obwodów elektronicznych, ani z chęcią, jaką producenci wbudowują w swoje produkty coraz więcej funkcji. Kolejną istotną wadą obecnych akumulatorów jest długi czas ładowania. Wszystko prowadzi do tego, że im więcej funkcji w telefonie czy kieszonkowym odtwarzaczu multimedialnym ma na celu zwiększenie autonomii jego właściciela ( bezprzewodowy internet, systemy nawigacyjne itp.), tym bardziej zależne od „gniazda” staje się to urządzenie.

Nie ma nic do powiedzenia o laptopach, które są znacznie mniejsze niż te ograniczone maksymalnymi rozmiarami. Od dawna kształtuje się nisza ultrawydajnych laptopów, które w ogóle nie są przeznaczone do autonomicznej pracy, poza takim przeniesieniem z jednego biura do drugiego. A nawet najbardziej oszczędni użytkownicy w świecie laptopów mają problemy z zapewnieniem pełnego dnia pracy na baterii. Dlatego bardzo dotkliwa jest kwestia znalezienia alternatywy dla tradycyjnych akumulatorów, która nie byłaby droższa, ale też znacznie wydajniejsza. A w ostatnim czasie ten problem rozwiązują czołowi przedstawiciele branży. Nie tak dawno wprowadzono komercyjne ogniwa paliwowe metanolowe, których masowe dostawy można rozpocząć już w przyszłym roku.

Z jakiegoś powodu naukowcy wybrali metanol zamiast wodoru. Znacznie łatwiej jest przechowywać metanol, ponieważ nie wymaga wysokiego ciśnienia ani specjalnego reżim temperaturowy. Alkohol metylowy jest cieczą w temperaturze od -97,0°C do 64,7°C. Jednocześnie energia właściwa zawarta w N-tej objętości metanolu jest o rząd wielkości większa niż w tej samej objętości wodoru pod wysokim ciśnieniem. Technologia bezpośrednich ogniw paliwowych z metanolem, szeroko stosowana w mobilnych urządzeniach elektronicznych, polega na wykorzystaniu metanolu po prostym napełnieniu pojemnika ogniwa paliwowego, z pominięciem procedury konwersji katalitycznej (stąd nazwa „bezpośredni metanol”). Jest to również główna zaleta tej technologii.

Jednak, jak można się było spodziewać, wszystkie te plusy miały swoje minusy, co znacznie ograniczyło zakres jego zastosowania. W związku z tym, że technologia ta nie jest jeszcze w pełni rozwinięta, problem pozostaje nierozwiązany. wysoka wydajność podobne ogniwa paliwowe spowodowane „wyciekiem” metanolu przez materiał membrany. Ponadto nie mają imponujących właściwości dynamicznych. Nie jest łatwo zdecydować, co zrobić z dwutlenkiem węgla wytwarzanym na anodzie. Nowoczesne urządzenia DMFC nie są w stanie generować dużej energii, ale mają dużą pojemność energetyczną dla małej objętości materii. Oznacza to, że chociaż dużo energii nie jest jeszcze dostępne, bezpośrednie ogniwa paliwowe z metanolem mogą generować ją przez długi czas. To nie pozwala im, ze względu na ich małą moc, na znalezienie bezpośrednia aplikacja w pojazdach, ale sprawia, że ​​prawie idealne rozwiązanie dla urządzeń mobilnych, w których żywotność baterii jest krytyczna.

Ostatnie trendy

Choć ogniwa paliwowe do pojazdów są produkowane od dawna, do tej pory rozwiązania te nie stały się powszechne. Powodów jest wiele. A głównymi z nich są niecelowość ekonomiczna i niechęć producentów do uruchomienia produkcji niedrogiego paliwa. Próby wymuszenia naturalnego procesu przejścia na odnawialne źródła energii, jak można się było spodziewać, nie przyniosły niczego dobrego. Oczywiście powód gwałtowny wzrost Cena produktów rolnych jest raczej ukryta nie w tym, że zaczęto je na masową skalę przerabiać na biopaliwa, ale w tym, że wiele krajów Afryki i Azji nie jest w stanie wyprodukować wystarczającej ilości produktów nawet na zaspokojenie krajowego popytu na produkty.

Oczywiście odrzucenie stosowania biopaliw nie doprowadzi do znaczącej poprawy sytuacji na światowym rynku żywności, ale wręcz przeciwnie może uderzyć w europejskich i amerykańskich rolników, którzy po raz pierwszy od wielu lat otrzymali możliwość zarobienia dobrych pieniędzy. Ale nie można umniejszać etycznego aspektu tego problemu, brzydko jest napełniać „chlebem” zbiorniki, gdy miliony ludzi głodują. Dlatego w szczególności europejscy politycy będą teraz chłodniej podchodzić do biotechnologii, co już potwierdza rewizja strategii przejścia na odnawialne źródła energii.

W tej sytuacji mikroelektronika powinna stać się najbardziej obiecującym obszarem zastosowań ogniw paliwowych. To tutaj ogniwa paliwowe mają największe szanse na zdobycie przyczółka. Po pierwsze, ludzie, którzy kupują telefony komórkowe, są bardziej skłonni do eksperymentów niż, powiedzmy, nabywcy samochodów. Po drugie, są gotowi wydawać pieniądze i z reguły nie mają nic przeciwko „ratowaniu świata”. Potwierdzeniem tego może być przytłaczający sukces czerwonej wersji „Bono” odtwarzacza iPod Nano, którego część pieniędzy ze sprzedaży trafiła do Czerwonego Krzyża.

Wersja „Bono” Apple iPod Nano

Wśród tych, którzy zwrócili uwagę na ogniwa paliwowe do przenośnej elektroniki są firmy, które wcześniej specjalizowały się w tworzeniu ogniw paliwowych, a teraz po prostu otworzyły nowy obszar ich zastosowań, a także wiodący producenci mikroelektroniki. Na przykład niedawno firma MTI Micro, która zmieniła przeznaczenie swojej działalności na produkcję ogniw paliwowych z metanolem do mobilnych urządzeń elektronicznych, ogłosiła, że ​​rozpocznie masową produkcję w 2009 roku. Wprowadziła również pierwsze na świecie urządzenie GPS z ogniwami paliwowymi na metanol. Według przedstawicieli tej firmy, w niedalekiej przyszłości jej produkty całkowicie zastąpią tradycyjne akumulatory litowo-jonowe. To prawda, że ​​na początku nie będą tanie, ale ten problem towarzyszy każdej nowej technologii.

Dla firmy takiej jak Sony, która niedawno zaprezentowała swój wariant urządzenia zasilanego mediami z technologią DMFC, technologie te są nowe, ale poważnie podchodzą do tego, aby nie zgubić się na obiecującym nowym rynku. Z kolei firma Sharp poszła jeszcze dalej i dzięki prototypowi ogniwa paliwowego ustanowiła niedawno światowy rekord w zakresie pojemności energetycznej 0,3 wata na centymetr sześcienny metanolu. Nawet rządy wielu krajów spotykały się z firmami produkującymi te ogniwa paliwowe. I tak lotniska w USA, Kanadzie, Wielkiej Brytanii, Japonii i Chinach, mimo toksyczności i palności metanolu, zniosły dotychczasowe ograniczenia dotyczące jego przewozu w kabinie. Oczywiście jest to dozwolone tylko w przypadku certyfikowanych ogniw paliwowych o maksymalnej pojemności 200 ml. Potwierdza to jednak po raz kolejny zainteresowanie tymi wydarzeniami ze strony nie tylko entuzjastów, ale i państw.

To prawda, że ​​producenci wciąż starają się zachować ostrożność i oferują ogniwa paliwowe głównie jako system zasilania awaryjnego. Jednym z takich rozwiązań jest połączenie ogniwa paliwowego i akumulatora: póki jest paliwo, stale ładuje akumulator, a po jego wyczerpaniu użytkownik po prostu zastępuje pusty kartridż nowym pojemnikiem z metanolem. Innym popularnym trendem jest tworzenie ładowarek do ogniw paliwowych. Mogą być używane w podróży. Jednocześnie bardzo szybko ładują akumulatory. Innymi słowy, w przyszłości być może każdy taki „gniazdko” będzie nosił w kieszeni. Takie podejście może być szczególnie istotne w przypadku telefonów komórkowych. Z kolei laptopy mogą w przewidywalnej przyszłości nabyć wbudowane ogniwa paliwowe, które jeśli nie całkowicie zastąpią ładowanie z „gniazda”, to przynajmniej staną się dla niego poważną alternatywą.

Tak więc, zgodnie z prognozą największej niemieckiej firmy chemicznej BASF, która niedawno ogłosiła budowę swojego centrum rozwoju ogniw paliwowych w Japonii, do 2010 r. rynek tych urządzeń wyniesie 1 miliard dolarów. Jednocześnie analitycy przewidują wzrost rynku ogniw paliwowych do 20 miliardów dolarów do 2020 roku. Nawiasem mówiąc, w tym centrum BASF planuje opracować ogniwa paliwowe do przenośnej elektroniki (w szczególności laptopów) i stacjonarnych systemów energetycznych. Miejsce na to przedsięwzięcie nie zostało wybrane przypadkowo – główni nabywcy tych technologii niemiecka firma widzi lokalne firmy.

Zamiast konkluzji

Oczywiście oczekuj od ogniw paliwowych, że staną się zamiennikiem istniejący system zasilanie nie jest tego warte. Przynajmniej w dającej się przewidzieć przyszłości. To miecz obosieczny: elektrownie przenośne są z pewnością bardziej wydajne, ze względu na brak strat związanych z dostawą energii elektrycznej do konsumenta, ale warto też wziąć pod uwagę, że mogą stać się poważnym konkurentem dla scentralizowanego zasilania system tylko w przypadku utworzenia scentralizowanego systemu zasilania paliwem dla tych instalacji. Oznacza to, że „gniazdko” powinno ostatecznie zostać zastąpione pewną rurą, która dostarcza niezbędne odczynniki do każdego domu i każdego zakamarka. I nie jest to do końca wolność i niezależność od zewnętrznych źródeł prądu, o których mówią producenci ogniw paliwowych.

Urządzenia te mają niezaprzeczalną zaletę w postaci szybkości ładowania – po prostu wymieniałem wkład z metanolem (w skrajnych przypadkach odkorkowałem trofeum Jacka Danielsa) w aparacie i znów przeskakiwałem po schodach Luwru. powiedzmy, zwykły telefon ładuje się dwie godziny i będzie wymagał doładowania co 2-3 dni, to jest mało prawdopodobne, aby alternatywa w postaci wymiany wkładu sprzedawana tylko w wyspecjalizowanych sklepach, nawet raz na dwa tygodnie, była tak pożądana przez masowego użytkownika. Jeśli hermetyczny kanister na kilkaset mililitrów paliwa dotrze do konsumenta końcowego, jego cena będzie miała czas znacznie wzrosnąć. Tylko skala produkcji będzie w stanie zwalczyć ten wzrost cen, ale czy to skala jest pożądana na rynku i dopóki nie zostanie wybrany optymalny rodzaj paliwa, bardzo trudno będzie rozwiązać ten problem.

Z drugiej strony połączenie tradycyjnego ładowania plug-in, ogniw paliwowych i innych alternatywnych systemów zasilania energią (np. paneli słonecznych) może być rozwiązaniem problemu dywersyfikacji źródeł zasilania i przechodzenia na typy środowiskowe. Jednak w przypadku pewnej grupy produktów elektronicznych ogniwa paliwowe mogą znaleźć szerokie zastosowanie. Potwierdza to fakt, że firma Canon niedawno opatentowała własne ogniwa paliwowe do aparatów cyfrowych i ogłosiła strategię włączenia tych technologii do swoich rozwiązań. Jeśli chodzi o laptopy, jeśli ogniwa paliwowe trafią do nich w niedalekiej przyszłości, to najprawdopodobniej tylko jako system zasilania awaryjnego. Teraz np. mówimy głównie o zewnętrznych modułach ładujących, które dodatkowo podłącza się do laptopa.

Ale te technologie mają ogromne perspektywy rozwoju w dłuższej perspektywie. Szczególnie w obliczu zagrożenia głodem naftowym, które może nastąpić w ciągu najbliższych kilkudziesięciu lat. W tych warunkach ważniejsze jest nawet nie to, jak tania będzie produkcja ogniw paliwowych, ale ile wyniesie produkcja paliwa dla nich niezależnie od przemysłu petrochemicznego i czy będzie w stanie pokryć jego zapotrzebowanie.

Z punktu widzenia „zielonej” energii wodorowe ogniwa paliwowe mają niezwykle wysoką sprawność – 60%. Dla porownania: wydajność najlepszych silniki spalinowe to 35-40%. Do elektrownie słoneczne współczynnik wynosi tylko 15-20%, ale silnie zależy od warunki pogodowe. Sprawność najlepszych wiatraków łopatkowych sięga 40%, co jest porównywalne z wytwornicami pary, ale turbiny wiatrowe wymagają również odpowiednich warunków pogodowych i droga usługa.

Jak widać, według tego parametru energia wodorowa jest najatrakcyjniejszym źródłem energii, ale nadal istnieje szereg problemów, które uniemożliwiają jej masowe zastosowanie. Najważniejszym z nich jest proces produkcji wodoru.

Problemy górnicze

Energia wodorowa jest przyjazna dla środowiska, ale nie autonomiczna. Do działania ogniwo paliwowe potrzebuje wodoru, którego nie ma na Ziemi w czysta forma. Trzeba pozyskać wodór, ale wszystkie obecnie istniejące metody są albo bardzo drogie, albo nieskuteczne.

Najbardziej wydajną metodą pod względem ilości wytwarzanego wodoru na jednostkę zużytej energii jest reforming parowy gazu ziemnego. Metan łączy się z parą wodną pod ciśnieniem 2 MPa (około 19 atmosfer, czyli ciśnienie na głębokości około 190 m) i temperaturze około 800 stopni, w wyniku czego powstaje gaz po konwersji o zawartości wodoru 55-75%. Reformowanie parowe wymaga ogromnych instalacji, które mogą być wykorzystywane wyłącznie w produkcji.

Piec rurowy do parowego reformingu metanu nie jest najbardziej ergonomicznym sposobem wytwarzania wodoru. Źródło: CTK-Euro

Wygodniejszą i prostszą metodą jest elektroliza wody. Kiedy prąd elektryczny przepływa przez uzdatnioną wodę, zachodzi szereg reakcji elektrochemicznych, w wyniku których powstaje wodór. Istotną wadą tej metody jest wysokie zużycie energii potrzebnej do reakcji. Oznacza to, że okazuje się nieco dziwna sytuacja: aby uzyskać energię wodorową, potrzebujesz ... energii. W celu uniknięcia zbędnych kosztów podczas elektrolizy i zaoszczędzenia cennych zasobów, niektóre firmy dążą do opracowania systemów „elektryczność – wodór – energia elektryczna” w pełnym cyklu, w których wytwarzanie energii staje się możliwe bez jej zewnętrznego uzupełniania. Przykładem takiego systemu jest rozwój Toshiba H2One.

Mobilna elektrownia Toshiba H2One

Opracowaliśmy mobilną minielektrownię H2One, która zamienia wodę w wodór, a wodór w energię. Wykorzystuje panele słoneczne do podtrzymywania elektrolizy, a nadmiar energii gromadzony jest w akumulatorach i zapewnia pracę systemu przy braku światła słonecznego. Powstały wodór jest albo podawany bezpośrednio do ogniw paliwowych, albo przechowywany w zintegrowanym zbiorniku. Elektrolizer H2One generuje do 2 m 3 wodoru na godzinę, a na wyjściu dostarcza moc do 55 kW. Do produkcji 1 m 3 wodoru stacja potrzebuje do 2,5 m 3 wody.

Jak na razie stacja H2One nie jest w stanie dostarczyć energii elektrycznej dużemu przedsiębiorstwu czy całemu miastu, ale jej energia wystarczy do funkcjonowania małych obszarów czy organizacji. Dzięki swojej mobilności może być również używany jako rozwiązanie tymczasowe w czasie klęsk żywiołowych lub przerw w dostawie prądu. Ponadto, w przeciwieństwie do generatora diesla, który do normalnego funkcjonowania potrzebuje paliwa, elektrownia wodorowa potrzebuje tylko wody.

Obecnie Toshiba H2One jest używana tylko w kilku miastach w Japonii - na przykład dostarcza prąd i ciepłą wodę do stacji kolejowej w mieście Kawasaki.

Instalacja systemu H2One w Kawasaki

Przyszłość wodorowa

Obecnie wodorowe ogniwa paliwowe dostarczają energię do przenośnych banków energii, autobusów miejskich z samochodami oraz transportu kolejowego. (Więcej o wykorzystaniu wodoru w motoryzacji omówimy w kolejnym poście). Wodorowe ogniwa paliwowe nieoczekiwanie okazały się doskonałym rozwiązaniem dla quadkopterów - przy tej samej masie co akumulator dostarczanie wodoru zapewnia nawet pięciokrotnie dłuższy czas lotu. W takim przypadku mróz nie wpływa w żaden sposób na wydajność. Eksperymentalne drony na ogniwa paliwowe wyprodukowane przez rosyjską firmę AT Energy posłużyły do ​​filmowania na Igrzyskach Olimpijskich w Soczi.

Okazało się, że na zbliżających się Igrzyskach Olimpijskich w Tokio wodór zostanie wykorzystany w samochodach, do produkcji energii elektrycznej i ciepła, a także stanie się głównym źródłem energii dla wioski olimpijskiej. W tym celu na zlecenie Toshiba Energy Systems & Solutions Corp. W japońskim mieście Namie powstaje jedna z największych na świecie stacji produkcji wodoru. Stacja będzie zużywać do 10 MW energii pozyskiwanej z „zielonych” źródeł, wytwarzając na drodze elektrolizy do 900 ton wodoru rocznie.

Energia wodorowa to nasza „rezerwa na przyszłość”, kiedy trzeba będzie całkowicie zrezygnować z paliw kopalnych, a odnawialne źródła energii nie będą w stanie zaspokoić potrzeb ludzkości. Według prognozy Markets&Markets, wielkość światowej produkcji wodoru, która obecnie wynosi 115 miliardów dolarów, wzrośnie do 154 miliardów dolarów do 2022 roku. Jednak w najbliższej przyszłości masowe wprowadzenie technologii jest mało prawdopodobne, nadal konieczne jest rozwiązać szereg problemów związanych z produkcją i eksploatacją elektrowni specjalnych, aby obniżyć ich koszty. Kiedy bariery technologiczne zostaną pokonane, energia wodorowa osiągnie nowy poziom i być może będzie tak samo rozpowszechniona jak dziś energia tradycyjna czy wodna.

Ogniwo paliwowe to urządzenie do elektrochemicznej konwersji energii, które w reakcji chemicznej przekształca wodór i tlen w energię elektryczną. W wyniku tego procesu powstaje woda i uwalniana jest duża ilość ciepła. Ogniwo paliwowe jest bardzo podobne do akumulatora, który można naładować, a następnie użyć energia elektryczna.
Wynalazcą ogniwa paliwowego jest William R. Grove, który wynalazł je w 1839 roku. W tym ogniwie paliwowym jako elektrolit zastosowano roztwór kwasu siarkowego, a jako paliwo wodór, który w połączeniu z tlenem w medium utleniającym . Należy zauważyć, że do niedawna ogniwa paliwowe były używane tylko w laboratoriach i na statkach kosmicznych.
W przyszłości ogniwa paliwowe będą mogły konkurować z wieloma innymi systemami przetwarzania energii (m.in. turbina gazowa w elektrowniach) silników spalinowych w samochodzie oraz baterie elektryczne w urządzeniach przenośnych. Silniki spalinowe spalają paliwo i wykorzystują ciśnienie wytworzone przez rozprężanie gazów spalinowych do wykonywania pracy mechanicznej. Baterie przechowują energię elektryczną, a następnie przekształcają ją w energię chemiczną, która w razie potrzeby może zostać ponownie przekształcona w energię elektryczną. Potencjalnie ogniwa paliwowe są bardzo wydajne. Już w 1824 roku francuski naukowiec Carnot udowodnił, że cykle sprężania i rozprężania silnika spalinowego nie mogą zapewnić sprawności przetwarzania energii cieplnej (która jest energią chemiczną spalanego paliwa) na energię mechaniczną powyżej 50%. Ogniwo paliwowe nie ma ruchomych części (przynajmniej nie wewnątrz samego ogniwa), a zatem nie jest zgodne z prawem Carnota. Oczywiście będą miały ponad 50% sprawność i są szczególnie skuteczne przy niskich obciążeniach. W ten sposób pojazdy z ogniwami paliwowymi mogą stać się (i już okazały się) bardziej paliwooszczędne niż pojazdy konwencjonalne w: prawdziwe warunki ruch.
Ogniwo paliwowe generuje prąd stały, który może być wykorzystany do napędzania silnika elektrycznego, opraw oświetleniowych i innych układów elektrycznych w pojeździe. Istnieje kilka rodzajów ogniw paliwowych, różniących się zastosowanymi procesami chemicznymi. Ogniwa paliwowe są zwykle klasyfikowane według rodzaju używanego elektrolitu. Niektóre typy ogniw paliwowych są obiecujące dla zastosowań w elektrowniach, podczas gdy inne mogą być przydatne do małych urządzeń przenośnych lub do prowadzenia samochodów.
Alkaliczne ogniwo paliwowe jest jednym z najwcześniej opracowanych elementów. Są używane przez amerykański program kosmiczny od lat 60. XX wieku. Takie ogniwa paliwowe są bardzo podatne na zanieczyszczenia i dlatego wymagają bardzo czystego wodoru i tlenu. Ponadto są bardzo drogie, dlatego też ten rodzaj ogniwa paliwowego raczej nie znajdzie szerokiego zastosowania w samochodach.
Ogniwa paliwowe na bazie kwasu fosforowego mogą być stosowane w instalacje stacjonarne niska moc. Działają w dość wysokich temperaturach i dlatego długo się nagrzewają, co również czyni je nieefektywnymi do stosowania w samochodach.
Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem lepiej nadają się do dużych stacjonarnych generatorów prądu, które mogą dostarczać energię elektryczną do fabryk lub społeczności. Ten rodzaj ogniwa paliwowego działa w bardzo wysokich temperaturach (około 1000 °C). Wysoka temperatura pracy stwarza pewne problemy, ale z drugiej strony jest zaleta – para wytwarzana przez ogniwo paliwowe może być przesyłana do turbin, aby wytworzyć więcej energii elektrycznej. Ogólnie poprawia to ogólną wydajność systemu.
Jednym z najbardziej obiecujących systemów jest ogniwo paliwowe z membraną do wymiany protonów - POMFC (PEMFC - Protone Exchange Membrane Fuel Cell). W tej chwili ten rodzaj ogniwa paliwowego jest najbardziej obiecujący, ponieważ może napędzać samochody, autobusy i inne pojazdy.

Procesy chemiczne w ogniwie paliwowym

Ogniwa paliwowe wykorzystują proces elektrochemiczny do łączenia wodoru z tlenem z powietrza. Podobnie jak akumulatory, ogniwa paliwowe wykorzystują elektrody (stałe przewodniki elektryczne) w elektrolicie (środku przewodzącym prąd elektryczny). Kiedy cząsteczki wodoru wchodzą w kontakt z elektrodą ujemną (anodą), ta ostatnia zostaje rozdzielona na protony i elektrony. Protony przechodzą przez membranę wymiany protonów (POM) do elektrody dodatniej (katody) ogniwa paliwowego, wytwarzając energię elektryczną. Istnieje chemiczna kombinacja cząsteczek wodoru i tlenu z tworzeniem się wody, jako produktu ubocznego tej reakcji. Jedynym rodzajem emisji z ogniwa paliwowego jest para wodna.
Energia elektryczna wytwarzana przez ogniwa paliwowe może być wykorzystywana w elektrycznym układzie napędowym pojazdu (składającym się z konwertera energii elektrycznej i silnik indukcyjny AC) do uzyskania energia mechaniczna prowadzić pojazd. Zadaniem konwertera mocy jest przekształcenie prądu stałego wytwarzanego przez ogniwa paliwowe na prąd zmienny, który jest wykorzystywany przez silnik trakcyjny pojazdu.

Schemat ideowy ogniwa paliwowego z membraną do wymiany protonów:
1 - anoda;
2 - membrana wymiany protonów (REM);
3 - katalizator (czerwony);
4 - katoda

Ogniwo paliwowe z membraną do wymiany protonów (PEMFC) wykorzystuje jedną z najprostszych reakcji dowolnego ogniwa paliwowego.

Oddzielne ogniwo paliwowe

Zastanów się, jak działa ogniwo paliwowe. Anoda, ujemny biegun ogniwa paliwowego, przewodzi elektrony, które są uwolnione od cząsteczek wodoru, dzięki czemu można je wykorzystać w zewnętrznym obwodzie elektrycznym (obwodzie). W tym celu wygrawerowane są w nim kanały, rozprowadzające wodór równomiernie na całej powierzchni katalizatora. Katoda (biegun dodatni ogniwa paliwowego) ma wygrawerowane kanały, które rozprowadzają tlen po powierzchni katalizatora. Przewodzi również elektrony z powrotem z obwodu zewnętrznego (obwodu) do katalizatora, gdzie mogą łączyć się z jonami wodoru i tlenem, tworząc wodę. Elektrolit jest membraną do wymiany protonów. Jest to specjalny materiał, podobny do zwykłego plastiku, ale z możliwością przepuszczania dodatnio naładowanych jonów i blokowania przejścia elektronów.
Katalizator - specjalny materiał, co ułatwia reakcję między tlenem a wodorem. Katalizator jest zwykle wykonany z proszku platyny osadzonego w bardzo cienkiej warstwie na kalce lub tkaninie. Katalizator musi być szorstki i porowaty, aby jego powierzchnia mogła w jak największym stopniu stykać się z wodorem i tlenem. Strona katalizatora pokryta platyną znajduje się przed membraną wymiany protonów (POM).
Gazowy wodór (H 2 ) dostarczany jest do ogniwa paliwowego pod ciśnieniem od strony anody. Kiedy cząsteczka H2 wchodzi w kontakt z platyną na katalizatorze, dzieli się na dwie części, dwa jony (H+) i dwa elektrony (e–). Elektrony przechodzą przez anodę, gdzie przechodzą przez obwód zewnętrzny (obwód) wykonujący użyteczną pracę (np. napędzając silnik elektryczny) i powracający od strony katodowej ogniwa paliwowego.
Tymczasem od strony katodowej ogniwa paliwowego gazowy tlen (O 2 ) jest przepychany przez katalizator, gdzie tworzy dwa atomy tlenu. Każdy z tych atomów ma silny ładunek ujemny, który przyciąga dwa jony H+ przez błonę, gdzie łączą się z atomem tlenu i dwoma elektronami z zewnętrznej pętli (łańcucha), tworząc cząsteczkę wody (H 2 O).
Ta reakcja w pojedynczym ogniwie paliwowym wytwarza moc około 0,7 wata. Aby podnieść moc do wymaganego poziomu, konieczne jest połączenie wielu pojedynczych ogniw paliwowych w stos ogniw paliwowych.
Ogniwa paliwowe POM pracują w stosunkowo niskiej temperaturze (około 80°C), co oznacza, że ​​można je szybko nagrzać do temperatury roboczej i nie wymagają drogich układów chłodzenia. Ciągłe doskonalenie technologii i materiałów wykorzystywanych w tych ogniwach zbliżyło ich moc do poziomu, w którym bateria takich ogniw paliwowych, zajmująca niewielką część bagażnika samochodu, może dostarczyć energię potrzebną do prowadzenia samochodu.
W ciągu ostatnich lat większość wiodących światowych producentów samochodów zainwestowała znaczne środki w rozwój projektów samochodów wykorzystujących ogniwa paliwowe. Wiele z nich już zademonstrowało pojazdy na ogniwa paliwowe o zadowalającej mocy i charakterystyce dynamicznej, chociaż były one dość drogie.
Doskonalenie konstrukcji takich samochodów jest bardzo intensywne.

Pojazd z ogniwami paliwowymi, wykorzystuje elektrownię umieszczoną pod podłogą pojazdu

NECAR V bazuje na Mercedesie-Benz Klasy A, a cała elektrownia wraz z ogniwami paliwowymi znajduje się pod podłogą pojazdu. Taki konstruktywne rozwiązanie umożliwia umieszczenie w aucie czterech pasażerów i bagażu. Tutaj nie wodór, ale metanol jest używany jako paliwo do samochodu. Metanol za pomocą reformera (urządzenia, które zamienia metanol w wodór) jest przekształcany w wodór, który jest niezbędny do zasilania ogniwa paliwowego. Zastosowanie reformera na pokładzie samochodu umożliwia wykorzystanie prawie każdego węglowodoru jako paliwa, co umożliwia tankowanie samochodu na ogniwa paliwowe z wykorzystaniem istniejącej sieci stacji paliw. Teoretycznie ogniwa paliwowe wytwarzają wyłącznie energię elektryczną i wodę. Przekształcenie paliwa (benzyny lub metanolu) w wodór wymagany do ogniwa paliwowego nieco zmniejsza atrakcyjność dla środowiska takiego pojazdu.
Honda, która działa w branży ogniw paliwowych od 1989 roku, wyprodukowała w 2003 roku niewielką partię pojazdów Honda FCX-V4 z ogniwami paliwowymi do wymiany protonów. typ membrany Firma Ballard. Te ogniwa paliwowe generują 78 kW mocy elektrycznej, a do napędu kół napędowych wykorzystywane są silniki trakcyjne o mocy 60 kW i momencie obrotowym 272 N m. Charakteryzuje się doskonałą dynamiką, a zasilanie sprężonym wodorem umożliwia jazdę do 355 km.

Honda FCX wykorzystuje energię ogniwa paliwowego do napędzania się.
Honda FCX jest pierwszym na świecie pojazdem na ogniwa paliwowe, który otrzymał rządowy certyfikat w Stanach Zjednoczonych. Samochód posiada certyfikat ZEV - Zero Emission Vehicle (pojazd o zerowej emisji zanieczyszczeń). Honda nie zamierza jeszcze sprzedawać tych samochodów, ale leasinguje około 30 samochodów na jednostkę. Kalifornia i Tokio, gdzie infrastruktura paliw wodorowych już istnieje.

Samochód koncepcyjny Hy Wire firmy General Motors ma elektrownię zasilaną ogniwami paliwowymi

Duże badania nad rozwojem i tworzeniem pojazdów na ogniwa paliwowe prowadzi General Motors.

Podwozie pojazdu Hy Wire

Samochód koncepcyjny GM Hy Wire otrzymał 26 patentów. Podstawą auta jest funkcjonalna platforma o grubości 150 mm. Wewnątrz platformy znajdują się butle z wodorem, elektrownia zasilana ogniwami paliwowymi i systemy sterowania pojazdem wykorzystujące Najnowsze technologie sterowanie elektroniczne przewodowo. Podwozie samochodu Hy Wire to cienka platforma, która zawiera wszystkie główne elementy konstrukcyjne samochodu: butle wodorowe, ogniwa paliwowe, akumulatory, silniki elektryczne i systemy sterowania. Takie podejście do projektowania umożliwia wymianę karoserii w trakcie eksploatacji, a także testuje eksperymentalne pojazdy Opla z ogniwami paliwowymi i projektuje zakład produkcji ogniw paliwowych.

Projekt „bezpiecznego” zbiornika paliwa na skroplony wodór:
1 - urządzenie do napełniania;
2 - zbiornik zewnętrzny;
3 - podpory;
4 - czujnik poziomu;
5 - zbiornik wewnętrzny;
6 - linia do napełniania;
7 - izolacja i próżnia;
8 - grzejnik;
9 - puszka montażowa

BMW poświęca wiele uwagi problemowi wykorzystania wodoru jako paliwa do samochodów. Wraz z Magną Steyer, znaną z prac nad wykorzystaniem skroplonego wodoru w badaniach kosmicznych, BMW opracowało zbiornik na skroplony wodór, który można stosować w samochodach.

Testy potwierdziły bezpieczeństwo użytkowania zbiornika paliwa z ciekłym wodorem

Firma przeprowadziła szereg testów bezpieczeństwa konstrukcji według standardowych metod i potwierdziła jej niezawodność.
W 2002 roku na targach motoryzacyjnych we Frankfurcie (Niemcy) został pokazany Mini Cooper Hydrogen, który jako paliwo wykorzystuje skroplony wodór. Zbiornik paliwa tego samochodu zajmuje tyle samo miejsca, co konwencjonalny zbiornik gazu. Wodór w tym samochodzie nie jest wykorzystywany do ogniw paliwowych, ale jako paliwo do silników spalinowych.

Pierwszy na świecie masowo produkowany samochód z ogniwem paliwowym zamiast akumulatora

W 2003 roku BMW ogłosiło wprowadzenie na rynek pierwszego masowo produkowanego pojazdu napędzanego ogniwami paliwowymi, BMW 750 hL. Zamiast tradycyjnej baterii stosuje się ogniwo paliwowe. Ten samochód ma 12-cylindrowy silnik spalinowy zasilany wodorem, a ogniwo paliwowe służy jako alternatywa dla konwencjonalnego akumulatora, pozwalając klimatyzatorowi i innym odbiornikom pracować, gdy samochód jest zaparkowany przez długi czas z wyłączonym silnikiem.

Tankowanie wodoru odbywa się za pomocą robota, kierowca nie bierze udziału w tym procesie

Ta sama firma BMW opracowała również zrobotyzowane dystrybutory paliwa, które zapewniają szybkie i bezpieczne tankowanie samochodów skroplonym wodorem.
Pojawienie się w ostatnich latach dużej liczby rozwiązań mających na celu tworzenie pojazdów wykorzystujących paliwa alternatywne i elektrownie alternatywne wskazuje, że silniki spalinowe, które dominowały w samochodach przez ostatnie stulecie, ostatecznie ustąpią miejsca czystszym, bardziej wydajnym i cichym konstrukcjom. Ich powszechne stosowanie jest obecnie powstrzymywane nie przez problemy techniczne, ale raczej przez problemy gospodarcze i społeczne. Do ich powszechnego wykorzystania konieczne jest stworzenie pewnej infrastruktury dla rozwoju produkcji gatunki alternatywne paliwa, tworzenie i dystrybucja nowych stacji benzynowych oraz pokonanie szeregu barier psychologicznych. Stosowanie wodoru jako paliwa samochodowego będzie wymagało rozwiązania problemów związanych z przechowywaniem, dostawą i dystrybucją z zastosowaniem poważnych środków bezpieczeństwa.
Teoretycznie wodór jest dostępny w nieograniczona ilość, ale jego produkcja jest bardzo energochłonna. Dodatkowo, aby przestawić auta na pracę na paliwie wodorowym, trzeba dokonać dwóch dużych zmian w układzie zasilania: najpierw z benzyny na metanol, a potem przez jakiś czas na wodór. Minie trochę czasu, zanim ten problem zostanie rozwiązany.

Eksperci energetyczni zauważają, że w większości krajów rozwiniętych gwałtownie rośnie zainteresowanie rozproszonymi źródłami energii o stosunkowo niewielkiej mocy. Głównymi zaletami tych autonomicznych elektrowni są umiarkowane koszty inwestycyjne podczas budowy, szybkie uruchomienie, stosunkowo prosta konserwacja i dobre parametry środowiskowe. Dzięki autonomicznemu systemowi zasilania nie są wymagane inwestycje w linie i podstacje energetyczne. Lokalizacja źródła autonomiczne energia bezpośrednio w punktach poboru nie tylko eliminuje straty w sieci, ale także zwiększa niezawodność zasilania.

Dobrze znane są samowystarczalne źródła energii, takie jak małe turbiny gazowe (turbiny gazowe), silniki spalinowe, turbiny wiatrowe i półprzewodnikowe panele słoneczne.

W przeciwieństwie do silników spalinowych lub turbin opalanych węglem/gazem, ogniwa paliwowe nie spalają paliwa. Przekształcają energię chemiczną paliwa w energię elektryczną w wyniku reakcji chemicznej. Dlatego ogniwa paliwowe nie wytwarzają dużych ilości gazów cieplarnianych uwalnianych podczas spalania paliwa, takich jak dwutlenek węgla (CO2), metan (CH4) i tlenek azotu (NOx). Emisje z ogniw paliwowych to woda w postaci pary i niski poziom dwutlenku węgla (lub brak emisji CO2), gdy wodór jest używany jako paliwo do ogniw. Ponadto ogniwa paliwowe działają cicho, ponieważ nie zawierają hałaśliwych wirników wysokociśnieniowych, a podczas pracy nie występują odgłosy wydechu ani wibracje.

Ogniwo paliwowe przekształca energię chemiczną paliwa w energię elektryczną poprzez reakcję chemiczną z tlenem lub innym środkiem utleniającym. Ogniwa paliwowe składają się z anody (strona ujemna), katody (strona dodatnia) i elektrolitu, który umożliwia przemieszczanie się ładunków między dwiema stronami ogniwa (rysunek: Schemat obwodu ogniwa paliwowe).

Elektrony przemieszczają się z anody do katody przez obwód zewnętrzny, wytwarzając prąd stały. Ze względu na to, że główną różnicą pomiędzy różnymi typami ogniw paliwowych jest elektrolit, ogniwa paliwowe dzielimy ze względu na rodzaj użytego elektrolitu tj. wysokotemperaturowe i niskotemperaturowe ogniwa paliwowe (TEPM, PMTE). Najpopularniejszym paliwem jest wodór, ale czasami można również stosować węglowodory, takie jak gaz ziemny i alkohole (tj. metanol). Ogniwa paliwowe różnią się od akumulatorów tym, że wymagają stałego źródła paliwa i tlenu/powietrza do podtrzymania reakcji chemicznej i wytwarzają energię elektryczną tak długo, jak są dostarczane.

Ogniwa paliwowe mają następujące zalety w porównaniu z konwencjonalnymi źródłami energii, takimi jak silniki spalinowe lub akumulatory:

• Ogniwa paliwowe są bardziej wydajne niż silniki diesla czy gazowe.
• Większość ogniw paliwowych jest cicha w porównaniu z silnikami spalinowymi. Dlatego nadają się do budynków o specjalnych wymaganiach, takich jak szpitale.
• Ogniwa paliwowe nie powodują zanieczyszczenia spowodowanego spalaniem paliw kopalnych; na przykład jedynym produktem ubocznym wodorowych ogniw paliwowych jest woda.
• Jeżeli wodór pozyskiwany jest z elektrolizy wody dostarczanej przez odnawialne źródło energii, to przy zastosowaniu ogniw paliwowych w całym cyklu nie wydziela się żaden gaz cieplarniany.
• Ogniwa paliwowe nie wymagają paliw konwencjonalnych, takich jak ropa czy gaz, dzięki czemu można usunąć zależność gospodarczą od krajów produkujących ropę i osiągnąć większe bezpieczeństwo energetyczne.
• Ogniwa paliwowe nie są zależne od sieci energetycznych, ponieważ wodór można wytwarzać wszędzie tam, gdzie dostępna jest woda i elektryczność, a wyprodukowane paliwo może być dystrybuowane.
• Stosując stacjonarne ogniwa paliwowe do produkcji energii w miejscu jej zużycia, można wykorzystać zdecentralizowane sieci energetyczne, które są potencjalnie bardziej stabilne.
• Ogniwa paliwowe niskotemperaturowe (LEPM, PMFC) mają niski poziom wymiany ciepła, co czyni je idealnymi do różnych zastosowań.
• Ogniwa paliwowe o wyższej temperaturze zapewniają wysoką jakość procesu energia cieplna razem z energią elektryczną i są dobrze przystosowane do kogeneracji (takiej jak kogeneracja ciepła i energii elektrycznej dla budynków mieszkalnych).
• Czas pracy jest znacznie dłuższy niż czas pracy akumulatorów, ponieważ do wydłużenia czasu pracy potrzeba tylko więcej paliwa i nie jest wymagany wzrost wydajności zakładu.
• W przeciwieństwie do akumulatorów ogniwa paliwowe mają „efekt pamięci” podczas tankowania.
• Konserwacja ogniw paliwowych jest prosta, ponieważ nie mają dużych ruchomych części.

Najpopularniejszym paliwem do ogniw paliwowych jest wodór, ponieważ nie emituje on szkodliwych zanieczyszczeń. Można jednak stosować inne paliwa, a ogniwa paliwowe na gaz ziemny są uważane za wydajne. alternatywny gdy gaz ziemny jest dostępny po konkurencyjnych cenach. W ogniwach paliwowych przepływ paliwa i utleniaczy przechodzi przez elektrody oddzielone elektrolitem. Powoduje to reakcję chemiczną, która wytwarza energię elektryczną; nie ma potrzeby spalania paliwa ani dodawania energii cieplnej, co zwykle ma miejsce w przypadku tradycyjnych metod wytwarzania energii elektrycznej. Przy zastosowaniu naturalnego czystego wodoru jako paliwa i tlenu jako utleniacza, w wyniku reakcji zachodzącej w ogniwie paliwowym powstaje woda, energia cieplna i elektryczność. W połączeniu z innymi paliwami ogniwa paliwowe emitują bardzo niskie emisje zanieczyszczeń i wytwarzają wysokiej jakości, niezawodną energię elektryczną.

Zalety ogniw paliwowych na gaz ziemny są następujące:

• Korzyści dla środowiska- Ogniwa paliwowe to czysta metoda wytwarzania energii elektrycznej z paliw kopalnych. Ogniwa paliwowe działające na czysty wodór i tlen wytwarzają jedynie wodę, energię elektryczną i ciepło; inne typy ogniw paliwowych emitują znikome ilości związków siarki i bardzo niski poziom dwutlenku węgla. Jednak dwutlenek węgla emitowany przez ogniwa paliwowe jest skoncentrowany i można go łatwo zatrzymać zamiast wypuszczać do atmosfery.
• Efektywność- Ogniwa paliwowe przetwarzają energię dostępną w paliwach kopalnych w energię elektryczną znacznie wydajniej niż konwencjonalne metody wytwarzania energii elektrycznej ze spalania paliw. Oznacza to, że do wyprodukowania tej samej ilości energii elektrycznej potrzeba mniej paliwa. Według Narodowego Laboratorium Technologii Energetycznych 58 można produkować ogniwa paliwowe (w połączeniu z turbinami na gaz ziemny), które będą pracować w zakresie mocy od 1 do 20 MWe ze sprawnością 70%. Ta wydajność jest znacznie wyższa niż wydajność, którą można osiągnąć za pomocą tradycyjne metody produkcja energii w określonym zakresie mocy.
• Produkcja z dystrybucją- Ogniwa paliwowe mogą być produkowane w bardzo małych rozmiarach; pozwala to na umieszczenie ich w miejscach, w których wymagana jest energia elektryczna. Dotyczy to instalacji mieszkaniowych, handlowych, przemysłowych, a nawet samochodowych.
• Niezawodność- Ogniwa paliwowe to całkowicie zamknięte urządzenia bez ruchomych części lub skomplikowanych maszyn. Dzięki temu są niezawodnymi źródłami energii elektrycznej, zdolnymi do pracy przez wiele godzin. Ponadto są niemal cichymi i bezpiecznymi źródłami prądu. Również w ogniwach paliwowych nie występują przepięcia elektryczne; oznacza to, że mogą być stosowane w przypadkach, gdy potrzebne jest stale działające, niezawodne źródło energii elektrycznej.

Do niedawna mniej popularne były ogniwa paliwowe (FC), które są generatorami elektrochemicznymi zdolnymi do przekształcania energii chemicznej w energię elektryczną, z pominięciem procesów spalania, przekształcania energii cieplnej w energię mechaniczną, a tę ostatnią w energię elektryczną. Energia elektryczna wytwarzana jest w ogniwach paliwowych w wyniku reakcji chemicznej pomiędzy czynnikiem redukującym i utleniającym, które są w sposób ciągły dostarczane do elektrod. Czynnikiem redukującym jest najczęściej wodór, środkiem utleniającym tlen lub powietrze. Połączenie stosu ogniw paliwowych i urządzeń do dostarczania odczynników, usuwania produktów reakcji i ciepła (które można wykorzystać) stanowi generator elektrochemiczny.
W ostatniej dekadzie XX wieku, kiedy niezawodność zasilania i kwestie środowiskowe miały szczególne znaczenie, wiele firm w Europie, Japonii i Stanach Zjednoczonych zaczęło opracowywać i produkować kilka wariantów ogniw paliwowych.
Najprostsze to alkaliczne ogniwa paliwowe, od których rozpoczął się rozwój tego typu autonomicznych źródeł energii. Temperatura pracy w tych ogniwach paliwowych wynosi 80-95°C, elektrolitem jest 30% roztwór kaustycznego potasu. Alkaliczne ogniwa paliwowe działają na czysty wodór.
Niedawno rozpowszechniony otrzymało ogniwo paliwowe PEM z membranami do wymiany protonów (z elektrolitem polimerowym). Temperatura pracy w tym procesie również wynosi 80-95°C, ale jako elektrolit stosuje się stałą membranę jonowymienną z kwasem perfluorosulfonowym.
Trzeba przyznać, że najbardziej atrakcyjne komercyjnie jest ogniwo paliwowe na kwasie fosforowym PAFC, które osiąga sprawność 40% w samym wytwarzaniu energii elektrycznej i -85% w wykorzystaniu wytworzonego ciepła. Temperatura pracy tego ogniwa paliwowego wynosi 175-200°C, elektrolitem jest płynny kwas fosforowy impregnujący węglik krzemu związany z teflonem.

Pakiet ogniw jest wyposażony w dwie porowate elektrody grafitowe i kwas ortofosforowy jako elektrolit. Elektrody pokryte są katalizatorem platynowym. W reformerze gaz ziemny w interakcji z parą przechodzi w wodór i CO, który w konwertorze jest dodatkowo utleniany do CO2. Ponadto pod wpływem katalizatora na anodzie cząsteczki wodoru dysocjują na jony H. Uwolnione w tej reakcji elektrony są kierowane przez ładunek do katody. Na katodzie reagują z jonami wodoru dyfundującymi przez elektrolit oraz z jonami tlenu, które powstają w wyniku katalitycznego utleniania tlenu z powietrza na katodzie, ostatecznie tworząc wodę.
Ogniwa paliwowe ze stopionym węglanem typu MCFC również należą do obiecujących typów ogniw paliwowych. To ogniwo paliwowe, działające na metan, ma wydajność 50-57% dla energii elektrycznej. Temperatura pracy 540-650°C, elektrolit - roztopiony węglan potasu i sodu alkalia w otoczce - osnowa z tlenku litowo-glinowego LiA102.
I wreszcie, najbardziej obiecującym elementem paliwowym jest SOFC. Jest to ogniwo paliwowe ze stałym tlenkiem, które wykorzystuje dowolne paliwo gazowe i jest najbardziej odpowiednie dla stosunkowo dużych instalacji. Jego efektywność energetyczna wynosi 50-55%, a przy zastosowaniu w instalacjach cyklu skojarzonego do 65%. Temperatura pracy 980-1000°C, elektrolit - cyrkon stały, stabilizowany itrem.

Na ryc. 2 przedstawia 24-ogniwowy akumulator SOFC opracowany przez firmę Siemens Westinghouse Power Corporation (SWP - Niemcy). Ta bateria jest podstawą generatora elektrochemicznego zasilanego gazem ziemnym. Pierwsze testy demonstracyjne elektrowni tego typu o mocy 400 W przeprowadzono już w 1986 roku. W kolejnych latach udoskonalono konstrukcję ogniw paliwowych ze stałym tlenkiem i zwiększono ich moc.

Najbardziej udane okazały się testy demonstracyjne uruchomionego w 1999 roku bloku o mocy 100 kW. W ten sposób udowodniono możliwość pracy elektrowni przez co najmniej 40 tys. godzin z akceptowalnym spadkiem jej mocy.

W 2001 roku powstała nowa elektrownia oparta na elementach tlenków stałych, pracująca przy ciśnienie atmosferyczne. Bateria (generator elektrochemiczny) o mocy elektrowni 250 kW ze skojarzonym wytwarzaniem energii elektrycznej i ciepła składała się z 2304 elementów rurowych z tlenków stałych. Ponadto w zakładzie znajdował się falownik, regenerator, podgrzewacz paliwa (gazu ziemnego), komora spalania do podgrzewania powietrza, wymiennik ciepła do podgrzewania wody za pomocą ciepła spalin oraz inne urządzenia pomocnicze. Jednocześnie gabaryty instalacji były dość umiarkowane: 2,6x3,0x10,8m.
Pewien postęp w rozwoju dużych ogniw paliwowych osiągnęli japońscy specjaliści. Praca badawcza rozpoczęto w Japonii już w 1972 roku, ale znaczny postęp nastąpił dopiero w połowie lat dziewięćdziesiątych. Eksperymentalne moduły ogniw paliwowych miały moc od 50 do 1000 kW, z czego 2/3 zasilane było gazem ziemnym.
W 1994 roku w Japonii zbudowano zakład produkujący ogniwa paliwowe o mocy 1 MW. Przy całkowitym współczynniku sprawności (przy wytwarzaniu pary i gorącej wody) równym 71%, instalacja miała współczynnik sprawności w zakresie dostarczania energii elektrycznej co najmniej 36%. Według doniesień prasowych od 1995 roku w Tokio działa 11 MW elektrownia na ogniwa paliwowe na kwas fosforowy, a do 2000 roku łączna moc ogniw paliwowych osiągnęła 40 MW.

Wszystkie wymienione powyżej instalacje należą do klasy przemysłowej. Ich twórcy nieustannie dążą do zwiększania mocy bloków w celu poprawy charakterystyki kosztowej (koszt jednostkowy na kW mocy zainstalowanej oraz koszt wytworzonej energii elektrycznej). Ale jest kilka firm, które stawiają sobie inny cel: opracowanie najprostszych instalacji do użytku domowego, w tym indywidualnych zasilaczy. A w tym obszarze są znaczące osiągnięcia:

• Firma Plug Power LLC opracowała ogniwo paliwowe o mocy 7 kW do zasilania domu;
• H Power Corporation produkuje ładowarki akumulatorów o mocy 50-100 W używane w transporcie;
• Firma praktykant. Fuel Cells LLC produkuje pojazdy o mocy 50-300 W i osobiste zasilacze;
• Firma Analytic Power Corporation opracowała zasilacze osobiste o mocy 150 W dla armii amerykańskiej, a także domowe zasilacze z ogniwami paliwowymi o mocy od 3 do 10 kW.

Jakie są zalety ogniw paliwowych, które zachęcają wiele firm do dużych inwestycji w ich rozwój?
Oprócz wysokiej niezawodności generatory elektrochemiczne mają wysoką sprawność, co korzystnie odróżnia je od instalacji z turbinami parowymi, a nawet instalacji z prostymi turbinami gazowymi. Istotną zaletą ogniw paliwowych jest wygoda ich stosowania jako rozproszonych źródeł energii: modułowa konstrukcja pozwala na łączenie szeregowe dowolnej liczby poszczególne elementy z tworzeniem baterii - idealna jakość do budowania mocy.

Jednak najważniejszym argumentem przemawiającym za ogniwami paliwowymi jest ich ekologiczność. Emisje NOX i CO z tych instalacji są tak małe, że np. powiatowe organy ds. jakości powietrza w regionach (gdzie przepisy ochrony środowiska są najbardziej rygorystyczne w USA) nawet nie wymieniają tego sprzętu we wszystkich wymaganiach dotyczących ochrony atmosfery.

Liczne zalety ogniw paliwowych niestety nie mogą obecnie przeważyć ich jedynej wady - wysokich kosztów.Na przykład w USA jednostkowe koszty inwestycyjne budowy elektrowni, nawet z najbardziej konkurencyjnymi ogniwami paliwowymi, wynoszą około 3500 USD/kW . Chociaż rząd zapewnia dotację w wysokości 1000 USD/kWh w celu stymulowania popytu na tę technologię, koszt budowy takich obiektów pozostaje dość wysoki. Zwłaszcza w porównaniu z kosztami kapitałowymi budowy mini-CHP z turbinami gazowymi lub silnikami spalinowymi o mocy megawatów, które wynoszą około 500 USD/kW.

W ostatnich latach nastąpił pewien postęp w obniżaniu kosztów instalacji FC. Wspomniana wyżej budowa elektrowni z ogniwami paliwowymi na bazie kwasu fosforowego o mocy 0,2-1,0 MW kosztowała 1700 dolarów/kW. Koszt produkcji energii w takich instalacjach w Niemczech przy użytkowaniu przez 6000 godzin w roku oblicza się na 7,5-10 centów/kWh. Elektrownia PC25 o mocy 200 kW eksploatowana przez Hessische EAG (Darmstadt) ma również dobre wyniki ekonomiczne: koszt energii elektrycznej, w tym amortyzacja, koszty paliwa i utrzymania instalacji, wyniósł 15 centów/kWh. Ten sam wskaźnik dla TPP na węglu brunatnym wyniósł 5,6 centa/kWh w spółce energetycznej, na węglu 4,7 centa/kWh, dla elektrociepłowni 4,7 centa/kWh, a dla diesla 10,3 centa/kWh.

Budowa większej fabryki ogniw paliwowych (N=1564 kW), działającej od 1997 roku w Kolonii, wymagała jednostkowych kosztów inwestycyjnych 1500-1750 USD/kW, ale koszt rzeczywistych ogniw paliwowych wyniósł tylko 400 USD/kW

Wszystko to pokazuje, że ogniwa paliwowe są obiecującym rodzajem urządzeń wytwarzających energię zarówno dla przemysłu, jak i instalacji autonomicznych w sektorze domowym. Wysoka efektywność wykorzystania gazu i doskonałe parametry środowiskowe dają powody, by sądzić, że po wydaniu decyzji najważniejsze zadanie- redukcja kosztów - tego typu urządzenia energetyczne będą poszukiwane na rynku autonomicznych systemów ciepłowniczych i energetycznych.

Podobnie jak w przypadku różnych typów silników spalinowych, istnieją różne rodzaje ogniw paliwowych – wybór odpowiedniego typu ogniwa paliwowego zależy od jego zastosowania.

Ogniwa paliwowe dzielą się na wysokotemperaturowe i niskotemperaturowe. Ogniwa paliwowe niskotemperaturowe wymagają stosunkowo czystego wodoru jako paliwa. Często oznacza to, że przetwarzanie paliwa jest wymagane do przekształcenia paliwa pierwotnego (takiego jak gaz ziemny) w czysty wodór. Proces ten zużywa dodatkową energię i wymaga specjalnego sprzętu. Ogniwa paliwowe o wysokiej temperaturze nie potrzebują tej dodatkowej procedury, ponieważ mogą „wewnętrznie konwertować” paliwo w podwyższonych temperaturach, co oznacza, że ​​nie ma potrzeby inwestowania w infrastrukturę wodorową.

Ogniwa paliwowe na stopionym węglanie (MCFC)

Ogniwa paliwowe z elektrolitem stopionym węglanem to ogniwa paliwowe wysokotemperaturowe. Wysoka temperatura pracy pozwala na bezpośrednie wykorzystanie gazu ziemnego bez procesora paliwa oraz gazu opałowego o niskiej wartości opałowej z paliw procesowych i innych źródeł. Proces ten został opracowany w połowie lat 60. XX wieku. Od tego czasu udoskonalono technologię produkcji, wydajność i niezawodność.

Działanie RCFC różni się od innych ogniw paliwowych. Ogniwa te wykorzystują elektrolit z mieszaniny stopionych soli węglanowych. Obecnie stosuje się dwa rodzaje mieszanin: węglan litu i węglan potasu lub węglan litu i węglan sodu. Aby stopić sole węglanowe i osiągnąć wysoki stopień ruchliwości jonów w elektrolicie, ogniwa paliwowe ze stopionym elektrolitem węglanowym pracują w wysokich temperaturach (650°C). Wydajność waha się między 60-80%.

Po podgrzaniu do temperatury 650°C sole stają się przewodnikiem dla jonów węglanowych (CO 3 2-). Jony te przechodzą z katody do anody, gdzie łączą się z wodorem, tworząc wodę, dwutlenek węgla i wolne elektrony. Elektrony te są przesyłane przez zewnętrzny obwód elektryczny z powrotem do katody, wytwarzając prąd elektryczny i ciepło jako produkt uboczny.

Reakcja anodowa: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Reakcja na katodzie: CO 2 + 1/2 O 2 + 2e - => CO 3 2-
Ogólna reakcja elementarna: H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) + CO 2 (katoda) => H 2 O (g) + CO 2 (anoda)

Wysokie temperatury pracy ogniw paliwowych z roztopionym węglanem elektrolitu mają pewne zalety. W wysokich temperaturach gaz ziemny jest wewnętrznie reformowany, co eliminuje konieczność stosowania procesora paliwa. Ponadto do zalet można zaliczyć możliwość zastosowania standardowych materiałów konstrukcyjnych, takich jak blacha Stal nierdzewna oraz katalizator niklowy na elektrodach. Ciepło odpadowe może być wykorzystywane do wytwarzania pary pod wysokim ciśnieniem do różnych celów przemysłowych i handlowych.

Wysokie temperatury reakcji w elektrolicie mają również swoje zalety. Stosowanie wysokich temperatur zajmuje dużo czasu, aby osiągnąć optymalne warunki pracy, a system wolniej reaguje na zmiany zużycia energii. Cechy te pozwalają na stosowanie systemów ogniw paliwowych ze stopionym elektrolitem węglanowym w warunkach stałej mocy. Wysokie temperatury zapobiegają uszkodzeniu ogniw paliwowych przez tlenek węgla, „zatruciu” itp.

Ogniwa paliwowe ze stopionym węglanem nadają się do stosowania w dużych instalacjach stacjonarnych. Elektrociepłownie produkowane przemysłowo z mocą wyjściową energia elektryczna 2,8 MW. Rozbudowywane są elektrownie o mocy do 100 MW.

Ogniwa paliwowe z kwasem fosforowym (PFC)

Ogniwa paliwowe oparte na kwasie fosforowym (ortofosforowym) były pierwszymi ogniwami paliwowymi do użytku komercyjnego. Proces ten został opracowany w połowie lat 60. i był testowany od lat 70. XX wieku. Od tego czasu zwiększono stabilność, wydajność i koszty.

Ogniwa paliwowe na bazie kwasu fosforowego (ortofosforowego) wykorzystują elektrolit na bazie kwasu ortofosforowego (H 3 PO 4) o stężeniu do 100%. Przewodność jonowa kwasu fosforowego jest niska w niskich temperaturach, dlatego te ogniwa paliwowe są używane w temperaturach do 150–220°C.

Nośnikiem ładunku w ogniwach paliwowych tego typu jest wodór (H+, proton). Podobny proces zachodzi w ogniwach paliwowych z membraną do wymiany protonów (MEFC), w których wodór dostarczany do anody jest rozbijany na protony i elektrony. Protony przechodzą przez elektrolit i łączą się z tlenem z powietrza na katodzie, tworząc wodę. Elektrony są kierowane wzdłuż zewnętrznego obwodu elektrycznego i generowany jest prąd elektryczny. Poniżej znajdują się reakcje, które generują energię elektryczną i ciepło.

Reakcja na anodzie: 2H 2 => 4H + + 4e -
Reakcja na katodzie: O 2 (g) + 4H + + 4e - \u003d\u003e 2H 2 O
Ogólna reakcja elementarna: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Sprawność ogniw paliwowych opartych na kwasie fosforowym (ortofosforowym) przy wytwarzaniu energii elektrycznej przekracza 40%. W skojarzonej produkcji ciepła i energii elektrycznej sprawność ogólna wynosi około 85%. Ponadto, przy danych temperaturach roboczych, ciepło odpadowe może być wykorzystywane do podgrzewania wody i wytwarzania pary pod ciśnieniem atmosferycznym.

Wysoka wydajność elektrociepłowni na ogniwach paliwowych opartych na kwasie fosforowym (ortofosforowym) w skojarzonej produkcji ciepła i energii elektrycznej jest jedną z zalet tego typu ogniw paliwowych. Zakłady stosują tlenek węgla w stężeniu około 1,5%, co znacznie poszerza wybór paliwa. Ponadto CO 2 nie wpływa na elektrolit i pracę ogniwa paliwowego, ten typ ogniwa współpracuje z reformowanym paliwem naturalnym. Prosta konstrukcja, niska lotność elektrolitów i zwiększona stabilność to także zalety tego typu ogniwa paliwowego.

Elektrociepłownie o mocy wyjściowej do 400 kW są produkowane przemysłowo. Instalacje o mocy 11 MW przeszły odpowiednie testy. Rozbudowywane są elektrownie o mocy do 100 MW.

Ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów (PME)

Ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów są uważane za najlepszy rodzaj ogniw paliwowych do wytwarzania energii w pojazdach, które mogą zastąpić silniki spalinowe benzynowe i wysokoprężne. Te ogniwa paliwowe zostały po raz pierwszy użyte przez NASA w programie Gemini. Obecnie opracowywane i demonstrowane są instalacje na MOPFC o mocy od 1 W do 2 kW.

Te ogniwa paliwowe wykorzystują jako elektrolit stałą membranę polimerową (cienka folia z tworzywa sztucznego). Zaimpregnowany wodą polimer ten przepuszcza protony, ale nie przewodzi elektronów.

Paliwem jest wodór, a nośnikiem ładunku jest jon wodorowy (proton). Na anodzie cząsteczka wodoru jest rozdzielana na jon wodorowy (proton) i elektrony. Jony wodorowe przechodzą przez elektrolit do katody, podczas gdy elektrony poruszają się po zewnętrznym okręgu i wytwarzają energię elektryczną. Tlen, który jest pobierany z powietrza, jest podawany do katody i łączy się z elektronami i jonami wodoru, tworząc wodę. Na elektrodach zachodzą następujące reakcje:

Reakcja na anodzie: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reakcja na katodzie: O 2 + 2H 2 O + 4e - \u003d\u003e 4OH -
Ogólna reakcja elementarna: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

W porównaniu z innymi typami ogniw paliwowych, ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów wytwarzają więcej mocy dla danej objętości lub wagi ogniwa paliwowego. Ta funkcja pozwala im być kompaktowymi i lekkimi. Dodatkowo temperatura pracy jest mniejsza niż 100°C, co pozwala na szybkie rozpoczęcie pracy. Te cechy, jak również możliwość szybkiej zmiany wydajności energetycznej, to tylko niektóre z cech, które sprawiają, że te ogniwa paliwowe są głównym kandydatem do zastosowania w pojazdach.

Kolejną zaletą jest to, że elektrolit jest substancją stałą, a nie płynną. Utrzymywanie gazów na katodzie i anodzie jest łatwiejsze w przypadku stałego elektrolitu, a zatem takie ogniwa paliwowe są tańsze w produkcji. W porównaniu z innymi elektrolitami, przy stosowaniu elektrolitu stałego nie ma takich trudności jak orientacja, nie ma mniej problemów ze względu na pojawienie się korozji, która prowadzi do dłuższej trwałości elementu i jego elementów.

Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC)

Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem to ogniwa paliwowe o najwyższej temperaturze pracy. Temperatura pracy może wahać się od 600°C do 1000°C, co pozwala na stosowanie różnych rodzajów paliwa bez specjalnych obróbka wstępna. Aby poradzić sobie z tak wysokimi temperaturami, używanym elektrolitem jest cienki tlenek metalu na bazie ceramiki, często stop itru i cyrkonu, który jest przewodnikiem jonów tlenu (O 2 -). Technologia wykorzystania ogniw paliwowych ze stałym tlenkiem rozwija się od końca lat pięćdziesiątych. i ma dwie konfiguracje: płaską i rurową.

Elektrolit stały zapewnia hermetyczne przejście gazu z jednej elektrody na drugą, podczas gdy elektrolity płynne znajdują się w porowatym podłożu. Nośnikiem ładunku w ogniwach paliwowych tego typu jest jon tlenu (O 2 -). Na katodzie cząsteczki tlenu są oddzielane od powietrza na jon tlenu i cztery elektrony. Jony tlenu przechodzą przez elektrolit i łączą się z wodorem, tworząc cztery wolne elektrony. Elektrony są kierowane przez zewnętrzny obwód elektryczny, generując prąd elektryczny i ciepło odpadowe.

Reakcja na anodzie: 2H 2 + 2O 2 - => 2H 2 O + 4e -
Reakcja na katodzie: O 2 + 4e - => 2O 2 -
Ogólna reakcja elementarna: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Sprawność wytwarzanej energii elektrycznej jest najwyższa ze wszystkich ogniw paliwowych – około 60%. Ponadto wysokie temperatury robocze umożliwiają skojarzone wytwarzanie ciepła i energii elektrycznej w celu wytworzenia pary pod wysokim ciśnieniem. Połączenie wysokotemperaturowego ogniwa paliwowego z turbiną tworzy hybrydowe ogniwo paliwowe dla zwiększyć efektywność wytwarzanie energii elektrycznej do 70%.

Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem działają w bardzo wysokich temperaturach (600°C - 1000°C), co skutkuje długim czasem osiągania optymalnych warunków pracy, a system wolniej reaguje na zmiany zużycia energii. W tak wysokich temperaturach roboczych nie jest wymagany konwerter do odzyskiwania wodoru z paliwa, co pozwala elektrowni cieplnej na pracę ze stosunkowo zanieczyszczonymi paliwami ze zgazowania węgla lub gazów odlotowych i tym podobnych. Ponadto to ogniwo paliwowe doskonale nadaje się do zastosowań o dużej mocy, w tym przemysłowych i dużych centralnych elektrowni. Produkowane przemysłowo moduły o wyjściowej mocy elektrycznej 100 kW.

Ogniwa paliwowe z bezpośrednim utlenianiem metanolu (DOMTE)

Technologia wykorzystania ogniw paliwowych z bezpośrednim utlenianiem metanolu przechodzi okres aktywnego rozwoju. Z powodzeniem sprawdziła się w dziedzinie zasilania telefonów komórkowych, laptopów, a także tworzenia przenośnych źródeł zasilania. do czego zmierza przyszłe zastosowanie tych elementów.

Struktura ogniw paliwowych z bezpośrednim utlenianiem metanolu jest podobna do ogniw paliwowych z membraną wymiany protonów (MOFEC), tj. polimer jest używany jako elektrolit, a jon wodorowy (proton) jest używany jako nośnik ładunku. Jednak ciekły metanol (CH 3 OH) utlenia się w obecności wody na anodzie, uwalniając CO 2 , jony wodorowe i elektrony, które są prowadzone przez zewnętrzny obwód elektryczny i wytwarzany jest prąd elektryczny. Jony wodoru przechodzą przez elektrolit i reagują z tlenem z powietrza i elektronami z obwodu zewnętrznego, tworząc wodę na anodzie.

Reakcja na anodzie: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Reakcja na katodzie: 3 / 2 O 2 + 6H + + 6e - => 3H 2 O
Ogólna reakcja elementarna: CH 3 OH + 3/2 O 2 => CO 2 + 2H 2 O

Rozwój tych ogniw paliwowych rozpoczął się na początku lat 90-tych. Po opracowaniu ulepszonych katalizatorów i dzięki innym niedawnym innowacjom, gęstość mocy i wydajność zostały zwiększone do 40%.

Elementy te były testowane w zakresie temperatur 50-120°C. Ze względu na niskie temperatury pracy i brak konieczności stosowania konwertera, ogniwa paliwowe z bezpośrednim utlenianiem metanolu są najlepszy kandydat do użytku w telefonach komórkowych i innych towarach konsumpcyjnych, a także w silnikach samochodowych. Zaletą tego typu ogniw paliwowych jest ich niewielki rozmiar ze względu na zastosowanie płynne paliwo i nie ma potrzeby używania konwertera.

Alkaliczne ogniwa paliwowe (AFC)

Alkaliczne ogniwa paliwowe (ALFC) to jedna z najlepiej przebadanych technologii, stosowana od połowy lat 60. XX wieku. przez NASA w programach Apollo i Space Shuttle. Na pokładzie tych statków kosmicznych ogniwa paliwowe wytwarzają energię elektryczną i wodę pitną. Alkaliczne ogniwa paliwowe są jednym z najbardziej wydajnych elementów wykorzystywanych do wytwarzania energii elektrycznej, ze sprawnością wytwarzania energii sięgającą nawet 70%.

Alkaliczne ogniwa paliwowe wykorzystują elektrolit, czyli wodny roztwór wodorotlenku potasu, zawarty w porowatej, stabilizowanej matrycy. Stężenie wodorotlenku potasu może się zmieniać w zależności od temperatury pracy ogniwa paliwowego, która waha się od 65°C do 220°C. Nośnikiem ładunku w SFC jest jon wodorotlenkowy (OH-) przemieszczający się z katody do anody, gdzie reaguje z wodorem, tworząc wodę i elektrony. Woda wytwarzana na anodzie wraca do katody, ponownie wytwarzając tam jony wodorotlenkowe. W wyniku tej serii reakcji zachodzących w ogniwie paliwowym powstaje energia elektryczna, a jako produkt uboczny ciepło:

Reakcja na anodzie: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reakcja na katodzie: O 2 + 2H 2 O + 4e - \u003d\u003e 4OH -
Ogólna reakcja układu: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Zaletą SFC jest to, że te ogniwa paliwowe są najtańsze w produkcji, ponieważ katalizatorem potrzebnym na elektrodach może być dowolna z substancji, które są tańsze niż te stosowane jako katalizatory w innych ogniwach paliwowych. Ponadto SCFC działają w stosunkowo niskiej temperaturze i należą do najbardziej wydajnych ogniw paliwowych – takie właściwości mogą odpowiednio przyczynić się do szybszego wytwarzania energii i wysokiej efektywności paliwowej.

Jedną z charakterystycznych cech SHTE jest wysoka wrażliwość na CO 2 , który może być zawarty w paliwie lub powietrzu. CO 2 reaguje z elektrolitem, szybko go zatruwa i znacznie obniża sprawność ogniwa paliwowego. Dlatego też zastosowanie KŁŻ ogranicza się do przestrzeni zamkniętych, takich jak pojazdy kosmiczne i podwodne, muszą one działać na czystym wodorze i tlenie. Ponadto szkodliwe dla SFC cząsteczki takie jak CO, H 2 O i CH 4 , które są bezpieczne dla innych ogniw paliwowych, a nawet paliwa dla niektórych z nich.

Ogniwa paliwowe z elektrolitem polimerowym (PETE)

W przypadku ogniw paliwowych z elektrolitem polimerowym, membrana polimerowa składa się z włókien polimerowych z obszarami wodnymi, w których przewodzą jony wody H 2 O + (proton, czerwony) przyłączone do cząsteczki wody. Cząsteczki wody stanowią problem ze względu na powolną wymianę jonów. Dlatego wymagane jest wysokie stężenie wody zarówno w paliwie, jak i na elektrodach spalinowych, co ogranicza temperaturę pracy do 100°C.

Ogniwa paliwowe na kwas stały (SCFC)

W stałych kwasowych ogniwach paliwowych elektrolit (C s HSO 4 ) nie zawiera wody. Temperatura robocza wynosi zatem 100-300°C. Rotacja anionów 2-oksy SO 4 umożliwia protonom (czerwonym) poruszanie się, jak pokazano na rysunku. Z reguły ogniwo paliwowe ze stałym kwasem to kanapka, w której jest bardzo cienka warstwa Stały związek kwasowy jest umieszczany między dwiema mocno ściśniętymi elektrodami, aby zapewnić dobry kontakt. Po podgrzaniu składnik organiczny odparowuje, pozostawiając pory w elektrodach, zachowując zdolność do licznych kontaktów między paliwem (lub tlenem na drugim końcu ogniwa), elektrolitem i elektrodami.

Typ ogniwa paliwowego	Temperatura pracy	Wydajność wytwarzania energii	Typ paliwa	Obszar zastosowań
RKTE	550-700°C	50-70%		Średnie i duże instalacje
FKTE	100–220°C	35-40%	czysty wodór	Duże instalacje
MOPTE	30-100°C	35-50%	czysty wodór	Małe instalacje
SOFC	450–1000°C	45-70%	Większość paliw węglowodorowych	Małe, średnie i duże instalacje
POMTE	20-90°C	20-30%	metanol	Jednostki przenośne
SHTE	50–200°C	40-65%	czysty wodór	badanie przestrzeni kosmicznej
PETE	30-100°C	35-50%	czysty wodór	Małe instalacje