Gorivni elementi. Goriva ćelija kao alternativa "alternativnoj" energiji U gorivoj ćeliji vodik obavlja funkciju

Sa stanovišta "zelene" energije, vodonične gorivne ćelije imaju izuzetno visoku efikasnost - 60%. Za poređenje: efikasnost najboljih motora sa unutrašnjim sagorevanjem je 35-40%. Za solarne elektrane koeficijent je samo 15-20%, ali u velikoj mjeri ovisi o vremenskim prilikama. Efikasnost najboljih vjetroelektrana s lopaticama dostiže 40%, što je uporedivo sa generatorima pare, ali vjetroturbine također zahtijevaju odgovarajuće vremenske uslove i skupo održavanje.

Kao što vidimo, prema ovom parametru, energija vodika je najatraktivniji izvor energije, ali i dalje postoji niz problema koji sprečavaju njenu masovnu primjenu. Najvažniji od njih je proces proizvodnje vodika.

Problemi s rudarstvom

Energija vodika je ekološki prihvatljiva, ali nije autonomna. Da bi radila, gorivnoj ćeliji je potreban vodonik, koji se na Zemlji ne nalazi u svom čistom obliku. Vodonik treba nabaviti, ali sve postojeće metode su ili vrlo skupe ili neefikasne.

Najefikasniji metod u smislu količine proizvedenog vodonika po jedinici utrošene energije je parno reformisanje prirodnog gasa. Metan se kombinuje sa vodenom parom pri pritisku od 2 MPa (oko 19 atmosfera, tj. pritisku na dubini od oko 190 m) i temperaturi od oko 800 stepeni, što rezultira pretvorenim gasom sa sadržajem vodonika od 55-75%. Reformiranje parom zahtijeva ogromne pogone koji se mogu koristiti samo u proizvodnji.

Cjevasta peć za parni reforming metana nije najergonomskiji način za proizvodnju vodika. Izvor: CTK-Euro

Pogodnija i jednostavnija metoda je elektroliza vode. Kada električna struja prođe kroz tretiranu vodu, dolazi do niza elektrohemijskih reakcija koje rezultiraju stvaranjem vodika. Značajan nedostatak ove metode je velika potrošnja energije potrebna za reakciju. Odnosno, ispada pomalo čudna situacija: da biste dobili energiju vodika, potrebna vam je ... energija. Kako bi izbjegli nepotrebne troškove tokom elektrolize i uštedjeli dragocjene resurse, neke kompanije nastoje razviti sisteme punog ciklusa "struja - vodonik - struja" u kojima proizvodnja energije postaje moguća bez vanjskog dopunjavanja. Primer takvog sistema je razvoj Toshiba H2One.

Toshiba H2One mobilna elektrana

Razvili smo mobilnu mini elektranu H2One koja pretvara vodu u vodonik i vodonik u energiju. Koristi solarne panele za održavanje elektrolize, a višak energije pohranjuje se u baterije i osigurava rad sistema u nedostatku sunčeve svjetlosti. Dobijeni vodonik se ili dovodi direktno u gorivne ćelije ili se skladišti u integrisanom rezervoaru. H2One elektrolizer proizvodi do 2 m 3 vodonika na sat, a na izlazu daje snagu do 55 kW. Za proizvodnju 1 m 3 vodonika stanici je potrebno do 2,5 m 3 vode.

H2One stanica do sada nije sposobna da strujom snabdijeva veliko preduzeće ili cijeli grad, ali će njena energija biti sasvim dovoljna za funkcionisanje malih područja ili organizacija. Zbog svoje mobilnosti može se koristiti i kao privremeno rješenje u slučaju prirodnih katastrofa ili nestanka struje. Osim toga, za razliku od dizel generatora, kojem je za normalno funkcioniranje potrebno gorivo, elektrani na vodik treba samo voda.

Trenutno se Toshiba H2One koristi samo u nekoliko gradova u Japanu – na primjer, opskrbljuje strujom i toplom vodom željezničku stanicu u gradu Kawasaki.

Instalacija H2One sistema u Kawasakiju

Budućnost vodika

Sada vodonične gorivne ćelije daju energiju za prijenosne baterije, gradske autobuse s automobilima i željeznički transport. (Više o upotrebi vodonika u automobilskoj industriji ćemo pokriti u našem sljedećem postu). Vodikove gorive ćelije neočekivano su se pokazale kao odlično rješenje za kvadrokoptere - sa istom masom kao i baterija, dovod vodonika osigurava do pet puta duže vrijeme leta. U ovom slučaju mraz ni na koji način ne utiče na efikasnost. Za snimanje Olimpijskih igara u Sočiju korišteni su eksperimentalni dronovi sa gorivnim ćelijama ruske kompanije AT Energy.

Postalo je poznato da će se na predstojećim Olimpijskim igrama u Tokiju vodonik koristiti u automobilima, u proizvodnji električne i toplotne energije, a postaće i glavni izvor energije za Olimpijsko selo. Da biste to učinili, po nalogu Toshiba Energy Systems & Solutions Corp. U japanskom gradu Namieu gradi se jedna od najvećih svjetskih stanica za proizvodnju vodonika. Stanica će trošiti do 10 MW energije dobijene iz "zelenih" izvora, a elektrolizom će proizvoditi do 900 tona vodonika godišnje.

Energija vodika je naša „rezerva za budućnost“, kada će fosilna goriva morati biti potpuno napuštena, a obnovljivi izvori energije neće moći pokriti potrebe čovječanstva. Prema prognozi Markets&Markets, obim svjetske proizvodnje vodonika, koji sada iznosi 115 milijardi dolara, porast će na 154 milijarde dolara do 2022. Ali u bliskoj budućnosti, malo je vjerovatno da će se masovno uvođenje tehnologije dogoditi, i dalje je potrebno riješiti niz problema povezanih s proizvodnjom i radom specijalnih elektrana, kako bi se smanjili njihovi troškovi. Kada se prevaziđu tehnološke barijere, energija vodika će dostići novi nivo i, možda, biti raširena kao tradicionalna ili hidroenergija danas.

Slično kao što postoje različiti tipovi motora sa unutrašnjim sagorevanjem, postoje i različite vrste gorivih ćelija - izbor odgovarajuće vrste gorivne ćelije zavisi od njene primene.

Gorivne ćelije se dijele na visokotemperaturne i niskotemperaturne. Niskotemperaturne gorivne ćelije zahtevaju relativno čist vodonik kao gorivo. To često znači da je prerada goriva potrebna za pretvaranje primarnog goriva (kao što je prirodni plin) u čisti vodonik. Ovaj proces troši dodatnu energiju i zahtijeva posebnu opremu. Visokotemperaturne gorivne ćelije ne trebaju ovu dodatnu proceduru, jer mogu "interno pretvoriti" gorivo na povišenim temperaturama, što znači da nema potrebe za ulaganjem u vodoničnu infrastrukturu.

Gorivne ćelije na rastopljenom karbonatu (MCFC)

Gorivne ćelije sa rastopljenim karbonatnim elektrolitom su gorive ćelije visoke temperature. Visoka radna temperatura omogućava direktnu upotrebu prirodnog gasa bez procesora goriva i niskokalorične vrednosti gorivog gasa iz procesnih goriva i drugih izvora. Ovaj proces je razvijen sredinom 1960-ih. Od tog vremena tehnologija proizvodnje, performanse i pouzdanost su poboljšani.

Rad RCFC-a se razlikuje od ostalih gorivnih ćelija. Ove ćelije koriste elektrolit iz mješavine rastopljenih karbonatnih soli. Trenutno se koriste dvije vrste mješavina: litijum karbonat i kalijum karbonat ili litijum karbonat i natrijum karbonat. Za topljenje karbonatnih soli i postizanje visokog stepena mobilnosti jona u elektrolitu, gorive ćelije sa rastopljenim karbonatnim elektrolitom rade na visokim temperaturama (650°C). Efikasnost varira između 60-80%.

Kada se zagreju na temperaturu od 650°C, soli postaju provodnik za karbonatne jone (CO 3 2-). Ovi ioni prelaze s katode na anodu gdje se spajaju s vodikom i formiraju vodu, ugljični dioksid i slobodne elektrone. Ovi elektroni se šalju kroz vanjski električni krug natrag do katode, stvarajući električnu struju i toplinu kao nusproizvod.

Anodna reakcija: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Reakcija na katodi: CO 2 + 1 / 2 O 2 + 2e - => CO 3 2-
Opća reakcija elementa: H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) + CO 2 (katoda) => H 2 O (g) + CO 2 (anoda)

Visoke radne temperature gorivnih ćelija rastopljenog karbonatnog elektrolita imaju određene prednosti. Na visokim temperaturama, prirodni gas se interno reformiše, eliminišući potrebu za procesorom goriva. Osim toga, prednosti uključuju mogućnost korištenja standardnih materijala za konstrukciju, kao što su lim od nehrđajućeg čelika i nikl katalizator na elektrodama. Otpadna toplota se može koristiti za proizvodnju pare pod visokim pritiskom za različite industrijske i komercijalne svrhe.

Visoke temperature reakcije u elektrolitu također imaju svoje prednosti. Za primjenu visokih temperatura potrebno je dosta vremena za postizanje optimalnih radnih uvjeta, a sistem sporije reagira na promjene u potrošnji energije. Ove karakteristike omogućavaju upotrebu sistema gorivnih ćelija sa rastopljenim karbonatnim elektrolitom u uslovima konstantne snage. Visoke temperature sprečavaju oštećenje gorivih ćelija ugljičnim monoksidom, "trovanje" itd.

Gorivne ćelije od rastopljenog karbonata su pogodne za upotrebu u velikim stacionarnim instalacijama. Termoelektrane izlazne električne snage od 2,8 MW industrijski se proizvode. Razvijaju se postrojenja sa izlaznom snagom do 100 MW.

Gorivne ćelije fosforne kiseline (PFC)

Gorivne ćelije na bazi fosforne (ortofosforne) kiseline bile su prve gorive ćelije za komercijalnu upotrebu. Ovaj proces je razvijen sredinom 1960-ih i testiran je od 1970-ih. Od tada, stabilnost, performanse i troškovi su povećani.

Gorivne ćelije na bazi fosforne (ortofosforne) kiseline koriste elektrolit na bazi ortofosforne kiseline (H 3 PO 4) u koncentraciji do 100%. Jonska provodljivost fosforne kiseline je niska na niskim temperaturama, zbog čega se ove gorive ćelije koriste na temperaturama do 150-220°C.

Nosač naboja u gorivnim ćelijama ovog tipa je vodonik (H+, proton). Sličan proces se događa u gorivnim ćelijama s protonskom izmjenom (MEFC), u kojima se vodonik doveden na anodu dijeli na protone i elektrone. Protoni prolaze kroz elektrolit i kombinuju se sa kiseonikom iz vazduha na katodi i formiraju vodu. Elektroni se usmjeravaju duž vanjskog električnog kola i stvara se električna struja. Ispod su reakcije koje stvaraju električnu energiju i toplinu.

Reakcija na anodi: 2H 2 => 4H + + 4e -
Reakcija na katodi: O 2 (g) + 4H + + 4e - \u003d\u003e 2H 2 O
Opća reakcija elementa: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Efikasnost gorivih ćelija na bazi fosforne (ortofosforne) kiseline je više od 40% pri generisanju električne energije. U kombinovanoj proizvodnji toplotne i električne energije ukupna efikasnost je oko 85%. Osim toga, s obzirom na radne temperature, otpadna toplina se može koristiti za zagrijavanje vode i stvaranje pare pri atmosferskom pritisku.

Visoke performanse termoelektrana na gorivne ćelije na bazi fosforne (ortofosforne) kiseline u kombinovanoj proizvodnji toplotne i električne energije jedna je od prednosti ove vrste gorivih ćelija. Postrojenja koriste ugljični monoksid u koncentraciji od oko 1,5%, što uvelike proširuje izbor goriva. Osim toga, CO 2 ne utiče na elektrolit i rad gorivne ćelije, ova vrsta ćelija radi sa reformisanim prirodnim gorivom. Jednostavna konstrukcija, niska isparljivost elektrolita i povećana stabilnost također su prednosti ove vrste gorivih ćelija.

Termoelektrane izlazne električne snage do 400 kW se proizvode industrijski. Instalacije za 11 MW su prošle odgovarajuće testove. Razvijaju se postrojenja sa izlaznom snagom do 100 MW.

Gorivne ćelije sa membranom za izmjenu protona (PME)

Gorivne ćelije sa membranom za protonsku izmjenu smatraju se najboljom vrstom gorivnih ćelija za proizvodnju energije vozila, koje mogu zamijeniti benzinske i dizel motore s unutrašnjim sagorijevanjem. Ove gorivne ćelije je prvi put koristila NASA za program Gemini. Danas se razvijaju i demonstriraju instalacije na MOPFC snage od 1 W do 2 kW.

Ove gorivne ćelije koriste čvrstu polimernu membranu (tanki plastični film) kao elektrolit. Kada je impregniran vodom, ovaj polimer propušta protone, ali ne provodi elektrone.

Gorivo je vodonik, a nosilac naboja je vodikov jon (proton). Na anodi, molekul vodonika se razdvaja na vodikov jon (proton) i elektrone. Ioni vodika prolaze kroz elektrolit do katode, dok se elektroni kreću po vanjskom krugu i proizvode električnu energiju. Kiseonik, koji se uzima iz vazduha, dovodi se do katode i kombinuje se sa elektronima i ionima vodonika da bi formirao vodu. Na elektrodama se odvijaju sljedeće reakcije:

Reakcija na anodi: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reakcija na katodi: O 2 + 2H 2 O + 4e - \u003d\u003e 4OH -
Opća reakcija elementa: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

U poređenju sa drugim tipovima gorivih ćelija, gorivne ćelije sa membranom za izmjenu protona proizvode više snage za dati volumen ili težinu gorivne ćelije. Ova karakteristika im omogućava da budu kompaktni i lagani. Osim toga, radna temperatura je manja od 100°C, što vam omogućava brz početak rada. Ove karakteristike, kao i mogućnost brze promjene izlazne energije, samo su neke od karakteristika koje ove gorivne ćelije čine glavnim kandidatom za upotrebu u vozilima.

Još jedna prednost je što je elektrolit čvrsta, a ne tečna supstanca. Zadržavanje plinova na katodi i anodi lakše je s čvrstim elektrolitom i stoga su takve gorive ćelije jeftinije za proizvodnju. U poređenju sa drugim elektrolitima, upotreba čvrstog elektrolita ne izaziva probleme kao što je orijentacija, manje je problema zbog pojave korozije, što dovodi do dužeg trajanja ćelije i njenih komponenti.

Čvrste oksidne gorivne ćelije (SOFC)

Čvrste oksidne gorivne ćelije su gorivne ćelije s najvišom radnom temperaturom. Radna temperatura može varirati od 600°C do 1000°C, što omogućava upotrebu različitih vrsta goriva bez posebne predtretmana. Za podnošenje ovih visokih temperatura, korišteni elektrolit je tanak čvrsti metalni oksid na bazi keramike, često legura itrijuma i cirkonija, koji je provodnik kisikovih (O 2 -) jona. Tehnologija upotrebe čvrstih oksidnih gorivnih ćelija razvija se od kasnih 1950-ih. i ima dvije konfiguracije: ravan i cijevni.

Čvrsti elektrolit osigurava hermetički prijelaz plina s jedne elektrode na drugu, dok se tekući elektroliti nalaze u poroznoj podlozi. Nosač naboja u gorivnim ćelijama ovog tipa je jon kiseonika (O 2 -). Na katodi se molekuli kisika odvajaju od zraka na ion kisika i četiri elektrona. Ioni kiseonika prolaze kroz elektrolit i spajaju se sa vodonikom da bi formirali četiri slobodna elektrona. Elektroni se usmjeravaju kroz vanjski električni krug, stvarajući električnu struju i otpadnu toplinu.

Reakcija na anodi: 2H 2 + 2O 2 - => 2H 2 O + 4e -
Reakcija na katodi: O 2 + 4e - => 2O 2 -
Opća reakcija elementa: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Efikasnost proizvedene električne energije je najveća od svih gorivnih ćelija - oko 60%. Pored toga, visoke radne temperature omogućavaju kombinovanu proizvodnju toplote i energije za stvaranje pare pod visokim pritiskom. Kombinovanjem gorivne ćelije visoke temperature sa turbinom stvara se hibridna gorivna ćelija koja povećava efikasnost proizvodnje električne energije do 70%.

Čvrste oksidne gorivne ćelije rade na veoma visokim temperaturama (600°C - 1000°C), što rezultira dugo vremena za postizanje optimalnih radnih uslova, a sistem sporije reaguje na promene u potrošnji energije. Na tako visokim radnim temperaturama nije potreban pretvarač za regeneraciju vodonika iz goriva, što omogućava termoelektranu da radi sa relativno nečistim gorivima iz gasifikacije uglja ili otpadnih gasova i slično. Takođe, ova gorivna ćelija je odlična za aplikacije velike snage, uključujući industrijske i velike centralne elektrane. Industrijski proizvedeni moduli sa izlaznom električnom snagom od 100 kW.

Gorivne ćelije sa direktnom oksidacijom metanola (DOMTE)

Tehnologija korištenja gorivnih ćelija s direktnom oksidacijom metanola prolazi kroz period aktivnog razvoja. Uspješno se etablirao u oblasti napajanja mobilnih telefona, laptopa, kao i za izradu prijenosnih izvora napajanja. čemu je usmjerena buduća primjena ovih elemenata.

Struktura gorivih ćelija sa direktnom oksidacijom metanola je slična gorivim ćelijama sa membranom za izmjenu protona (MOFEC), tj. polimer se koristi kao elektrolit, a vodikov ion (proton) se koristi kao nosilac naboja. Međutim, tečni metanol (CH 3 OH) se oksidira u prisustvu vode na anodi, oslobađajući CO 2 , vodikove ione i elektrone, koji se vode kroz vanjski električni krug, te se stvara električna struja. Vodikovi joni prolaze kroz elektrolit i reagiraju s kisikom iz zraka i elektronima iz vanjskog kruga i formiraju vodu na anodi.

Reakcija na anodi: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Reakcija na katodi: 3 / 2 O 2 + 6H + + 6e - => 3H 2 O
Opća reakcija elementa: CH 3 OH + 3/2 O 2 => CO 2 + 2H 2 O

Razvoj ovih gorivnih ćelija počeo je početkom 1990-ih. Nakon razvoja poboljšanih katalizatora i drugih nedavnih inovacija, gustina snage i efikasnost povećani su do 40%.

Ovi elementi su testirani u temperaturnom opsegu od 50-120°C. Sa niskim radnim temperaturama i bez potrebe za pretvaračem, gorive ćelije s direktnim metanolom su najbolji kandidati za primjenu u rasponu od mobilnih telefona i drugih potrošačkih proizvoda do automobilskih motora. Prednost ove vrste gorivih ćelija su njihove male dimenzije, zbog upotrebe tečnog goriva, te odsustvo potrebe za korištenjem pretvarača.

Alkalne gorive ćelije (AFC)

Alkalne gorivne ćelije (ALFC) jedna su od najviše proučavanih tehnologija i koriste se od sredine 1960-ih. od strane NASA-e u programima Apollo i Space Shuttle. Na brodu ovih svemirskih letjelica, gorivne ćelije proizvode struju i vodu za piće. Alkalne gorivne ćelije su među najefikasnijim ćelijama koje se koriste za proizvodnju električne energije, a efikasnost proizvodnje električne energije dostiže i do 70%.

Alkalne gorive ćelije koriste elektrolit, tj. vodeni rastvor kalijum hidroksida, koji se nalazi u poroznoj, stabilizovanoj matrici. Koncentracija kalijum hidroksida može varirati u zavisnosti od radne temperature gorivne ćelije, koja se kreće od 65°C do 220°C. Nosač naboja u SFC-u je hidroksidni ion (OH-) koji se kreće od katode do anode gdje reaguje sa vodonikom da bi proizveo vodu i elektrone. Voda proizvedena na anodi vraća se na katodu, gdje opet stvara hidroksidne ione. Kao rezultat ove serije reakcija koje se odvijaju u gorivoj ćeliji, proizvodi se električna energija i, kao nusproizvod, toplina:

Reakcija na anodi: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reakcija na katodi: O 2 + 2H 2 O + 4e - \u003d\u003e 4OH -
Opšta reakcija sistema: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Prednost SFC-a je što su ove gorivne ćelije najjeftinije za proizvodnju, budući da katalizator potreban na elektrodama može biti bilo koja od supstanci koje su jeftinije od onih koje se koriste kao katalizatori za druge gorivne ćelije. Osim toga, SCFC rade na relativno niskoj temperaturi i spadaju među najefikasnije gorive ćelije - takve karakteristike mogu doprinijeti bržem stvaranju energije i visokoj efikasnosti goriva.

Jedna od karakterističnih karakteristika SHTE-a je njegova visoka osjetljivost na CO 2 , koji može biti sadržan u gorivu ili zraku. CO 2 reaguje sa elektrolitom, brzo ga truje i uveliko smanjuje efikasnost gorivne ćelije. Stoga je upotreba SFC-a ograničena na zatvorene prostore kao što su svemirska i podvodna vozila, oni moraju raditi na čistom vodiku i kisiku. Štaviše, molekuli kao što su CO, H 2 O i CH 4, koji su sigurni za druge gorivne ćelije, pa čak i gorivo za neke od njih, štetni su za SFC.

Gorivne ćelije sa polimernim elektrolitom (PETE)

U slučaju gorivnih ćelija od polimernog elektrolita, polimerna membrana se sastoji od polimernih vlakana sa vodenim područjima u kojima postoji provodljivost vodenih jona H 2 O + (proton, crvena) vezana za molekul vode. Molekuli vode predstavljaju problem zbog spore izmjene jona. Zbog toga je potrebna visoka koncentracija vode i u gorivu i na elektrodama izduvnih gasova, što ograničava radnu temperaturu na 100°C.

Čvrste kiselinske gorivne ćelije (SCFC)

U čvrstim kiselim gorivnim ćelijama, elektrolit (C s HSO 4 ) ne sadrži vodu. Radna temperatura je dakle 100-300°C. Rotacija SO 4 2-oksi anjona omogućava protonima (crvenim) da se kreću kao što je prikazano na slici. Tipično, gorivna ćelija s čvrstom kiselinom je sendvič u kojem je vrlo tanak sloj čvrstog kiselinskog spoja u sendviču između dvije čvrsto komprimirane elektrode kako bi se osigurao dobar kontakt. Kada se zagrije, organska komponenta isparava, ostavljajući kroz pore u elektrodama, zadržavajući sposobnost brojnih kontakata između goriva (ili kisika na drugom kraju ćelije), elektrolita i elektroda.

Tip gorivne ćelije	Radna temperatura	Efikasnost proizvodnje energije	Vrsta goriva	Područje primjene
RKTE	550–700°C	50-70%		Srednje i velike instalacije
FKTE	100–220°C	35-40%	čisti vodonik	Velike instalacije
MOPTE	30-100°C	35-50%	čisti vodonik	Male instalacije
SOFC	450–1000°C	45-70%	Većina ugljovodoničnih goriva	Male, srednje i velike instalacije
POMTE	20-90°C	20-30%	metanol	Prijenosne jedinice
SHTE	50–200°C	40-65%	čisti vodonik	istraživanje svemira
PETE	30-100°C	35-50%	čisti vodonik	Male instalacije

Nissanova vodonična gorivna ćelija

Mobilna elektronika se svake godine poboljšava, postaje sve raširenija i pristupačnija: PDA uređaji, laptopovi, mobilni i digitalni uređaji, okviri za fotografije, itd. veličina.. Tehnologije napajanja, za razliku od poluvodičke tehnologije, ne idu skokovima i granicama.

Dostupne baterije i akumulatori za napajanje dostignuća industrije postaju nedovoljni, pa je pitanje alternativnih izvora veoma akutno. Gorivne ćelije su daleko najperspektivniji smjer. Princip njihovog rada otkrio je davne 1839. godine William Grove, koji je proizveo električnu energiju mijenjajući elektrolizu vode.

Video: dokumentarni film, Gorivne ćelije za transport: prošlost, sadašnjost, budućnost

Gorivne ćelije interesuju proizvođače automobila, a za njih su zainteresovani i kreatori svemirskih letelica. Godine 1965. čak ih je Amerika testirala na Gemini 5 lansiranom u svemir, a kasnije i na Apollu. Milioni dolara se ulažu u istraživanja gorivih ćelija i danas, kada postoje problemi povezani sa zagađenjem životne sredine, povećanjem emisije stakleničkih gasova iz sagorevanja fosilnih goriva, čije rezerve takođe nisu beskonačne.

Gorivna ćelija, koja se često naziva i elektrohemijski generator, radi na način opisan u nastavku.

Biti, kao i akumulatori i baterije, galvanska ćelija, ali s tom razlikom što se aktivne tvari u njoj pohranjuju odvojeno. Oni dolaze do elektroda kako se koriste. Na negativnoj elektrodi gori prirodno gorivo ili bilo koja tvar dobivena iz njega, koja može biti plinovita (na primjer, vodik i ugljični monoksid) ili tečna, poput alkohola. Na pozitivnoj elektrodi, u pravilu, reagira kisik.

Ali princip rada koji izgleda jednostavno nije lako pretočiti u stvarnost.

DIY gorivne ćelije

Video: DIY vodonične gorivne ćelije

Nažalost, nemamo fotografije kako bi ovaj goriv element trebao izgledati, nadamo se vašoj mašti.

Gorivna ćelija male snage vlastitim rukama može se napraviti čak iu školskoj laboratoriji. Potrebno je nabaviti staru gas masku, nekoliko komada pleksiglasa, lužinu i vodenu otopinu etilnog alkohola (jednostavnije, votke), koji će poslužiti kao "gorivo" za gorivnu ćeliju.

Prije svega, potrebno vam je kućište za gorivnu ćeliju, koje je najbolje napraviti od pleksiglasa, debljine najmanje pet milimetara. Unutrašnje pregrade (pet pregrada iznutra) mogu se napraviti malo tanje - 3 cm. Za lijepljenje pleksiglasa koristi se ljepilo sljedećeg sastava: šest grama čipsa od pleksiglasa se otopi u sto grama hloroforma ili dihloroetana (rade ispod haube ).

U vanjskom zidu sada je potrebno izbušiti rupu u koju je potrebno umetnuti odvodnu staklenu cijev promjera 5-6 centimetara kroz gumeni čep.

Svima je poznato da se u periodnom sistemu u donjem lijevom uglu nalaze najaktivniji metali, a metaloidi visoke aktivnosti su u tabeli u gornjem desnom uglu, tj. sposobnost doniranja elektrona povećava se odozgo prema dolje i s desna na lijevo. Elementi koji se pod određenim uslovima mogu manifestovati kao metali ili metaloidi nalaze se u centru tabele.

Sada u drugi i četvrti odjeljak ulijemo aktivni ugalj iz gas maske (između prve pregrade i druge, kao i treće i četvrte), koja će djelovati kao elektrode. Kako se ugalj ne bi izlio kroz rupice, može se staviti u najlonsku tkaninu (dostat će ženske najlonske čarape). AT

Gorivo će cirkulisati u prvoj komori, u petoj bi trebalo da postoji snabdevač kiseonikom - vazduh. Između elektroda će se nalaziti elektrolit, a kako bi se spriječilo njegovo curenje u zračnu komoru, potrebno ga je natopiti otopinom parafina u benzinu (omjer 2 grama parafina na pola čaše benzina) prije punjenja četvrte komore ugljem za zračni elektrolit. Na sloj uglja potrebno je staviti (blago pritiskanje) bakrene ploče na koje su zalemljene žice. Preko njih će se struja preusmjeriti sa elektroda.

Ostaje samo napuniti element. Za to je potrebna votka, koja se mora razrijediti vodom u omjeru 1: 1. Zatim pažljivo dodajte trista do tri stotine i pedeset grama kaustičnog kalijuma. Za elektrolit, 70 grama kaustičnog kalijuma rastvoreno je u 200 grama vode.

Gorivna ćelija je spremna za testiranje. Sada morate istovremeno sipati gorivo u prvu komoru, a elektrolit u treću. Voltmetar pričvršćen na elektrode trebao bi pokazati od 07 volti do 0,9. Da bi se osigurao kontinuirani rad elementa, potrebno je istrošeno gorivo isprazniti (iscijediti u čašu) i dodati novo gorivo (kroz gumenu cijev). Brzina pomaka se kontrolira stiskanjem cijevi. Ovako izgleda rad gorivne ćelije u laboratorijskim uslovima, čija je snaga razumljivo mala.

Video: Goriva ćelija ili vječna baterija kod kuće

Kako bi snaga bila veća, naučnici već duže vrijeme rade na ovom problemu. Gorivne ćelije metanola i etanola nalaze se na čeliku za aktivni razvoj. Ali, nažalost, do sada ne postoji način da se oni provedu u praksi.

Zašto je gorivna ćelija odabrana kao alternativni izvor energije

Kao alternativni izvor energije odabrana je gorivna ćelija, budući da je krajnji proizvod sagorijevanja vodonika u njoj voda. Problem je samo u pronalaženju jeftinog i efikasnog načina za proizvodnju vodonika. Kolosalna sredstva uložena u razvoj vodonik generatora i gorivnih ćelija ne mogu ne uroditi plodom, pa je tehnološki iskorak i njihova stvarna upotreba u svakodnevnom životu samo pitanje vremena.

Već danas čudovišta automobilske industrije: General Motors, Honda, Dreimler Koisler, Ballard demonstriraju autobuse i automobile koji rade na gorive ćelije snage do 50 kW. Ali, problemi povezani s njihovom sigurnošću, pouzdanošću, troškovima - još nisu riješeni. Kao što je već spomenuto, za razliku od tradicionalnih izvora energije – baterija i baterija, u ovom slučaju, oksidant i gorivo se napajaju izvana, a gorivna ćelija je samo posrednik u tekućoj reakciji sagorijevanja goriva i pretvaranja oslobođene energije u električnu energiju. . „Izgaranje“ se javlja samo ako element daje struju opterećenju, kao dizel električni generator, ali bez generatora i dizela, a također i bez buke, dima i pregrijavanja. Istovremeno, efikasnost je mnogo veća, jer nema međumehanizma.

Video: Automobil na vodikove gorive ćelije

Velike nade polažu se u upotrebu nanotehnologija i nanomaterijala, koji će pomoći u minijaturizaciji gorivnih ćelija, uz povećanje njihove snage. Bilo je izvještaja da su stvoreni ultra efikasni katalizatori, kao i dizajni gorivih ćelija koji nemaju membrane. U njima se, zajedno s oksidatorom, elementu dovodi gorivo (na primjer, metan). Zanimljiva su rješenja u kojima se kao oksidant koristi kisik otopljen u vodi, a kao gorivo se koriste organske nečistoće koje se nakupljaju u zagađenim vodama. To su takozvane ćelije za biogorivo.

Gorivne ćelije, prema mišljenju stručnjaka, mogu ući na masovno tržište u narednim godinama

Preduzetnik Danila Šapošnjikov kaže da se obavezao da će proizvod na tržište izneti iz laboratorije. Startup AT Energy proizvodi vodonične gorivne ćelije koje će omogućiti bespilotnim letjelicama da lete mnogo puta duže nego sada.

Preduzetnik Danila Shaposhnikov pomaže naučnicima Juriju Dobrovolskom i Sergeju Nefedkinu da komercijaliziraju svoj izum - kompaktne vodonične gorivne ćelije koje mogu raditi nekoliko sati bez straha od mraza i vlage. Kompanija AT Energy koju su stvorili već je privukla oko 100 miliona rubalja. ulaganja i sprema se da osvoji globalno tržište bespilotnih letjelica vrijedno 7 milijardi dolara, koje do sada uglavnom koriste litijum-jonske baterije.

Od laboratorije do tržišta

Posao je započeo Šapošnjikovljevim poznanstvom sa dva doktora nauka iz oblasti energetike i elektrohemije - Dobrovolskim sa Instituta za probleme hemijske fizike Ruske akademije nauka u Černoglavki i Nefedkinom, koji vodi Centar za energiju vodika u Moskvi. Energetski institut. Profesori su imali ideju kako da naprave niskotemperaturne gorivne ćelije, ali nisu shvatili kako da svoj izum iznesu na tržište. „Postupio sam kao preduzetnik-investitor koji je preuzeo rizik da proizvod iznese na tržište iz laboratorije“, priseća se Šapošnjikov u intervjuu za RBC.

U avgustu 2012. Šapošnjikov, Dobrovolski i Nefedkin registrovali su AT Energy (AT Energy LLC) i počeli da pripremaju prototipove. Kompanija se prijavila i postala stanovnik Skolkova. Tokom 2013. godine, u iznajmljenoj bazi instituta u Chernogolovki, osnivači kompanije AT Energy radili su na radikalnom povećanju vijeka trajanja baterija gorivih ćelija. „Černogolovka je naučni grad, tamo je prilično lako pronaći i uključiti laboratorijske asistente, inženjere i elektrohemičare“, kaže Šapošnjikov. Zatim se AT Energy preselio u industrijski park Chernogolovsky. Tamo se pojavio prvi proizvod - gorivna ćelija za dronove.

„Srce“ gorivne ćelije koju je razvio AT Energy je membransko-elektrodna jedinica u kojoj se odvija elektrohemijska reakcija: s jedne strane, zrak s kisikom se opskrbljuje, s druge strane, komprimirani plinoviti vodik, kao rezultat hemijskom reakcijom oksidacije vodonika nastaje energija.

Za pravi proizvod, AT Energy je uspeo da dobije dva granta od Skolkova (ukupno skoro 47 miliona rubalja), kao i da privuče oko milion dolara investicija. U projekat je vjerovao fond North Energy Ventures (primio je 13,8% AT Energy, a sam Šapošnjikov mu je partner), Phystech Ventures venture fond (13,8%), koji su osnovali diplomci Moskovskog instituta za fiziku i tehnologiju, i programer Morton (10% ); direktno Shaposhnikov i Dobrovolsky sada posjeduju 26,7% AT Energy, a Nefedkin - 9% (sve - prema Jedinstvenom državnom registru pravnih lica).

AT Energija u brojevima

Oko 1 00 miliona rubalja— ukupan iznos privučenih investicija

3-30 kg- masa dronova za koje AT Energy proizvodi elektroenergetske sisteme

7 milijardi dolara godišnje - obim globalnog tržišta dronova u 2015

90 miliona dolara— obim ruskog tržišta vojnih dronova u 2014

5 miliona dolara— obim ruskog civilnog tržišta dronova u 2014

2,6 milijardi dolara— obim svjetskog tržišta gorivnih ćelija u 2014

Izvor: Podaci o kompaniji, Business Insider, Tržišta i tržišta

Letite duže, čak i duže

Danas skoro 80% dronova u svijetu koristi električne motore koji se napajaju litijum-jonskim ili litijum-polimerskim baterijama. “Najveći problem s baterijama je to što imaju ograničenja veličine. Ako želite duplo više energije, stavite drugu bateriju, pa još jednu i tako dalje. A kod dronova najvažniji parametar je njihova masa“, objašnjava Šapošnjikov.

Masa drona određuje njegovu nosivost – broj uređaja koji se mogu okačiti na njega (na primjer, kamere, termovizije, uređaji za skeniranje, itd.), kao i vrijeme leta. Do danas dronovi lete uglavnom od pola sata do sat i po. „Nije zanimljivo pola sata“, kaže Šapošnjikov. “Ispostavilo se da je, čim ste ga podigli u zrak, već došlo vrijeme da promijenite bateriju.” Osim toga, litijum-jonske baterije se ponašaju hirovito na niskim temperaturama. Šapošnjikov tvrdi da gorivne ćelije razvijene u AT Energy-u omogućavaju bespilotnim letelicama da lete i do pet puta duže: od dva i po do četiri sata, a ne boje se mraza (do minus 20 stepeni).

AT Energy kupuje potrošni materijal i komponente za svoje baterije u Rusiji i inostranstvu. „Za naučni razvoj podrazumevaju se male serije, tako da potencijalnim ruskim proizvođačima komponenti koje su nam potrebne još ne možemo dati horizont planiranja kako bi mogli da lokalizuju svoju proizvodnju“, objašnjava Šapošnjikov.

2014. godine AT Energy je završio prve ugovore: isporučio je vojsci 20 baterijskih sistema baziranih na vlastitim gorivnim ćelijama (Šapošnjikov ne navodi ime kupca). Opremljeni su i dronovima kompanije AFM-Servers, koja ih je koristila prilikom snimanja Olimpijskih igara u Sočiju. „Jedan od ciljeva kompanije bio je da testiramo naše sisteme na bespilotnim letelicama i nije nas bilo briga da li smo za to plaćeni ili ne“, priseća se Šapošnjikov. AT Energy je do danas potpisala niz ugovora i predugovora, čiji potencijalni prihod, prema Šapošnjikovu, iznosi 100 miliona rubalja. (uglavnom sa vladinim agencijama).

Šapošnjikov ne otkriva finansijske rezultate AT Energy. Prema podacima Kontur.Fokusa, u 2014. godini kompanija je imala prihod od 12,4 miliona rubalja. i neto gubitak od 1,2 miliona rubalja. Cijena gorivnih ćelija kapaciteta do 0,5 kW koje proizvodi AT Energy, prema Shaposhnikovu, varira u rasponu od 10-25 hiljada dolara, ovisno o vrsti drona, njegovim zadacima, trajanju leta i drugim parametrima.

Devalvacija rublje će, prema Šapošnjikovu, olakšati kompaniji izlazak na svjetsko tržište. “Postavili smo sebi cilj da u 2016. uspostavimo odnose sa zapadnim igračima, a 2017. da napravimo prve proizvode za glavne vrste stranih dronova”, kaže on.

INVESTITOR

"AT Energy je uspio stvoriti gorivu ćeliju sa jedinstvenim karakteristikama"

Oleg Pertsovsky, operativni direktor Klastera energetski efikasnih tehnologija Fondacije Skolkovo

“Uspjeli su napraviti uređaj koji radi na negativnim temperaturama, a da je prilično kompaktan i jeftin. Za projekte sa intenzivnim znanjem četiri godine su kratak period, tako da se po našem mišljenju odvijaju normalnim tempom. Dronovi su jedna od očiglednih i najperspektivnijih aplikacija za gorivne ćelije. Zamjenom izvora napajanja, dron će moći nekoliko puta povećati vrijeme leta uz iste maseno-dimenzionalne karakteristike. Postoji i tržište autonomnog napajanja, na primjer, za mobilne mreže, gdje postoji velika potreba za izvorima energije male snage u udaljenim područjima gdje ne postoje električne mreže.”

“Stvaranje konkurentnog proizvoda i ulazak na ovo tržište nosi značajne rizike ulaganja”

Sergey Filimonov, direktor GS Venture Corporate Venture Fund (dio GS Group)

„Tržište gorivnih ćelija velikog kapaciteta je mnogo šire i složenije od prostora bespilotnih letelica. Ali gorivne ćelije će morati da se takmiče sa brojnim postojećim izvorima energije, kako po efikasnosti tako i po ceni. Stvaranje konkurentnog proizvoda i izlazak na ovo tržište nosi značajne rizike ulaganja. Za GS Venture, područja bespilotnih letjelica i gorivnih ćelija su prilično interesantna, ali fond nije spreman ulagati u startup samo zato što ova kompanija posluje u polju u nastajanju i cilja na tržište koje brzo raste.

KLIJENTI

“Ovo je najbolja tehnologija na tržištu, ali preskupa”

Oleg Panfilenok, osnivač i izvršni direktor kompanije Copter Express

“AT Energy ima veoma jaku tehnologiju. Kombinacija "goriva ćelija plus rezervoar za vodonik" omogućava pouzdan energetski kapacitet, znatno veći nego kod litijum-polimerskih ili litijum-jonskih baterija. Već smo dizajnirali dron za mapiranje, prečnika oko 1 metar, da leti preko velike površine - ako na njega stavite vodonične gorivne ćelije, leteće do četiri sata. Bilo bi zgodno i efikasno, ne biste morali da postavljate uređaj nekoliko puta za punjenje.

Trenutno je to definitivno najbolja tehnologija na tržištu, ali postoji jedan problem: preskupa je za nas. Jedna baterija kompanije AT Energy može koštati oko 500 hiljada rubalja. - red veličine veći od litijum-polimerske baterije. Da, to je jedan i pol puta jeftinije od stranih analoga, ali nam treba deset. Mi nismo vojska, koji imamo budžete, mi smo komercijalna kompanija i nismo spremni da plaćamo velike pare. Za vojsku su karakteristike drona važnije od njegove cijene, ali za trgovinu je, naprotiv, bolje pustiti da bude lošiji, ali jeftiniji.”

“Vrijeme leta dronom za mnoge zadatke je najvažniji faktor”

Maxim Shinkevich, izvršni direktor grupe kompanija Bespilotni sistemi

„Mi smo veoma upoznati sa AT Energy-om i potpisali smo ugovor o saradnji sa njima. Nedavno smo završili razvoj novog prevelikog multikoptera nosivosti do 2 kg, koji će biti opremljen gorivnim ćelijama kompanije AT Energy i koji će letjeti od 2,5 do 4 sata. Na litijumske baterije, takav dron bi leteo samo 30 minuta. Ovaj dron se može koristiti u civilne i vojne svrhe - radi se o sistemu video nadzora za traganje i spašavanje ljudi, već smo spremni da ga lansiramo u seriju. Već imamo prvog civilnog kupca za njega, čim ga pokažemo na djelu, pojavit će se i drugi ugovori.

Jedan od glavnih problema u masovnoj upotrebi gorivnih ćelija je nedostatak mreže stanica za njihovo punjenje. Oni su skuplji od baterija (kao rezultat toga, trošak drona s njima raste za 15%), ali zauzvrat dobijate više nego dvostruko duže trajanje leta. Vrijeme leta dronom za mnoge zadatke je najvažniji faktor.”

Natalia Suvorova

gorivne ćelije- šta je to? Kada i kako se pojavio? Zašto je to potrebno i zašto se o njima tako često govori u naše vrijeme? Koji je njegov obim, karakteristike i svojstva? Nezaustavljiv napredak zahtijeva odgovore na sva ova pitanja!

Šta je gorivna ćelija?

gorivne ćelije- ovo je hemijski izvor struje ili elektrohemijski generator, ovo je uređaj za pretvaranje hemijske energije u električnu energiju. U savremenom životu, hemijski izvori struje se koriste svuda i to su baterije za mobilne telefone, laptope, PDA, kao i baterije u automobilima, besprekidna napajanja itd. Sljedeća faza u razvoju ovog područja bit će široka rasprostranjenost gorivnih ćelija, a to je nepobitna činjenica.

Istorija gorivnih ćelija

Istorija gorivnih ćelija je još jedna priča o tome kako su se svojstva materije, jednom otkrivena na Zemlji, naširoko koristila daleko u svemiru, a na prijelazu milenijuma vratila su se s neba na Zemlju.

Sve je počelo 1839 kada je njemački hemičar Christian Schönbein objavio principe gorivne ćelije u časopisu Philosophical Journal. Iste godine, Englez, diplomac Oksforda, William Robert Grove, dizajnirao je galvansku ćeliju, kasnije nazvanu Grove galvanska ćelija, koja je također prepoznata kao prva gorivna ćelija. Sam naziv "goriva ćelija" pronalazak je dobio u godini godišnjice - 1889. godine. Ludwig Mond i Karl Langer su autori termina.

Nešto ranije, 1874. godine, Jules Verne je u Tajanstvenom ostrvu predvidio trenutnu energetsku situaciju, napisavši da će se "voda jednog dana koristiti kao gorivo, koristiće se vodonik i kiseonik od kojih se sastoji".

U međuvremenu, nova tehnologija napajanja je postepeno unapređivana, a počevši od 50-ih godina XX veka nije prošla godina bez najave najnovijih izuma u ovoj oblasti. 1958. godine u Sjedinjenim Državama pojavio se prvi traktor na pogon gorivnih ćelija, 1959. godine. Pušteno je napajanje od 5KW za aparat za zavarivanje itd. Sedamdesetih godina vodikova tehnologija je poletjela u svemir: avionski i raketni motori su se pojavili na vodiku. U 1960-im godinama, RSC Energia je razvila gorivne ćelije za sovjetski lunarni program. Program Buran također nije prošao bez njih: razvijene su alkalne gorive ćelije od 10 kW. I krajem veka, gorivne ćelije su prešle nultu nadmorsku visinu - na osnovu njih su se razvile snabdijevanje električnom energijom Njemačka podmornica. Vraćajući se na Zemlju, 2009. godine puštena je u rad prva lokomotiva u SAD-u. Naravno, na gorive ćelije.

U cijeloj prelijepoj istoriji gorivnih ćelija, ono što je zanimljivo je da je točak još uvijek neusporedivi izum čovječanstva u prirodi. Činjenica je da su po svom dizajnu i principu rada gorivne ćelije slične biološkoj ćeliji, koja je, u stvari, minijaturna vodonično-kiseonička gorivna ćelija. Kao rezultat toga, čovjek je još jednom izmislio ono što je priroda koristila milionima godina.

Princip rada gorivnih ćelija

Princip rada gorivnih ćelija očigledan je čak i iz školskog programa iz hemije, a on je bio taj koji je položen u eksperimentima Williama Grovea 1839. godine. Stvar je u tome što je proces elektrolize vode (disocijacije vode) reverzibilan. Kao što je tačno da kada se električna struja propušta kroz vodu, potonja se deli na vodonik i kiseonik, tako je i suprotno: vodonik i kiseonik se mogu kombinovati da bi se proizvela voda i električna energija. U Groveovom eksperimentu, dvije elektrode su postavljene u komoru u koju su pod pritiskom dovedeni ograničeni dijelovi čistog vodika i kisika. Zbog malih zapremina gasa, kao i zbog hemijskih svojstava ugljeničnih elektroda, u komori se odvijala spora reakcija sa oslobađanjem toplote, vode i, što je najvažnije, sa stvaranjem razlike potencijala između elektrode.

Najjednostavnija gorivna ćelija sastoji se od posebne membrane koja se koristi kao elektrolit, na čije se obje strane nalaze elektrode u prahu. Vodik ulazi na jednu stranu (anoda), a kiseonik (vazduh) na drugu (katoda). Svaka elektroda ima drugačiju hemijsku reakciju. Na anodi se vodonik raspada u mješavinu protona i elektrona. U nekim gorivnim ćelijama, elektrode su okružene katalizatorom, obično napravljenim od platine ili drugih plemenitih metala, kako bi se pomoglo u reakciji disocijacije:

2H 2 → 4H + + 4e -

gdje je H 2 dvoatomni molekul vodonika (oblik u kojem je vodik prisutan kao plin); H + - jonizovani vodonik (proton); e - - elektron.

Na katodnoj strani gorivne ćelije, protoni (koji prolaze kroz elektrolit) i elektroni (koji prolaze kroz vanjsko opterećenje) rekombinuju se i reagiraju s kisikom dovedenim na katodu i formiraju vodu:

4H + + 4e - + O 2 → 2H 2 O

Ukupna reakcija u gorivoj ćeliji piše kako slijedi:

2H 2 + O 2 → 2H 2 O

Rad gorivne ćelije zasniva se na činjenici da elektrolit prolazi protone kroz sebe (prema katodi), ali elektroni ne. Elektroni se kreću prema katodi duž vanjskog provodnog kola. Ovo kretanje elektrona je električna struja koja se može koristiti za napajanje vanjskog uređaja spojenog na gorivnu ćeliju (opterećenje kao što je sijalica):

U svom radu gorivne ćelije koriste vodonično gorivo i kiseonik. Najlakši način je kisikom – uzima se iz zraka. Vodonik se može isporučiti direktno iz određene posude ili odvajanjem od vanjskog izvora goriva (prirodni plin, benzin ili metil alkohol – metanol). U slučaju eksternog izvora, mora se hemijski konvertovati da bi se ekstrahovao vodonik. Trenutno, većina tehnologija gorivnih ćelija koje se razvijaju za prijenosne uređaje koristi metanol.

Karakteristike gorivnih ćelija

Gorivne ćelije su analogne postojećim baterijama u smislu da se u oba slučaja električna energija dobija iz hemijske energije. Ali postoje i fundamentalne razlike:

• oni rade samo dok se gorivo i oksidant napajaju iz vanjskog izvora (tj. ne mogu skladištiti električnu energiju),

  hemijski sastav elektrolita se ne menja tokom rada (goriva ćelija se ne mora puniti),

  potpuno su nezavisni od električne energije (dok konvencionalne baterije pohranjuju energiju iz mreže).

Svaka gorivna ćelija stvara napon u 1V. Više napona se postiže njihovim serijskim povezivanjem. Povećanje snage (struje) ostvaruje se paralelnim povezivanjem kaskada serijski povezanih gorivnih ćelija.

Za gorive ćelije nema teškog ograničenja efikasnosti, što se tiče toplotnih motora (efikasnost Carnotovog ciklusa je najveća moguća efikasnost među svim toplotnim mašinama sa istim minimalnim i maksimalnim temperaturama).

Visoka efikasnost postignuto direktnom konverzijom energije goriva u električnu energiju. Ako se gorivo prvo sagorijeva u dizel agregatima, rezultirajuća para ili plin okreće osovinu turbine ili motora s unutarnjim izgaranjem, koja zauzvrat okreće električni generator. Rezultat je efikasnost od maksimalno 42%, češće je oko 35-38%. Štaviše, zbog brojnih veza, kao i zbog termodinamičkih ograničenja na maksimalnu efikasnost toplotnih motora, malo je verovatno da će postojeća efikasnost biti povećana. Za postojeće gorive ćelije Efikasnost je 60-80%,

Efikasnost skoro ne zavisi od faktora opterećenja,

Kapacitet je nekoliko puta veći od postojećih baterija

Završeno nema emisija štetnih po životnu sredinu. Emituju se samo čista vodena para i toplotna energija (za razliku od dizel generatora, koji imaju zagađujuće emisije i zahtevaju njihovo uklanjanje).

Vrste gorivnih ćelija

gorivne ćelije povjerljivo po sljedećim osnovama:

prema korištenom gorivu

radni pritisak i temperatura,

prema prirodi aplikacije.

Uopšteno govoreći, postoje sljedeće vrste gorivnih ćelija:

Čvrste oksidne gorivne ćelije (SOFC);

Gorivna ćelija sa membranom za izmjenu protona (Proton-exchange membrane fuel cell - PEMFC);

Reverzibilna gorivna ćelija (RFC);

Goriva ćelija direktnog metanola (Direct-metanol fuel cell - DMFC);

Toplinska karbonatna gorivna ćelija (Molten-carbonate fuel cell - MCFC);

Gorivne ćelije fosforne kiseline (PAFC);

Alkalne gorivne ćelije (AFC).

Jedna od vrsta gorivnih ćelija koje rade na normalnim temperaturama i pritiscima koristeći vodonik i kisik su elementi s membranom za izmjenu jona. Nastala voda ne otapa čvrsti elektrolit, teče i lako se uklanja.

Problemi sa gorivnim ćelijama

Glavni problem gorivnih ćelija vezan je za potrebu za "upakovanim" vodonikom koji bi se mogao slobodno kupiti. Očigledno, problem bi trebalo riješiti s vremenom, ali za sada situacija izaziva blagi osmijeh: šta je prvo - kokoška ili jaje? Gorivne ćelije još nisu dovoljno napredne za izgradnju hidrogenskih postrojenja, ali je njihov napredak nezamisliv bez ovih postrojenja. Ovdje također primjećujemo problem izvora vodonika. Vodonik se trenutno proizvodi iz prirodnog gasa, ali rastući troškovi energije će također povećati cijenu vodonika. Istovremeno, prisustvo CO i H 2 S (vodonik sulfida) je neizbežno u vodoniku iz prirodnog gasa, koji truju katalizator.

Uobičajeni platinasti katalizatori koriste vrlo skup i nezamjenjiv metal u prirodi - platinu. Međutim, planirano je da se ovaj problem riješi korištenjem katalizatora na bazi enzima, koji su jeftina i lako proizvedena supstanca.

Toplina je takođe problem. Učinkovitost će se naglo povećati ako se proizvedena toplota usmjeri u koristan kanal - za proizvodnju toplinske energije za sustav opskrbe toplinom, da se koristi kao otpadna toplina u apsorpciji rashladne mašine itd.

Gorivne ćelije metanola (DMFC): prava primjena

Gorivne ćelije sa direktnim metanolom (DMFC) su danas od najvećeg praktičnog interesa. Portege M100 laptop koji radi na DMFC gorivnoj ćeliji izgleda ovako:

Tipično DMFC kolo sadrži, osim anode, katode i membrane, nekoliko dodatnih komponenti: kartušu za gorivo, senzor metanola, cirkulacijsku pumpu goriva, zračnu pumpu, izmjenjivač topline itd.

Vrijeme rada, na primjer, laptopa u odnosu na baterije planirano je da se poveća za 4 puta (do 20 sati), mobilnog telefona - do 100 sati u aktivnom režimu i do šest mjeseci u standby modu. Dopunjavanje će se vršiti dodavanjem porcije tečnog metanola.

Glavni zadatak je pronaći opcije za korištenje otopine metanola s najvećom koncentracijom. Problem je što je metanol prilično jak otrov, smrtonosan u dozama od nekoliko desetina grama. Ali koncentracija metanola direktno utječe na trajanje rada. Ako se ranije koristio 3-10% rastvor metanola, tada su se već pojavili mobilni telefoni i PDA uređaji koji koriste 50% rastvor, a 2008. godine u laboratorijskim uslovima MTI MicroFuel Cells i nešto kasnije Toshiba dobijaju gorivne ćelije koje rade. na čistom metanolu.

Gorivne ćelije su budućnost!

Konačno, činjenica da je međunarodna organizacija IEC (International Electrotechnical Commission), koja definira industrijske standarde za elektronske uređaje, već najavila stvaranje radne grupe za razvoj međunarodnog standarda za minijaturne gorivne ćelije, govori o očiglednoj velikoj budućnosti goriva. ćelije.