Sa stanovišta „zelene“ energije, vodonične gorivne ćelije imaju izuzetno visoku efikasnost od 60%. Za poređenje: Efikasnost najboljih motori sa unutrašnjim sagorevanjem čine 35-40%. Za solarne elektrane koeficijent je samo 15-20%, ali jako zavisi od vremenskim uvjetima. Efikasnost vetroelektrana sa najboljim impelerima dostiže 40%, što je uporedivo sa generatorima pare, ali vetroturbine takođe zahtevaju odgovarajuće vremenske uslove i skupo održavanje.
Kao što vidimo, po ovom parametru, energija vodika je najatraktivniji izvor energije, ali i dalje postoji niz problema koji sprečavaju njenu masovnu upotrebu. Najvažniji od njih je proces proizvodnje vodonika.
Problemi s rudarstvom
Energija vodika je ekološki prihvatljiva, ali nije autonomna. Za rad, gorivnoj ćeliji je potreban vodonik, koji se ne nalazi na Zemlji u svom čistom obliku. Vodik treba proizvesti, ali sve postojeće metode su ili vrlo skupe ili neefikasne.Najefikasnijim metodom u pogledu količine proizvedenog vodonika po jedinici utrošene energije smatra se metoda parnog reformisanja 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 instalacije koje 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 vodu koja se tretira, dolazi do niza elektrohemijskih reakcija koje rezultiraju stvaranjem vodika. Značajan nedostatak ove metode je velika potrošnja energije potrebna za izvođenje reakcije. Odnosno, javlja se pomalo čudna situacija: za dobijanje energije vodonika potrebna vam je... energija. Kako bi izbjegli nepotrebne troškove tokom elektrolize i sačuvali vrijedne 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.
Mobilna elektrana Toshiba H2One
Razvili smo mobilnu mini elektranu H2One koja pretvara vodu u vodonik i vodonik u energiju. Za održavanje elektrolize koristi solarne panele, a višak energije se skladišti u baterijama i osigurava rad sistema u nedostatku sunčeve svjetlosti. Dobijeni vodonik se ili direktno dovodi u gorivne ćelije ili šalje na skladištenje u integrisani rezervoar. Za sat vremena, H2One elektrolizer generira do 2 m 3 vodonika, a daje izlaznu snagu do 55 kW. Za proizvodnju 1 m 3 vodonika stanici je potrebno do 2,5 m 3 vode.Iako stanica H2One nije u stanju da snabdijeva strujom veliko preduzeće ili cijeli grad, njena energija će biti sasvim dovoljna za funkcioniranje malih područja ili organizacija. Zahvaljujući svojoj prenosivosti, može se koristiti i kao privremeno rješenje tokom prirodnih katastrofa ili hitnih nestanka struje. Štaviše, za razliku od dizel generator, kojoj je potrebno gorivo za pravilno funkcioniranje, hidrogenskoj elektrani je potrebna samo voda.
Trenutno se Toshiba H2One koristi u samo nekoliko gradova u Japanu – na primjer, opskrbljuje strujom i toplom vodom željezničku stanicu u gradu Kawasaki.
Instalacija H2One sistema u Kawasakiju
Budućnost vodika
Danas, vodonične gorivne ćelije daju energiju za prijenosne baterije, gradske autobuse s automobilima i željeznički transport. (O upotrebi vodonika u auto industriji ćemo više govoriti u našem sljedećem postu). Vodikove gorive ćelije neočekivano su se ispostavile odlično rješenje za kvadrokoptere - sa masom sličnom bateriji, dovod vodonika obezbeđuje do pet puta duže vreme leta. Međutim, 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. U tu svrhu, po nalogu Toshiba Energy Systems & Solutions Corp. Jedna od najvećih svjetskih stanica za proizvodnju vodonika gradi se u japanskom gradu Namie. 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 zadovoljiti potrebe čovječanstva. Prema prognozi Markets&Markets, obim globalne proizvodnje vodonika, koji trenutno iznosi 115 milijardi dolara, porast će na 154 milijarde dolara do 2022. Ali malo je vjerovatno da će se masovna implementacija tehnologije dogoditi u bliskoj budućnosti; brojni problemi povezani s još treba riješiti proizvodnju i rad specijalnih elektrana i smanjiti njihovu cijenu . Kada se prevaziđu tehnološke barijere, energija vodika će dostići novi nivo i može biti raširena kao tradicionalna ili hidroenergija danas.
IN U poslednje vreme Tema gorivnih ćelija svima je na usnama. I to nije iznenađujuće; s pojavom ove tehnologije u svijetu elektronike, pronašla je novo rođenje. Svjetski lideri u oblasti mikroelektronike utrkuju se u predstavljanju prototipova svojih budućih proizvoda, koji će integrirati vlastite mini elektrane. To bi, s jedne strane, trebalo oslabiti vezu mobilnih uređaja na “utičnicu”, a s druge strane produžiti im vijek trajanja baterije.
Osim toga, neki od njih rade i na bazi etanola, pa je razvoj ovih tehnologija od direktne koristi proizvođačima alkoholnih pića – nakon desetak godina, redovi “informatičara” će se u vinariji postrojiti za sljedeća “doza” za njihov laptop.
Ne možemo ostati podalje od "groznice" gorivnih ćelija koja je zahvatila Hi-Tech industriju i pokušaćemo da shvatimo kakva je to zver ova tehnologija, sa čime se jede i kada možemo očekivati da stigne “javno ugostiteljstvo.” U ovom materijalu ćemo pogledati put koji su prešle gorive ćelije od otkrića ove tehnologije do danas. Pokušaćemo da procenimo i izglede za njihovu implementaciju i razvoj u budućnosti.
Kako je bilo
Princip gorivne ćelije prvi je opisao davne 1838. godine Christian Friedrich Schonbein, a godinu dana kasnije Philosophical Journal je objavio njegov članak na ovu temu. Međutim, to su bile samo teorijske studije. Prva radna gorivna ćelija proizvedena je 1843. godine u laboratoriji velškog naučnika Sir Williama Roberta Grovea. Prilikom kreiranja, izumitelj je koristio materijale slične onima koji se koriste u modernim baterijama s fosfornom kiselinom. Sir Groveovu gorivu ćeliju je naknadno poboljšao W. Thomas Grub. Godine 1955. ovaj hemičar, koji je radio za legendarnu kompaniju General Electric, koristio je sulfoniranu polistirensku membranu za izmjenjivanje jona kao elektrolit u gorivoj ćeliji. Samo tri godine kasnije, njegov kolega Leonard Niedrach predložio je tehnologiju postavljanja platine na membranu, koja je djelovala kao katalizator u procesu oksidacije vodika i apsorpcije kisika.
"Otac" gorivnih ćelija Christian Schönbein
Ovi principi su činili osnovu za novu generaciju gorivnih ćelija, nazvane Grub-Nidrach ćelije po njihovim tvorcima. General Electric je nastavio razvoj u tom pravcu, u okviru kojeg je, uz pomoć NASA-e i avio giganta McDonnell Aircraft, stvorena prva komercijalna gorivna ćelija. Nova tehnologija je privukla pažnju u inostranstvu. A već 1959. godine Britanac Francis Thomas Bacon predstavio je stacionarnu gorivu ćeliju snage 5 kW. Njegovi patentirani razvoji su kasnije licencirani od strane Amerikanaca i korišteni u NASA-inim svemirskim letjelicama u sistemima za napajanje i pitku vodu. Iste godine je Amerikanac Harry Ihrig napravio prvi traktor na gorive ćelije (ukupne snage 15 kW). Kao elektrolit u baterijama korišćen je kalijum hidroksid, a kao reagensi komprimovani vodonik i kiseonik.
Po prvi put proizvodnju stacionarnih gorivnih ćelija za komercijalne svrhe pokrenula je kompanija UTC Power, koja je ponudila rezervne sisteme napajanja za bolnice, univerzitete i poslovne centre. Ova kompanija, svjetski lider u ovoj oblasti, i dalje proizvodi slična rješenja snage do 200 kW. Također je glavni dobavljač gorivnih ćelija za NASA-u. Njeni proizvodi su bili naširoko korišćeni tokom svemirskog programa Apolo i još uvek su traženi u programu Space Shuttle. UTC Power takođe nudi "robne" gorivne ćelije koje se široko koriste u vozilima. Ona je prva stvorila gorivu ćeliju koja omogućava stvaranje struje na negativne temperature zahvaljujući upotrebi membrane za izmjenu protona.
Kako radi
Istraživači su eksperimentisali sa različitim supstancama kao reagensima. Međutim, osnovni principi rada gorivnih ćelija, unatoč značajno različitim operativnim karakteristikama, ostaju nepromijenjeni. Svaka gorivna ćelija je uređaj za elektrohemijsku konverziju energije. On proizvodi električnu energiju iz određene količine goriva (na strani anode) i oksidatora (na strani katode). Reakcija se odvija u prisustvu elektrolita (tvar koja sadrži slobodne ione i koja se ponaša kao električno provodljivi medij). U principu, u svakom takvom uređaju postoje određeni reagensi koji ulaze u njega i njihovi produkti reakcije, koji se uklanjaju nakon što se elektrohemijska reakcija dogodi. Elektrolit u ovom slučaju služi samo kao medij za interakciju reagensa i ne mijenja se u gorivoj ćeliji. Na osnovu ove šeme, idealna gorivna ćelija treba da radi sve dok postoji zaliha supstanci neophodnih za reakciju.
Ovdje ne treba brkati gorive ćelije sa konvencionalnim baterijama. U prvom slučaju, da bi se proizvela električna energija, troši se određeno "gorivo", koje se nakon toga treba ponovo napuniti gorivom. U slučaju galvanskih ćelija, električna energija se skladišti u zatvorenom hemijskom sistemu. U slučaju baterija, primjena struje omogućava da se dogodi obrnuta elektrohemijska reakcija i da se reaktanti vrate u prvobitno stanje (tj. da se napune). Moguće razne kombinacije gorivo i oksidant. Na primjer, vodikova gorivna ćelija koristi vodonik i kisik (oksidant) kao reaktante. Hidrokarbonati i alkoholi se često koriste kao gorivo, a zrak, hlor i hlor dioksid djeluju kao oksidansi.
Reakcija katalize koja se odvija u gorivnoj ćeliji izbacuje elektrone i protone iz goriva, a pokretni elektroni formiraju električnu struju. Platina ili njene legure se obično koriste kao katalizator koji ubrzava reakciju u gorivnim ćelijama. Drugi katalitički proces vraća elektrone, kombinirajući ih s protonima i oksidacijskim sredstvom, što rezultira produktima reakcije (emisija). Obično su te emisije jednostavne tvari: voda i ugljični dioksid.
U tradicionalnoj gorivnoj ćeliji s membranom za izmjenu protona (PEMFC), polimerna membrana koja provodi proton odvaja anodne i katodne strane. Sa katodne strane, vodik difundira do anode katalizatora, gdje se elektroni i protoni zatim oslobađaju iz njega. Protoni zatim prolaze kroz membranu do katode, a elektroni koji nisu u stanju da prate protone (membrana je električni izolovana) šalju se duž strujnog kola. vanjsko opterećenje(sistem snabdijevanja energijom). Na strani katodnog katalizatora kisik reagira s protonima koji prolaze kroz membranu i elektronima koji ulaze kroz vanjski krug opterećenja. Ova reakcija proizvodi vodu (u obliku pare ili tekućine). Na primjer, produkti reakcije u gorivim ćelijama koje koriste ugljikovodična goriva (metanol, dizel gorivo) su voda i ugljični dioksid.
Gorivne ćelije Gotovo sve vrste pate od električnih gubitaka, uzrokovanih kako prirodnim otporom kontakata i elemenata gorivne ćelije, tako i električnim prenaponom (dodatna energija potrebna za izvođenje početne reakcije). U nekim slučajevima nije moguće u potpunosti izbjeći ove gubitke i ponekad „igra nije vrijedna svijeće“, ali se najčešće mogu svesti na prihvatljiv minimum. Opcija za rješavanje ovog problema je korištenje kompleta ovih uređaja, u kojima se gorivne ćelije, ovisno o zahtjevima za sistem napajanja, mogu spojiti paralelno (veća struja) ili serijski (veći napon).
Vrste gorivnih ćelija
Postoji mnogo vrsta gorivnih ćelija, ali pokušaćemo ukratko da razmotrimo one najčešće.
Alkalne gorivne ćelije (AFC)
Alkalne ili alkalne gorivne ćelije, koje se nazivaju i Bacon ćelije po njihovom britanskom "ocu", jedna su od najrazvijenijih tehnologija gorivnih ćelija. Upravo su ovi uređaji pomogli čovjeku da kroči na Mjesec. Generalno, NASA koristi gorive ćelije ovog tipa od sredine 60-ih godina prošlog veka. AFC troše vodonik i čisti kiseonik, proizvodeći pije vodu, grijanje i struja. Najvećim dijelom zbog činjenice da je ova tehnologija dobro razvijena, ima jedan od najvećih pokazatelja efikasnosti među sličnim sistemima (potencijal oko 70%).
Međutim, ova tehnologija ima i svoje nedostatke. Zbog specifičnosti korištenja tekuće alkalne tvari kao elektrolita, koja ne blokira ugljični dioksid, moguće je da kalijev hidroksid (jedna od opcija za korišteni elektrolit) reagira s ovom komponentom običnog zraka. Rezultat može biti otrovno jedinjenje koje se zove kalijev karbonat. Da biste to izbjegli, potrebno je koristiti ili čisti kisik ili pročistiti zrak od ugljičnog dioksida. Naravno, to utječe na cijenu sličnih uređaja. Uprkos tome, AFC su najjeftinije gorivne ćelije koje su danas dostupne za proizvodnju.
Direktne borohidridne gorive ćelije (DBFC)
Ovaj podtip alkalnih gorivnih ćelija koristi natrijum borohidrid kao gorivo. Međutim, za razliku od konvencionalnih AFC-a na bazi vodika, ova tehnologija ima jednu značajnu prednost - nema rizika od stvaranja toksičnih spojeva nakon kontakta s ugljičnim dioksidom. Međutim, proizvod njegove reakcije je supstanca boraks, koja se široko koristi u deterdženti i sapun. Boraks je relativno netoksičan.
DBFC se mogu napraviti čak i jeftinijim od tradicionalnih gorivnih ćelija jer ne zahtijevaju skupe platinaste katalizatore. Osim toga, imaju veću gustoću energije. Procjenjuje se da proizvodnja kilograma natrijevog borhidrida košta 50 dolara, ali ako organiziramo njegovu masovnu proizvodnju i organiziramo preradu boraksa, onda se taj nivo može smanjiti za 50 puta.
Metal-hidridne gorivne ćelije (MHFC)
Ova podklasa alkalnih gorivnih ćelija se trenutno aktivno proučava. Posebna karakteristika ovih uređaja je sposobnost hemijskog skladištenja vodonika unutar gorivne ćelije. Direktna borohidridna gorivna ćelija ima istu sposobnost, ali za razliku od nje, MHFC je napunjen čistim vodonikom.
Među karakterističnim karakteristikama ovih gorivnih ćelija su sljedeće:
- mogućnost punjenja iz električna energija;
- raditi na niske temperature- do -20°C;
- dugi rok trajanja;
- brzi "hladni" start;
- sposobnost rada neko vrijeme bez vanjskog izvora vodonika (tokom promjene goriva).
Uprkos činjenici da mnoge kompanije rade na stvaranju masovnih MHFC-a, efikasnost prototipova nije dovoljno visoka u poređenju sa konkurentskim tehnologijama. Jedan od najbolje performanse Gustoća struje ovih gorivih ćelija je 250 miliampera po kvadratnom centimetru, dok konvencionalne PEMFC gorivne ćelije daju gustoću struje od 1 amper po kvadratnom centimetru.
Elektro-galvanske gorivne ćelije (EGFC)
Hemijska reakcija u EGFC uključuje kalijev hidroksid i kisik. Ovo stvara električnu struju između olovne anode i pozlaćene katode. Napon koji proizvodi elektro-galvanska gorivna ćelija direktno je proporcionalan količini kiseonika. Ova karakteristika je omogućila da EGFC pronađu široku upotrebu kao uređaji za testiranje koncentracije kiseonika u opremi za ronjenje i medicinskoj opremi. Ali upravo zbog ove zavisnosti gorivne ćelije kalijum hidroksida imaju veoma ograničen životni vek. efikasan rad(dok je koncentracija kiseonika visoka).
Prvi certificirani uređaji za provjeru koncentracije kisika u EGFC-u postali su široko dostupni 2005. godine, ali tada nisu stekli veliku popularnost. Izdan dvije godine kasnije, značajno modificirani model bio je mnogo uspješniji i čak je dobio nagradu za "inovaciju" na specijaliziranoj ronilačkoj izložbi na Floridi. Trenutno ih koriste organizacije kao što su NOAA (Nacionalna uprava za okeane i atmosferu) i DDRC (Centar za istraživanje ronilačkih bolesti).
Gorivne ćelije direktne mravlje kiseline (DFAFC)
Ove gorivne ćelije su podtip PEMFC uređaja s direktnim ubrizgavanjem mravlje kiseline. Zahvaljujući vašem specifične karakteristike Ove gorive ćelije imaju velike šanse da u budućnosti postanu primarno sredstvo za napajanje prijenosne elektronike kao što su laptopi, mobilni telefoni itd.
Kao i metanol, mravlja kiselina se direktno unosi u gorivu ćeliju bez posebnog koraka prečišćavanja. Čuvanje ove supstance je takođe mnogo sigurnije od, na primer, vodonika, i ne zahteva nikakve posebne uslove skladištenja: mravlja kiselina je tečnost na normalnoj temperaturi. Štaviše, ova tehnologija ima dvije neosporne prednosti u odnosu na gorivne ćelije s direktnim metanolom. Prvo, za razliku od metanola, mravlja kiselina ne curi kroz membranu. Stoga bi efikasnost DFAFC-a, po definiciji, trebala biti veća. Drugo, u slučaju smanjenja pritiska mravlja kiselina nije toliko opasna (metanol može uzrokovati sljepoću, au velikim dozama i smrt).
Zanimljivo je da donedavno mnogi naučnici nisu smatrali da ova tehnologija ima praktičnu budućnost. Razlog koji je potaknuo istraživače da "stanu tačku na mravlju kiselinu" dugi niz godina bio je visok elektrohemijski prenapon, koji je doveo do značajnih električnih gubitaka. Ali nedavni eksperimenti su pokazali da je razlog za ovu neefikasnost bila upotreba platine kao katalizatora, koja se tradicionalno široko koristila u tu svrhu u gorivnim ćelijama. Nakon što su naučnici sa Univerziteta Illinois sproveli niz eksperimenata sa drugim materijalima, otkriveno je da kada se koristi paladijum kao katalizator, performanse DFAFC-a su bile veće od onih u ekvivalentnim gorivnim ćelijama ravnog metanola. Trenutno prava na ovu tehnologiju imaju američka kompanija Tekion, koja nudi svoju liniju proizvoda Formira Power Pack za mikroelektronske uređaje. Ovaj sistem je "dupleks" koji se sastoji od baterija i sama gorivna ćelija. Nakon što se potroši zaliha reagensa u kertridžu koji puni bateriju, korisnik je jednostavno zamijeni novim. Tako postaje potpuno nezavisan od “utičnice”. Prema obećanjima proizvođača, vrijeme između punjenja će se udvostručiti, uprkos činjenici da će tehnologija koštati samo 10-15% više od konvencionalnih baterija. Jedina velika prepreka ovoj tehnologiji može biti to što je kompanija podržava osrednji i jednostavno može biti „prevaziđen“ većim konkurentima koji predstavljaju svoje tehnologije, koje čak mogu biti inferiorne od DFAFC-a u nizu parametara.
Gorive ćelije direktnog metanola (DMFC)
Ove gorivne ćelije su podskup membranskih uređaja za izmjenu protona. Oni koriste metanol, koji se ubacuje u gorivu ćeliju bez dodatnog pročišćavanja. Međutim, metil alkohol se mnogo lakše skladišti i nije eksplozivan (iako je zapaljiv i može uzrokovati sljepoću). Istovremeno, metanol ima znatno veći energetski kapacitet od komprimovanog vodonika.
Međutim, zbog sposobnosti metanola da curi kroz membranu, efikasnost DMFC-a pri velikim količinama goriva je niska. I iako iz tog razloga nisu pogodni za transport i velike instalacije, ovi uređaji su odlični kao zamjenske baterije za mobilne uređaje.
Gorive ćelije obrađene metanolom (RMFC)
Prerađene gorivne ćelije u metanolu razlikuju se od DMFC-a samo po tome što pretvaraju metanol u vodonik i ugljični dioksid prije nego što proizvedu električnu energiju. To se događa u posebnom uređaju koji se zove procesor goriva. Nakon ove preliminarne faze (reakcija se odvija na temperaturama iznad 250°C), vodik prolazi kroz reakciju oksidacije, koja rezultira stvaranjem vode i stvaranjem električne energije.
Upotreba metanola u RMFC-u je zbog činjenice da je prirodni nosač vodika, a na dovoljno niskoj temperaturi (u poređenju s drugim tvarima) može se razložiti na vodik i ugljični dioksid. Stoga je ova tehnologija naprednija od DMFC-a. Tretirane gorivne ćelije s metanolom omogućavaju veću efikasnost, kompaktnost i rad ispod nule.
Direktne gorive ćelije etanola (DEFC)
Još jedan predstavnik klase gorivnih ćelija sa rešetkom za izmjenu protona. Kao što ime govori, etanol ulazi u gorivu ćeliju bez dodatnog pročišćavanja ili razlaganja na jednostavnije tvari. Prva prednost ovih uređaja je upotreba etilnog alkohola umjesto toksičnog metanola. To znači da ne morate ulagati mnogo novca u razvoj ovog goriva.
Gustoća energije alkohola je približno 30% veća od one u metanolu. Osim toga, može se dobiti u velikim količinama iz biomase. Kako bi se smanjili troškovi gorivnih ćelija etanola, aktivno se traga za alternativnim materijalom za katalizator. Platina, koja se tradicionalno koristi u gorivnim ćelijama za ove svrhe, preskupa je i predstavlja značajnu prepreku masovnom usvajanju ovih tehnologija. Rješenje ovog problema mogu biti katalizatori napravljeni od mješavine željeza, bakra i nikla, koji pokazuju impresivne rezultate u eksperimentalnim sistemima.
Cink-zračne gorivne ćelije (ZAFC)
ZAFC koristi oksidaciju cinka kisikom iz zraka za proizvodnju električne energije. Ove gorive ćelije su jeftine za proizvodnju i pružaju prilično visoku gustoću energije. Trenutno se koriste u slušnim aparatima i eksperimentalnim električnim automobilima.
Na anodnoj strani nalazi se mješavina čestica cinka s elektrolitom, a na strani katode voda i kisik iz zraka, koji međusobno reagiraju i formiraju hidroksil (njegova molekula je atom kisika i atom vodika, između koja postoji kovalentna veza). Kao rezultat reakcije hidroksila sa mješavinom cinka, oslobađaju se elektroni koji idu na katodu. Maksimalni napon, koji proizvode takve gorive ćelije, iznosi 1,65 V, ali se u pravilu umjetno smanjuje na 1,4–1,35 V, ograničavajući pristup zraka u sustav. Krajnji proizvodi ove elektrohemijske reakcije su cink oksid i voda.
Ovu tehnologiju je moguće koristiti i u baterijama (bez punjenja) iu gorivnim ćelijama. U potonjem slučaju, komora na anodnoj strani se čisti i ponovo puni cinkovom pastom. Općenito, ZAFC tehnologija se pokazala kao jednostavna i pouzdana baterija. Njihova neosporna prednost je mogućnost kontrole reakcije samo regulacijom dovoda zraka u gorivu ćeliju. Mnogi istraživači razmatraju cink-vazdušne gorive ćelije kao budući glavni izvor energije za električna vozila.
Mikrobne gorivne ćelije (MFC)
Ideja o korištenju bakterija za dobrobit čovječanstva nije nova, iako je implementacija ovih ideja tek nedavno došla do izražaja. Trenutno se aktivno proučava komercijalna upotreba biotehnologije za proizvodnju različitih proizvoda (na primjer, proizvodnja vodika iz biomase), neutralizacija štetnih tvari i proizvodnja električne energije. Mikrobne gorivne ćelije, koje se nazivaju i biološke gorivne ćelije, su biološki elektrohemijski sistem koji proizvodi električnu struju upotrebom bakterija. Ova tehnologija se temelji na katabolizmu (razgradnja složene molekule u jednostavniju uz oslobađanje energije) tvari kao što su glukoza, acetat (sol octene kiseline), butirat (butiratna sol) ili otpadne vode. Zbog njihove oksidacije oslobađaju se elektroni koji se prenose na anodu, nakon čega generirana električna struja teče kroz provodnik do katode.
Takve gorivne ćelije obično koriste posrednike koji poboljšavaju protok elektrona. Problem je što su supstance koje igraju ulogu medijatora skupe i toksične. Međutim, u slučaju korištenja elektrohemijski aktivnih bakterija, potreba za medijatorima nestaje. Takve mikrobne gorivne ćelije „bez medijatora“ počele su se stvarati sasvim nedavno i stoga nisu sva njihova svojstva dobro proučena.
Uprkos preprekama koje MFC tek treba da savlada, tehnologija ima ogroman potencijal. Prvo, pronalaženje "goriva" nije posebno teško. Štaviše, danas je pitanje tretmana otpadnih voda i zbrinjavanja velikog broja otpada veoma akutno. Upotreba ove tehnologije mogla bi riješiti oba ova problema. Drugo, teoretski, njegova efikasnost može biti veoma visoka. Glavni problem Za inženjere mikrobnih gorivnih ćelija, najvažniji element ovog uređaja su mikrobi. I dok se mikrobiolozi, koji dobijaju brojne stipendije za istraživanja, raduju, trljaju ruke i pisci naučne fantastike, iščekujući uspjeh knjiga posvećenih posljedicama „oslobađanja“ pogrešnih mikroorganizama. Naravno, postoji rizik da se razvije nešto što bi „svarilo“ ne samo nepotreban otpad, već i nešto vrijedno. Stoga, u principu, kao što je slučaj sa bilo kojom novom biotehnologijom, ljudi su oprezni prema ideji da u džepu nose kutiju zaraženu bakterijama.
Aplikacija
Stacionarne kućne i industrijske elektrane
Gorivne ćelije se široko koriste kao izvori energije u raznim oblastima autonomni sistemi, kao što su svemirski brodovi, udaljene meteorološke stanice, vojne instalacije itd. Glavna prednost ovakvog sistema napajanja je njegova izuzetno visoka pouzdanost u odnosu na druge tehnologije. Zbog odsustva pokretnih dijelova i bilo kakvih mehanizama u gorivnim ćelijama, pouzdanost sistema napajanja može doseći 99,99%. Osim toga, u slučaju korištenja vodonika kao reagensa može se postići vrlo mala težina, što je u slučaju svemirske opreme jedan od najvažnijih kriterija.
U posljednje vrijeme sve su rasprostranjenije kombinirane instalacije za grijanje i energiju, koje se široko koriste u stambenim zgradama i uredima. Posebnost ovih sistema je u tome što konstantno proizvode električnu energiju, koja se, ako se ne potroši odmah, koristi za zagrijavanje vode i zraka. Unatoč činjenici da je električna učinkovitost takvih instalacija samo 15-20%, ovaj nedostatak se kompenzira činjenicom da se neiskorištena električna energija koristi za proizvodnju topline. Generalno, energetska efikasnost ovakvih kombinovanih sistema je oko 80%. Jedan od najboljih reagenasa za takve gorive ćelije je fosforna kiselina. Ove instalacije daju energetsku efikasnost od 90% (35-50% električne energije, a ostatak toplotne energije).
Transport
Energetski sistemi zasnovani na gorivnim ćelijama takođe se široko koriste u transportu. Inače, Nemci su među prvima ugradili gorivne ćelije na vozila. Tako je prvi komercijalni brod na svijetu opremljen takvom instalacijom debitirao prije osam godina. Ovaj mali brod, nazvan "Hydra" i dizajniran za prevoz do 22 putnika, porinut je u blizini bivše prijestolnice Njemačke u junu 2000. godine. Vodonik (alkalna gorivna ćelija) djeluje kao reagens koji nosi energiju. Zahvaljujući upotrebi alkalnih (alkalnih) gorivnih ćelija, instalacija je sposobna da generiše struju na temperaturama do –10°C i ne „plaši se“ slane vode. Brod "Hydra" na pogon elektromotor sa snagom od 5 kW, sposoban da postigne brzinu do 6 čvorova (oko 12 km/h).
Brod "Hydra"
Gorivne ćelije (posebno vodonik) postale su mnogo raširenije u kopnenom transportu. Općenito, vodik se već dugo koristi kao gorivo za automobilske motore, a u principu se konvencionalni motor s unutarnjim sagorijevanjem može prilično lako pretvoriti u korištenje ove alternativne vrste goriva. Međutim, tradicionalno sagorevanje vodonika je manje efikasno od proizvodnje električne energije kroz hemijsku reakciju između vodonika i kiseonika. U idealnom slučaju, vodik će, ako se koristi u gorivnim ćelijama, biti apsolutno siguran za prirodu ili, kako kažu, "prijateljski prema okolišu", budući da kemijska reakcija ne oslobađa ugljični dioksid ili druge tvari koje doprinose "stakleniku". efekat.”
Istina, ovdje, kao što se moglo očekivati, postoji nekoliko velikih „ali“. Činjenica je da mnoge tehnologije za proizvodnju vodika iz neobnovljivih izvora (prirodni plin, ugalj, naftni derivati) nisu toliko ekološki prihvatljive, jer njihov proces oslobađa veliku količinu ugljičnog dioksida. Teoretski, ako koristite obnovljive izvore da biste ga dobili, onda uopće neće biti štetnih emisija. Međutim, u ovom slučaju trošak se značajno povećava. Prema mišljenju mnogih stručnjaka, iz ovih razloga potencijal vodonika kao zamjene za benzin ili prirodni plin je vrlo ograničen. Već postoje jeftinije alternative i, najvjerovatnije, gorive ćelije prvog elementa periodni sistem nikada ne uspeju da postanu masovna pojava na vozilima.
Proizvođači automobila prilično aktivno eksperimentišu s vodikom kao izvorom energije. A glavni razlog za to je prilično teška pozicija EU u pogledu štetnih emisija u atmosferu. Potaknuti sve strožim ograničenjima u Evropi, Daimler AG, Fiat i Ford Motor Company predstavili su svoju viziju budućnosti gorivnih ćelija u automobilu, opremajući svoje osnovne modele sličnim pogonskim sklopovima. Još jedan evropski auto gigant, Volkswagen, trenutno priprema svoj automobil na gorive ćelije. Japanske i južnokorejske kompanije ne zaostaju mnogo za njima. Međutim, ne klade se svi na ovu tehnologiju. Mnogi ljudi radije modificiraju motore s unutarnjim sagorijevanjem ili ih kombiniraju s električnim motorima na baterije. Toyota, Mazda i BMW su slijedili ovaj put. Što se tiče američkih kompanija, pored Forda sa svojim modelom Focus, General Motors je predstavio i nekoliko automobila na gorive ćelije. Sve ove poduhvate aktivno podstiču mnoge države. Na primjer, u SAD-u postoji zakon prema kojem je novi hibridni automobil koji ulazi na tržište oslobođen poreza, što može iznositi prilično pristojan iznos, jer su takvi automobili po pravilu skuplji od svojih pandana sa tradicionalnim internim motori sa unutrašnjim sagorevanjem. Ovo čini hibride još atraktivnijim za kupovinu. Istina, za sada se ovaj zakon odnosi samo na modele koji ulaze na tržište dok prodaja ne dostigne 60.000 automobila, nakon čega se pogodnosti automatski ukidaju.
Elektronika
Nedavno su gorivne ćelije počele sve više da se koriste u laptopima, mobilnim telefonima i drugim mobilnim elektronskim uređajima. Razlog za to je brzo rastuća proždrljivost uređaja dizajniranih za dugotrajno trajanje baterije. Kao rezultat upotrebe velikih ekrana osjetljivih na dodir u telefonima, moćnih audio mogućnosti i uvođenja podrške za Wi-Fi, Bluetooth i druge visokofrekventne bežične komunikacijske protokole, promijenili su se i zahtjevi za kapacitetom baterije. I, iako su baterije prešle dug put od dana prvih mobitela, po kapacitetu i kompaktnosti (inače danas navijači ne bi smjeli na stadione s ovim oružjem s komunikacijskom funkcijom), još uvijek ne mogu pratiti minijaturizaciju elektronska kola, niti želja proizvođača da sve integriraju u svoje proizvode više funkcija. Još jedan značajan nedostatak trenutnih punjivih baterija je njihovo dugo vrijeme punjenja. Sve dovodi do toga da što više mogućnosti telefona ili džepnog multimedijalnog plejera koji su dizajnirani da povećaju autonomiju njegovog vlasnika (bežični internet, navigacioni sistemi itd.), to ovaj uređaj postaje sve ovisniji o „utičnici“.
O laptopima, mnogo manje ograničenim maksimalne veličine, i nema šta da se kaže. Već duže vrijeme formirana je niša za ultra efikasne laptope koji uopće nisu namijenjeni za autonomni rad, osim za takav transfer iz jedne kancelarije u drugu. A čak i najekonomičniji predstavnici svijeta laptopa teško mogu osigurati cijeli dan trajanja baterije. Stoga je pitanje pronalaženja alternative tradicionalnim baterijama, koje ne bi bile ništa skuplje, ali i mnogo efikasnije, veoma hitno. A vodeći predstavnici industrije odnedavno rade na rješavanju ovog problema. Nedavno su uvedene komercijalne metanolne gorive ćelije, čije bi masovne isporuke mogle početi već sljedeće godine.
Istraživači su iz nekih razloga odabrali metanol umjesto vodonika. Čuvanje metanola je mnogo lakše, jer ne zahteva visok pritisak ili posebne temperaturne uslove. Metil alkohol je tečnost na temperaturama između -97,0°C i 64,7°C. Štaviše, specifična energija sadržana u N-toj zapremini metanola je za red veličine veća nego u istoj zapremini vodonika pod visokim pritiskom. Tehnologija gorivih ćelija direktnog metanola, koja se široko koristi u mobilnim elektronskim uređajima, uključuje upotrebu metil alkohola nakon jednostavnog punjenja rezervoara gorivih ćelija, zaobilazeći postupak katalitičke konverzije (otuda naziv „direktni metanol“). Ovo je također velika prednost ove tehnologije.
Međutim, kao što se i očekivalo, sve ove prednosti imale su i svoje nedostatke, koji su značajno ograničili obim njegove primjene. Zbog činjenice da ova tehnologija još nije u potpunosti razvijena, problem niske efikasnosti ovakvih gorivnih ćelija uzrokovan „curenjem“ metanola kroz materijal membrane ostaje neriješen. Osim toga, njihove dinamičke karakteristike nisu impresivne. Nije lako riješiti i što učiniti s ugljičnim dioksidom koji nastaje na anodi. Moderni DMFC uređaji nisu u stanju generirati velike količine energije, ali imaju visok energetski kapacitet za malu količinu materijala. To znači da iako još nema mnogo energije na raspolaganju, direktne gorivne ćelije metanola mogu je proizvesti dugo vrijeme. Zbog njihove male snage, to im ne dozvoljava da nađu direktnu upotrebu u vozilima, ali ih čini gotovo idealno rešenje za mobilne uređaje za koje je vijek trajanja baterije kritičan.
Najnoviji trendovi
Iako se gorivne ćelije za vozila proizvode već duže vrijeme, ova rješenja još nisu postala rasprostranjena. Postoji mnogo razloga za to. A glavni od njih su ekonomska nesvrsishodnost i nespremnost proizvođača da pokrenu proizvodnju pristupačnog goriva. Pokušaji da se ubrza prirodni proces prelaska na obnovljive izvore energije, kako se moglo očekivati, nisu doveli do ničega dobrog. Naravno, razlog naglog povećanja cijena poljoprivrednih proizvoda ne krije se u činjenici da su oni počeli masovno da se pretvaraju u biogoriva, već u činjenici da mnoge zemlje Afrike i Azije nisu u stanju proizvesti dovoljno proizvoda čak ni za zadovoljiti domaću potražnju za proizvodima.
Očigledno je da odustajanje od upotrebe biogoriva neće dovesti do značajnog poboljšanja situacije na globalnom tržištu hrane, već naprotiv, može zadati udarac evropskim i američkim poljoprivrednicima, koji su prvi put nakon mnogo godina prilika da dobro zaradite. Ali etički aspekt ovog pitanja ne može se zanemariti; ružno je stavljati "hljeb" u rezervoare kada milioni ljudi gladuju. Stoga će evropski političari sada imati hladniji odnos prema biotehnologiji, što već potvrđuje i revizija strategije prelaska na obnovljive izvore energije.
U ovoj situaciji, područje primjene gorivnih ćelija koje najviše obećava trebala bi biti mikroelektronika. Ovdje gorive ćelije imaju najbolje šanse da se učvrste. Prvo, ljudi koji kupuju mobilne telefone su spremniji da eksperimentišu od, recimo, kupaca automobila. I drugo, spremni su potrošiti novac i, po pravilu, nisu skloni "spasavanju svijeta". To može potvrditi i zapanjujući uspjeh crvene “Bono” verzije iPod Nano playera, od čije je prodaje dio novca otišao na račune Crvenog krsta.
"Bono" verzija Apple iPod Nano playera
Među onima koji su skrenuli pažnju na gorivne ćelije za prijenosnu elektroniku su kompanije koje su se ranije specijalizirale za izradu gorivnih ćelija, a sada su jednostavno otkrile novo područje njihove primjene, kao i vodeći proizvođači mikroelektronike. Na primjer, nedavno je MTI Micro, koji je prenamijenio svoj posao na proizvodnju metanolnih gorivnih ćelija za mobilne elektronske uređaje, najavio da će početi masovnu proizvodnju 2009. godine. Ona je također predstavila prvi GPS uređaj na svijetu koji koristi gorive ćelije na metanolu. Prema riječima predstavnika ove kompanije, u bliskoj budućnosti njeni proizvodi će u potpunosti zamijeniti tradicionalne litijum-jonske baterije. Istina, u početku neće biti jeftini, ali ovaj problem prati svaku novu tehnologiju.
Za kompaniju kao što je Sony, koja je nedavno demonstrirala svoje DMFC napajanje multimedijalni sistem, ove tehnologije su nove, ali ozbiljno žele da se ne izgube na novom obećavajućem tržištu. Zauzvrat, Sharp je otišao još dalje i uz pomoć svog prototipa gorivne ćelije nedavno postavio svjetski rekord za specifični energetski kapacitet od 0,3 W za jedan kubni centimetar metil alkohola. Čak su i vlade mnogih zemalja pristale na kompanije koje proizvode ove gorive ćelije. Tako su aerodromi u SAD-u, Kanadi, Velikoj Britaniji, Japanu i Kini, uprkos toksičnosti i zapaljivosti metanola, ukinuli dosadašnja ograničenja za njegov transport u kabini aviona. Naravno, ovo je dozvoljeno samo za certificirane gorivne ćelije s kapacitetom ne većim od 200 ml. Ipak, ovo još jednom potvrđuje interesovanje za ova dešavanja ne samo entuzijasta, već i država.
Istina, proizvođači i dalje pokušavaju da igraju na sigurno i nude gorivne ćelije uglavnom kao rezervni sistem napajanja. Jedno od takvih rješenja je kombinacija gorivne ćelije i baterije: sve dok ima goriva, ona stalno puni bateriju, a kada se ista isprazni, korisnik jednostavno zamijeni praznu kartušu novom posudom metanola. Još jedan popularan pravac je stvaranje punjača za gorive ćelije. Mogu se koristiti u pokretu. Istovremeno, mogu vrlo brzo puniti baterije. Drugim riječima, u budućnosti će možda svako nositi takvu „utičnicu“ u džepu. Ovaj pristup može biti posebno relevantan u slučaju mobilnih telefona. Zauzvrat, laptopi bi u dogledno vrijeme mogli dobiti ugrađene gorivne ćelije, koje će, ako ne u potpunosti zamijeniti punjenje iz zidne utičnice, barem postati ozbiljna alternativa.
Tako će, prema prognozi najveće njemačke hemijske kompanije BASF, koja je nedavno najavila početak izgradnje svog centra za razvoj gorivnih ćelija u Japanu, do 2010. godine tržište ovih uređaja dostići milijardu dolara. Istovremeno, njegovi analitičari predviđaju rast tržišta gorivih ćelija na 20 milijardi dolara do 2020. godine. Inače, u ovom centru BASF planira razvoj gorivih ćelija za prijenosnu elektroniku (posebno laptope) i stacionarne energetske sisteme. Lokacija za ovo preduzeće nije slučajno izabrana, nemačka kompanija kao glavne kupce ovih tehnologija vidi domaće kompanije.
Umjesto zaključka
Naravno, ne biste trebali očekivati da će gorive ćelije zamijeniti postojeći sistem opskrbe energijom. Barem u doglednoj budućnosti. Ovo je mač sa dvije oštrice: prijenosne elektrane su naravno efikasnije, zbog nepostojanja gubitaka povezanih s isporukom električne energije potrošaču, ali također vrijedi uzeti u obzir da mogu postati ozbiljan konkurent centraliziranoj energiji. sistem snabdijevanja samo ako je stvoren centralizirani sistem za opskrbu gorivom za ove instalacije. Odnosno, "utičnicu" na kraju mora zamijeniti određena cijev koja opskrbljuje potrebne reagense u svaki dom i svaki kutak. A to nije baš sloboda i nezavisnost od vanjskih izvora energije o kojoj govore proizvođači gorivnih ćelija.
Ovi uređaji imaju neosporna prednost u vidu brzine punjenja - jednostavno sam promijenio kartušu sa metanolom (u ekstremnim slučajevima otčepio trofejni Jack Daniel's) u kameri, i opet skakao niz stepenice Luvra.S druge strane, ako je recimo običan telefon se puni za dva sata i zahtijeva punjenje svaka 2-3 dana, tada je malo vjerovatno da će alternativa u obliku zamjene kertridža, koja se prodaje samo u specijaliziranim trgovinama, čak i jednom u dvije sedmice biti u velikoj potražnji od strane masovnog korisnika. I naravno, dok su ove sakrivene u sigurnoj hermetičkoj posudi, par stotina mililitara goriva će stići do krajnjeg potrošača, njegova cijena će imati vremena da značajno poraste.To poskupljenje moći će se boriti samo na skali proizvodnje, ali hoće li ovaj obim biti tražen na tržištu?I dok se ne izabere optimalna vrsta goriva, rješavanje ovog problema će biti vrlo problematično.
S druge strane, kombinacija tradicionalnog punjenja iz utičnice, gorivnih ćelija i drugih alternativnih sistema napajanja (na primjer, solarnih panela) može biti rješenje za problem diverzifikacije izvora energije i prelaska na ekološki prihvatljive tipove. Međutim, gorive ćelije mogu naći široku primenu u određenoj grupi elektronskih proizvoda. To potvrđuje i činjenica da je Canon nedavno patentirao vlastite gorivne ćelije za digitalne fotoaparate i najavio strategiju za uvođenje ovih tehnologija u svoja rješenja. Što se tiče laptopa, ako gorive ćelije do njih u bliskoj budućnosti stignu, to će najvjerovatnije biti samo kao rezervni sistem napajanja. Sada, na primjer, govorimo uglavnom samo o vanjskim modulima za punjenje koji su dodatno povezani na laptop.
Ali ove tehnologije imaju ogromne razvojne izglede na dugi rok. Posebno u svjetlu prijetnje naftne gladi koja bi se mogla dogoditi u narednih nekoliko decenija. U ovim uslovima nije važnije čak ni koliko će proizvodnja gorivnih ćelija biti jeftina, već koliko će proizvodnja goriva za njih biti nezavisna od petrohemijske industrije i da li će ona moći da pokrije potrebe za tim.
Goriva ćelija ( Fuel Cell) je uređaj koji pretvara hemijsku energiju u električnu energiju. U principu je slična konvencionalnoj bateriji, ali se razlikuje po tome što njen rad zahtijeva konstantnu opskrbu tvarima izvana kako bi se elektrohemijska reakcija odvijala. Vodik i kiseonik se snabdevaju gorivim ćelijama, a izlaz je struja, voda i toplota. Njihove prednosti uključuju ekološku prihvatljivost, pouzdanost, izdržljivost i jednostavnost rada. Za razliku od konvencionalnih baterija, elektrohemijski pretvarači mogu raditi gotovo neograničeno sve dok je gorivo opskrbljeno. Ne moraju se puniti satima dok se potpuno ne napune. Štaviše, same ćelije mogu puniti bateriju dok je automobil parkiran s ugašenim motorom.
Gorivne ćelije koje se najčešće koriste u vozilima na vodik su gorive ćelije sa protonskom membranom (PEMFC) i gorivne ćelije sa čvrstim oksidom (SOFC).
Goriva ćelija sa membranom za izmjenu protona radi na sljedeći način. Između anode i katode nalazi se posebna membrana i katalizator presvučen platinom. Vodik se dovodi do anode, a kisik (na primjer, iz zraka) se dovodi do katode. Na anodi se vodik razlaže na protone i elektrone uz pomoć katalizatora. Protoni vodika prolaze kroz membranu i dolaze do katode, a elektroni se prenose u vanjsko kolo (membrana im ne dozvoljava da prođu). Tako dobijena razlika potencijala dovodi do stvaranja električne struje. Na katodnoj strani, protoni vodika se oksidiraju kisikom. Kao rezultat, pojavljuje se vodena para, koja je glavni element izduvnih gasova auto. Posjedujući visoku efikasnost, PEM ćelije imaju jedan značajan nedostatak - njihov rad zahtijeva čisti vodonik, čije skladištenje predstavlja prilično ozbiljan problem.
Ako se pronađe takav katalizator koji zamjenjuje skupu platinu u ovim ćelijama, tada će se odmah stvoriti jeftina gorivna ćelija za proizvodnju električne energije, što znači da će se svijet riješiti ovisnosti o nafti.
Ćelije čvrstih oksida
Čvrste oksidne SOFC ćelije su mnogo manje zahtjevne za čistoću goriva. Osim toga, zahvaljujući upotrebi POX reformera (djelomična oksidacija), takve ćelije mogu trošiti običan benzin kao gorivo. Proces pretvaranja benzina direktno u električnu energiju je sljedeći. U posebnom uređaju - reformeru, na temperaturi od oko 800 ° C, benzin isparava i razlaže se na sastavne elemente.
Time se oslobađaju vodik i ugljični dioksid. Nadalje, također pod utjecajem temperature i direktnom upotrebom SOFC-a (koji se sastoji od poroznog keramičkog materijala na bazi cirkonijum oksida), vodonik se oksidira kisikom u zraku. Nakon dobijanja vodonika iz benzina, proces se nastavlja prema gore opisanom scenariju, sa samo jednom razlikom: SOFC gorivna ćelija, za razliku od uređaja koji rade na vodiku, manje je osjetljiva na nečistoće u izvornom gorivu. Dakle, kvalitet benzina ne bi trebao utjecati na performanse gorivne ćelije.
Visoka radna temperatura SOFC-a (650–800 stepeni) je značajan nedostatak; proces zagrijavanja traje oko 20 minuta. Ali višak topline nije problem, jer se potpuno uklanja preostalim zrakom i izduvnim plinovima koje proizvode reformer i sama gorivna ćelija. Ovo omogućava da se SOFC sistem integriše u vozilo kao poseban uređaj u termoizolovanom kućištu.
Modularna struktura omogućava postizanje potrebnog napona povezivanjem seta standardnih ćelija u seriju. I, što je možda najvažnije sa stanovišta implementacije takvih uređaja, SOFC ne sadrži vrlo skupe elektrode na bazi platine. Visoka cijena ovih elemenata jedna je od prepreka u razvoju i širenju PEMFC tehnologije.
Vrste gorivnih ćelija
Trenutno postoje sljedeće vrste gorivnih ćelija:
- A.F.C.– Alkalna gorivna ćelija (alkalna gorivna ćelija);
- PAFC– Gorivna ćelija fosforne kiseline (goriva ćelija fosforne kiseline);
- PEMFC– Proton Exchange Membrane Fuel Cell (goriva ćelija sa membranom za izmjenu protona);
- DMFC– Direktna metanolna gorivna ćelija (goriva ćelija sa direktnim razgradnjom metanola);
- MCFC– Molten Carbonate Fuel Cell (goriva ćelija od rastopljenog karbonata);
- SOFC– Solid Oxide Fuel Cell (goriva ćelija sa čvrstim oksidom).
Gorivna ćelija je elektrohemijski uređaj sličan galvanskoj ćeliji, ali se od njega razlikuje po tome što mu se tvari za elektrokemijsku reakciju dovode izvana - za razliku od ograničene količine energije pohranjene u galvanskoj ćeliji ili bateriji.
Rice. 1. Neke gorivne ćelije
Gorivne ćelije pretvaraju hemijsku energiju goriva u električnu, zaobilazeći neefikasne procese sagorevanja koji se javljaju uz velike gubitke. Oni pretvaraju vodonik i kisik u električnu energiju kemijskom reakcijom. Kao rezultat ovog procesa nastaje voda i oslobađa se velika količina topline. Gorivna ćelija je vrlo slična bateriji koja se može puniti, a zatim koristiti pohranjenu električnu energiju. Izumiteljem gorivne ćelije smatra se William R. Grove, koji ju je izumio davne 1839. godine. Ova gorivna ćelija koristila je otopinu sumporne kiseline kao elektrolit i vodik kao gorivo, koji je bio spojen s kisikom u oksidacijskom sredstvu. Do nedavno su se gorivne ćelije koristile samo u laboratorijama i na svemirskim letjelicama.
Rice. 2.
Za razliku od drugih generatora energije, kao što su motori sa unutrašnjim sagorevanjem ili turbine na gas, ugalj, lož ulje, itd., gorivne ćelije ne sagorevaju gorivo. To znači da nema bučnih rotora visokog pritiska, nema glasne buke izduvnih gasova, nema vibracija. Gorivne ćelije proizvode električnu energiju kroz tihu elektrohemijsku reakciju. Još jedna karakteristika gorivih ćelija je da pretvaraju hemijsku energiju goriva direktno u električnu energiju, toplotu i vodu.
Gorivne ćelije su visoko efikasne i ne proizvode velike količine stakleničkih plinova kao što su ugljični dioksid, metan i dušikov oksid. Jedine emisije iz gorivnih ćelija su voda u obliku pare i mala količina ugljičnog dioksida, koji se uopće ne oslobađa ako se kao gorivo koristi čisti vodonik. Gorivne ćelije se sklapaju u sklopove, a zatim u pojedinačne funkcionalne module.
Gorivne ćelije nemaju pokretne dijelove (barem ne unutar same ćelije) i stoga ne poštuju Carnotov zakon. To jest, oni će imati veću od 50% efikasnosti i posebno su efikasni pri malim opterećenjima. Dakle, vozila sa gorivnim ćelijama mogu postati (i već su se dokazala) efikasnija od konvencionalnih vozila u stvarnim uslovima vožnje.
Gorivna ćelija proizvodi električnu struju konstantnog napona koja se može koristiti za pogon elektromotora, rasvjete i drugih električnih sistema u vozilu.
Postoji nekoliko vrsta gorivnih ćelija, koje se razlikuju po hemijskim procesima koji se koriste. Gorivne ćelije se obično klasifikuju prema vrsti elektrolita koji koriste.
Neke vrste gorivnih ćelija su obećavajuće za pogon elektrana, dok su druge obećavajuće za prijenosne uređaje ili za vožnju automobila.
1. Alkalne gorivne ćelije (ALFC)
Alkalna gorivna ćelija- Ovo je jedan od prvih razvijenih elemenata. Alkalne gorivne ćelije (AFC) jedna su od najproučavanijih tehnologija koju NASA koristi od sredine 60-ih godina dvadesetog stoljeća u programima Apollo i Space Shuttle. Na brodu ovih svemirskih letjelica, gorivne ćelije proizvode električnu energiju i vodu za piće.
Rice. 3.
Alkalne gorivne ćelije su jedna od najefikasnijih ćelija koje se koriste za proizvodnju električne energije, sa efikasnošću proizvodnje električne energije do 70%.
Alkalne gorive ćelije koriste elektrolit, 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 SHTE je hidroksilni jon (OH-), koji se kreće od katode do anode, gdje reaguje sa vodonikom, proizvodeći vodu i elektrone. Voda proizvedena na anodi vraća se na katodu, ponovo stvarajući hidroksilne jone tamo. Kao rezultat ove serije reakcija koje se odvijaju u gorivim ćelijama, proizvodi se električna energija i, kao nusproizvod, toplina:
Reakcija na anodi: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e
Reakcija na katodi: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH
Opšta reakcija sistema: 2H2 + O2 => 2H2O
Prednost SHTE je u tome 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, SHTE rade na relativno niskim temperaturama i među najefikasnijim su.
Jedan od karakteristične karakteristike SHTE – visoka osjetljivost na CO2, koji može biti sadržan u gorivu ili zraku. CO2 reaguje sa elektrolitom, brzo ga truje i uveliko smanjuje efikasnost gorivne ćelije. Stoga je upotreba SHTE ograničena na zatvorene prostore, kao što su svemirska i podvodna vozila; oni rade na čistom vodoniku i kisiku.
2. Gorivne ćelije sa rastopljenim karbonatom (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 industrijskih procesa i drugih izvora. Ovaj proces je razvijen sredinom 60-ih godina dvadesetog veka. Od tada, tehnologija proizvodnje, performanse i pouzdanost su poboljšani.
Rice. 4.
Rad RCFC-a se razlikuje od ostalih gorivnih ćelija. Ove ćelije koriste elektrolit napravljen od 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 pokretljivosti 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 (CO32-). 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, generirajući električnu struju i toplinu kao nusproizvod.
Reakcija na anodi: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e
Reakcija na katodi: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-
Opća reakcija elementa: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(katoda) => H2O(g) + CO2(anoda)
Visoke radne temperature gorivnih ćelija rastopljenog karbonatnog elektrolita imaju određene prednosti. Prednost je mogućnost korištenja standardnih materijala (list nehrđajući čelik i nikl katalizator na elektrodama). Otpadna toplota se može koristiti za proizvodnju pare pod visokim pritiskom. Visoke temperature reakcije u elektrolitu također imaju svoje prednosti. Upotreba visokih temperatura zahtijeva dugo vremena za postizanje optimalnih radnih uvjeta, a sistem sporije reagira na promjene u potrošnji energije. Ove karakteristike omogućavaju upotrebu instalacija gorivih ćelija sa rastopljenim karbonatnim elektrolitom u uslovima konstantne snage. Visoke temperature sprečavaju oštećenje gorivne ćelije ugljičnim monoksidom, "trovanje" itd.
Gorivne ćelije sa rastopljenim karbonatnim elektrolitom pogodne su za upotrebu u velikim stacionarnim instalacijama. Termoelektrane sa izlazom električna energija 2,8 MW. Razvijaju se instalacije izlazne snage do 100 MW.
3. Gorivne ćelije fosforne kiseline (PAFC)
Gorivne ćelije na bazi fosforne (ortofosforne) kiseline postale prve gorive ćelije za komercijalnu upotrebu. Ovaj proces je razvijen sredinom 60-ih godina dvadesetog vijeka, a ispitivanja se vrše od 70-ih godina dvadesetog stoljeća. Rezultat je povećana stabilnost i performanse i smanjeni troškovi.
Rice. 5.
Gorivne ćelije sa fosfornom (ortofosfornom) kiselinom koriste elektrolit na bazi ortofosforne kiseline (H3PO4) u koncentracijama do 100%. Jonska provodljivost fosforne kiseline je niska na niskim temperaturama, pa se ove gorivne ćelije koriste na temperaturama do 150-220 °C.
Nosač naboja u gorivnim ćelijama ovog tipa je vodonik (H+, proton). Sličan proces se dešava u gorivnim ćelijama membrane za protonsku izmjenu (PEMFC), u kojima se vodonik doveden na anodu dijeli na protone i elektrone. Protoni putuju kroz elektrolit i kombinuju se sa kiseonikom iz vazduha na katodi i formiraju vodu. Elektroni se šalju kroz eksterno električno kolo, čime se stvara električna struja. Ispod su reakcije koje stvaraju električnu struju i toplinu.
Reakcija na anodi: 2H2 => 4H+ + 4e
Reakcija na katodi: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O
Opšta reakcija elementa: 2H2 + O2 => 2H2O
Efikasnost gorivih ćelija na bazi fosforne (ortofosforne) kiseline je više od 40% pri generisanju električne energije. Sa kombinovanom proizvodnjom 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 pod atmosferskim pritiskom.
Visoke performanse termoelektrana koje koriste gorivne ćelije na bazi fosforne (ortofosforne) kiseline u kombinovanoj proizvodnji toplotne i električne energije jedna je od prednosti ove vrste gorivih ćelija. Agregati koriste ugljen monoksid sa koncentracijom od oko 1,5%, što značajno proširuje izbor goriva. Jednostavan dizajn, nizak stepen isparljivosti elektrolita i povećana stabilnost su takođe prednosti ovakvih gorivnih ćelija.
Komercijalno se proizvode termoelektrane sa izlaznom električnom snagom do 400 kW. Instalacije snage 11 MW su prošle odgovarajuće testove. Razvijaju se instalacije izlazne snage do 100 MW.
4. Gorivne ćelije sa protonskom izmjenom (PEMFC)
Gorivne ćelije sa protonskom izmjenom membrane smatraju se najboljom vrstom gorivnih ćelija za proizvodnju energije za vozila, koja mogu zamijeniti benzinske i dizel motore s unutrašnjim sagorijevanjem. Ove gorivne ćelije je prvi put koristila NASA za program Gemini. Razvijene su i demonstrirane instalacije na bazi MOPFC snage od 1 W do 2 kW.
Rice. 6.
Elektrolit u ovim gorivnim ćelijama je čvrsta polimerna membrana (tanki film od plastike). Kada je zasićen vodom, ovaj polimer dozvoljava protonima da prođu, ali ne provodi elektrone.
Gorivo je vodonik, a nosilac naboja je vodikov jon (proton). Na anodi, molekul vodonika se dijeli na vodikov jon (proton) i elektrone. Ioni vodika prolaze kroz elektrolit do katode, a elektroni se 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 i formira vodu. Na elektrodama se javljaju sljedeće reakcije: Reakcija na anodi: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4eReakcija na katodi: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH Ukupna reakcija ćelije: 2H2 + O2 => 2H2O U poređenju sa drugim tipovima gorivne ćelije, gorive ćelije sa membranom za izmjenu protona proizvode više energije za datu zapreminu 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 sposobnost brze promjene izlazne energije, samo su neke koje ove gorivne ćelije čine glavnim kandidatom za upotrebu u vozilima.
Još jedna prednost je što je elektrolit čvrsta, a ne tečna. Lakše je zadržati plinove na katodi i anodi pomoću čvrstog elektrolita, pa su takve gorive ćelije jeftinije za proizvodnju. Kod upotrebe čvrstog elektrolita nema poteškoća kao što su orijentacija i manje problema zbog pojave korozije, što povećava trajnost elementa i njegovih komponenti.
Rice. 7.
5. Čvrste oksidne gorivne ćelije (SOFC)
Čvrste oksidne gorivne ćelije su gorive ćelije s najvišom radnom temperaturom. Radna temperatura može varirati od 600°C do 1000°C, što omogućava upotrebu Razne vrste gorivo bez posebne prethodne obrade. Za rukovanje tako visokim temperaturama, elektrolit koji se koristi je tanak čvrsti metalni oksid na keramičkoj bazi, često legura itrijuma i cirkonija, koji je provodnik iona kisika (O2-). Tehnologija korištenja čvrstih oksidnih gorivnih ćelija razvija se od kasnih 50-ih godina dvadesetog stoljeća i ima dvije konfiguracije: planarnu i cijevnu.
Čvrsti elektrolit osigurava zapečaćeni 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 (O2-). Na katodi se molekuli kisika iz zraka razdvajaju na ion kisika i četiri elektrona. Ioni kiseonika prolaze kroz elektrolit i spajaju se sa vodonikom, stvarajući četiri slobodna elektrona. Elektroni se šalju kroz vanjski električni krug, stvarajući električnu struju i otpadnu toplinu.
Rice. 8.
Reakcija na anodi: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e
Reakcija na katodi: O2 + 4e- => 2O2-
Opšta reakcija elementa: 2H2 + O2 => 2H2O
Efikasnost proizvodnje električne energije najveća je od svih gorivnih ćelija - oko 60%. Osim toga, visoke radne temperature omogućavaju kombiniranu proizvodnju toplinske i električne energije za stvaranje pare pod visokim pritiskom. Kombinovanje visokotemperaturne gorivne ćelije sa turbinom omogućava stvaranje hibridne gorivne ćelije za povećanje efikasnosti proizvodnje električne energije do 70%.
Čvrste oksidne gorive ćelije rade na vrlo visokim temperaturama (600°C-1000°C), što rezultira značajnim vremenom potrebnim za postizanje optimalnih radnih uslova i sporijim odgovorom sistema na promjene u potrošnji energije. Na tako visokim radnim temperaturama nije potreban pretvarač za rekuperaciju vodonika iz goriva, što omogućava termoelektranu da radi sa relativno nečistim gorivima nastalim gasifikacijom uglja ili otpadnih gasova itd. Ova gorivna ćelija je takođe odlična za upotrebu velike snage, uključujući industrijske i velike centralne elektrane. Komercijalno se proizvode moduli sa izlaznom električnom snagom od 100 kW.
6. Gorivne ćelije sa direktnom oksidacijom metanola (DOMFC)
Gorivne ćelije sa direktnom oksidacijom metanola Uspješno se koriste u oblasti napajanja mobilnih telefona, laptopa, kao i za kreiranje prijenosnih izvora napajanja, čemu je usmjerena buduća upotreba ovakvih elemenata.
Dizajn gorivih ćelija sa direktnom oksidacijom metanola sličan je dizajnu gorivih ćelija sa membranom za izmjenu protona (MEPFC), tj. Polimer se koristi kao elektrolit, a ion vodonika (proton) se koristi kao nosilac naboja. Ali tečni metanol (CH3OH) oksidira u prisustvu vode na anodi, oslobađajući CO2, vodikove ione i elektrone, koji se šalju kroz vanjski električni krug, stvarajući tako električnu struju. Vodikovi joni prolaze kroz elektrolit i reagiraju s kisikom iz zraka i elektronima iz vanjskog kruga i formiraju vodu na anodi.
Reakcija na anodi: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6eReakcija na katodi: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O Opšta reakcija elementa: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O Razvoj takvog gorivih ćelija se sprovodi od početka 90-ih godina dvadesetog veka i njihova specifična snaga i efikasnost povećani su na 40%.
Ovi elementi su testirani u temperaturnom opsegu od 50-120°C. Zbog svojih niskih radnih temperatura i odsustva potrebe za pretvaračem, takve gorive ćelije su glavni kandidati za upotrebu u mobilnim telefonima i drugim potrošačkim proizvodima, kao i u motorima automobila. Njihova prednost je i mala veličina.
7. Gorivne ćelije s polimernim elektrolitom (PEFC)
U slučaju gorivnih ćelija s polimernim elektrolitom, polimerna membrana se sastoji od polimernih vlakana sa vodenim područjima u kojima se provodljivi ioni vode H2O+ (proton, crveni) vezuju za molekul vode. Molekuli vode predstavljaju problem zbog spore izmjene jona. Zbog toga je potrebna visoka koncentracija vode i u gorivu i na izlaznim elektrodama, što ograničava radnu temperaturu na 100°C.
8. Čvrste kiselinske gorivne ćelije (SFC)
U ćelijama sa čvrstim kiselim gorivom, elektrolit (CsHSO4) ne sadrži vodu. Radna temperatura je dakle 100-300°C. Rotacija SO42 oksianiona 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 elektrode koje su čvrsto stisnute jedna uz drugu kako bi se osigurao dobar kontakt. Kada se zagrije, organska komponenta isparava, izlazeći kroz pore u elektrodama, održavajući mogućnost višestrukih kontakata između goriva (ili kisika na drugom kraju elementa), elektrolita i elektroda.
Rice. 9.
9. Poređenje najvažnijih karakteristika gorivnih ćelija
Tip gorivne ćelije | Radna temperatura | Efikasnost proizvodnje električne energije | Vrsta goriva | Područje primjene |
Srednje i velike instalacije |
||||
Čisti vodonik | instalacije |
|||
Čisti vodonik | Male instalacije |
|||
Većina ugljovodoničnih goriva | Male, srednje i velike instalacije |
|||
Prijenosni instalacije |
||||
Čisti vodonik | Prostor istraživao |
|||
Čisti vodonik | Male instalacije |
Rice. 10.
10. Upotreba gorivnih ćelija u automobilima
Rice. jedanaest.
Rice. 12.
Mobilna elektronika postaje sve dostupnija i raširenija svake godine, ako ne i mjeseca. Ovdje ćete pronaći laptopove, PDA uređaje i digitalni fotoaparati, i mobilnih telefona i niza drugih korisnih i ne baš korisnih uređaja. I svi ovi uređaji neprestano dobijaju nove karakteristike, snažnije procesore, veće ekrane u boji, bežičnu komunikaciju, a istovremeno se smanjuju. Ali, za razliku od poluvodičkih tehnologija, energetske tehnologije za cijelu ovu mobilnu menažeriju ne napreduju skokovima i granicama.
Konvencionalne baterije i akumulatori očigledno nisu dovoljni za napajanje najnovijim dostignućima elektronske industrije za bilo koje značajno vrijeme. A bez pouzdanih i kapacitetnih baterija gubi se smisao mobilnosti i bežičnosti. Dakle, kompjuterska industrija sve aktivnije radi na ovom problemu alternativni izvori energije. A pravac koji najviše obećava ovdje je danas gorivne ćelije.
Osnovni princip rada gorivnih ćelija otkrio je britanski naučnik Sir William Grove 1839. godine. Poznat je kao otac "gorivne ćelije". William Grove je generirao električnu energiju mijenjajući kako bi izvukao vodonik i kisik. Nakon što je odvojio bateriju od elektrolitičke ćelije, Grove je bio iznenađen kada je otkrio da su elektrode počele da apsorbuju oslobođeni gas i stvaraju struju. Otvaranje procesa elektrohemijsko "hladno" sagorevanje vodonika postao značajan događaj u energetskoj industriji, a kasnije su poznati elektrohemičari poput Ostwalda i Nernsta odigrali veliku ulogu u razvoju teorijske osnove i praktičnu implementaciju gorivnih ćelija i predviđao im veliku budućnost.
Sebe izraz "goriva ćelija" pojavio se kasnije - predložili su ga 1889. Ludwig Mond i Charles Langer, koji su pokušavali stvoriti uređaj za proizvodnju električne energije iz zraka i ugljenog plina.
Prilikom normalnog sagorevanja u kiseoniku dolazi do oksidacije organskog goriva, a hemijska energija goriva se neefikasno pretvara u toplotnu energiju. Ali pokazalo se da je moguće izvesti reakciju oksidacije, na primjer, vodika s kisikom, u okruženju elektrolita i, u prisutnosti elektroda, dobiti električnu struju. Na primjer, dovođenjem vodika na elektrodu koja se nalazi u alkalnom mediju, dobijamo elektrone:
2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-
koji prolazeći kroz eksterno kolo dolaze do suprotne elektrode, do koje teče kiseonik i gde se odvija reakcija: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-
Može se vidjeti da je rezultirajuća reakcija 2H2 + O2 → H2O ista kao i pri konvencionalnom sagorijevanju, ali u gorivnoj ćeliji, ili inače - u elektrohemijski generator, rezultat je električna struja sa velikom efikasnošću i delimično toplotom. Imajte na umu da gorivne ćelije također mogu koristiti ugalj, ugljični monoksid, alkohole, hidrazin i druge organske tvari kao gorivo, a zrak, vodikov peroksid, hlor, brom, dušičnu kiselinu itd. kao oksidirajuće agense.
Razvoj gorivnih ćelija se intenzivno nastavio iu inostranstvu iu Rusiji, a potom iu SSSR-u. Među naučnicima koji su dali veliki doprinos proučavanju gorivnih ćelija izdvajamo V. Jacoa, P. Yablochkova, F. Bacona, E. Bauera, E. Justija, K. Cordesh. Sredinom prošlog veka počeo je novi napad na probleme sa gorivnim ćelijama. To je dijelom zbog pojave novih ideja, materijala i tehnologija kao rezultat istraživanja odbrane.
Jedan od naučnika koji je napravio veliki korak u razvoju gorivnih ćelija bio je P. M. Spiridonov. Vodonik-kiseonički elementi Spiridonova dao gustinu struje od 30 mA/cm2, što se u to vreme smatralo velikim dostignućem. Četrdesetih godina O. Davtyan je stvorio instalaciju za elektrohemijsko sagorevanje generatorskog gasa dobijenog gasifikacijom uglja. Za svaki kubni metar zapremine elementa, Davtyan je dobio 5 kW snage.
Bilo je prva gorivna ćelija sa čvrstim elektrolitom. Imao je visoku efikasnost, ali je vremenom elektrolit postao neupotrebljiv i trebalo ga je mijenjati. Kasnije je Davtyan, krajem pedesetih, stvorio moćnu instalaciju koja pokreće traktor. Iste godine engleski inženjer T. Bacon dizajnirao je i napravio bateriju gorivih ćelija ukupne snage 6 kW i efikasnosti od 80%, koja radi na čistom vodiku i kiseoniku, ali je odnos snage i težine baterija se pokazala premala - takvi elementi su bili neprikladni za praktičnu upotrebu i preskupi.
U narednim godinama vrijeme usamljenika je prošlo. Kreatori svemirskih letelica su se zainteresovali za gorive ćelije. Od sredine 60-ih, milioni dolara su uloženi u istraživanje gorivnih ćelija. Rad hiljada naučnika i inženjera omogućio nam je da dostignemo novi nivo, a 1965. gorivne ćelije su testirane u SAD na svemirski brod Gemini 5, a kasnije i svemirska letjelica Apollo za letove na Mjesec i program Shuttle.
U SSSR-u su gorivne ćelije razvijene u NPO Kvant, takođe za upotrebu u svemiru. Tih godina već su se pojavili novi materijali - čvrsti polimerni elektroliti na bazi membrana za izmjenu jona, nove vrste katalizatora, elektroda. Ipak, gustina radne struje je bila mala - u rasponu od 100-200 mA/cm2, a sadržaj platine na elektrodama je bio nekoliko g/cm2. Bilo je mnogo problema vezanih za trajnost, stabilnost i sigurnost.
Sljedeća faza brzog razvoja gorivnih ćelija započela je 90-ih godina. prošlog veka i traje do danas. To je uzrokovano potrebom za novim efikasnim izvorima energije u vezi, s jedne strane, sa globalnim ekološkim problemom povećanja emisije stakleničkih plinova iz sagorijevanja fosilnih goriva, as druge strane, sa iscrpljivanjem rezervi takvog goriva. . Budući da je u gorivim ćelijama krajnji proizvod sagorijevanja vodonika voda, one se smatraju najčistijim u smislu utjecaja na okoliš. Glavni problem je samo pronalaženje efikasnog i jeftinog načina za proizvodnju vodonika.
Milijarde dolara finansijskih ulaganja u razvoj gorivnih ćelija i generatora vodonika trebalo bi da dovedu do tehnološkog proboja i da njihova upotreba u svakodnevnom životu postane stvarnost: u ćelijama za mobilne telefone, u automobilima, u elektranama. Takvi automobilski giganti kao što su Ballard, Honda, Daimler Chrysler i General Motors već demonstriraju automobile i autobuse na pogon gorivnih ćelija snage 50 kW. Razvio se veliki broj kompanija demonstracijske elektrane na gorive ćelije sa čvrstim oksidnim elektrolitom snage do 500 kW. No, unatoč značajnom napretku u poboljšanju karakteristika gorivnih ćelija, mnogi problemi koji se odnose na njihovu cijenu, pouzdanost i sigurnost još uvijek moraju biti riješeni.
U gorivoj ćeliji, za razliku od baterija i akumulatora, i gorivo i oksidant joj se dovode izvana. Goriva ćelija je samo posrednik u reakciji i u idealnim uslovima mogao da radi skoro zauvek. Ljepota ove tehnologije je u tome što ćelija zapravo sagorijeva gorivo i direktno pretvara oslobođenu energiju u električnu energiju. Kada se gorivo direktno sagorijeva, oksidira se kisikom, a oslobođena toplina se koristi za obavljanje korisnog rada.
U gorivnoj ćeliji, kao iu baterijama, reakcije oksidacije goriva i redukcije kisika su prostorno razdvojene, a proces "sagorijevanja" događa se samo ako ćelija opskrbljuje strujom opterećenje. To je kao dizel električni generator, samo bez dizela i generatora. I takođe bez dima, buke, pregrevanja i sa mnogo većom efikasnošću. Ovo posljednje se objašnjava činjenicom da, prije svega, nema međuproizvoda mehanički uređaji i, drugo, gorivna ćelija nije toplotni motor i, kao rezultat, ne poštuje Carnotov zakon (to jest, njegova efikasnost nije određena temperaturnim razlikama).
Kiseonik se koristi kao oksidant u gorivnim ćelijama. Štoviše, budući da u zraku ima dovoljno kisika, nema potrebe za brigom o opskrbi oksidirajućim agensom. Što se tiče goriva, to je vodonik. Dakle, reakcija se odvija u gorivoj ćeliji:
2H2 + O2 → 2H2O + struja + toplota.
Rezultat je korisna energija i vodena para. Najjednostavniji u svom dizajnu je gorive ćelije sa membranom za izmjenu protona(vidi sliku 1). Radi na sljedeći način: vodonik koji ulazi u element razlaže se pod djelovanjem katalizatora na elektrone i pozitivno nabijene vodikove ione H+. Tada dolazi u igru posebna membrana koja igra ulogu elektrolita u konvencionalnoj bateriji. Zbog svog hemijskog sastava, dozvoljava protonima da prođu, ali zadržava elektrone. Tako, akumulirani elektroni na anodi stvaraju višak negativnog naboja, a ioni vodika stvaraju pozitivan naboj na katodi (napon na elementu je oko 1V).
Za stvaranje velike snage, gorivna ćelija je sastavljena od više ćelija. Ako spojite element na opterećenje, elektroni će teći kroz njega do katode, stvarajući struju i dovršavajući proces oksidacije vodika kisikom. Mikročestice platine nanesene na karbonska vlakna obično se koriste kao katalizator u takvim gorivnim ćelijama. Zbog svoje strukture, takav katalizator omogućava da plin i struja prolaze kroz bunar. Membrana je obično napravljena od polimera Nafion koji sadrži sumpor. Debljina membrane je desetinke milimetra. Tokom reakcije se, naravno, oslobađa i toplota, ali ne toliko, pa se radna temperatura održava u području od 40-80°C.
Fig.1. Princip rada gorivne ćelije
Postoje i druge vrste gorivnih ćelija, koje se uglavnom razlikuju po vrsti upotrijebljenog elektrolita. Gotovo svi oni zahtijevaju vodonik kao gorivo, pa se postavlja logično pitanje: gdje ga nabaviti. Naravno, bilo bi moguće koristiti komprimovani vodonik iz cilindara, ali odmah nastaju problemi vezani za transport i skladištenje ovog lako zapaljivog gasa pod visokim pritiskom. Naravno, vodonik se može koristiti u vezanom obliku, kao u metal-hidridnim baterijama. Ali zadatak njegovog vađenja i transporta i dalje ostaje, jer infrastruktura za dopunu vodonika ne postoji.
Međutim, i ovdje postoji rješenje - tekuće ugljikovodično gorivo može se koristiti kao izvor vodonika. Na primjer, etil ili metil alkohol. Istina, za to je potreban poseban dodatni uređaj - pretvarač goriva, koji na visokim temperaturama (za metanol će biti oko 240 ° C) pretvara alkohole u mješavinu plinovitih H2 i CO2. Ali u ovom slučaju već je teže razmišljati o prenosivosti - takve je uređaje dobro koristiti kao stacionarne ili, ali za kompaktnu mobilnu opremu treba vam nešto manje glomazno.
I tu dolazimo upravo do uređaja koji gotovo svi najveći proizvođači elektronike razvijaju strašnom snagom - metanolna gorivna ćelija(Slika 2).
Fig.2. Princip rada metanolne gorivne ćelije
Osnovna razlika između gorivnih ćelija vodika i metanola je katalizator koji se koristi. Katalizator u metanolnoj gorivnoj ćeliji omogućava da se protoni uklone direktno iz molekula alkohola. Time je riješen problem s gorivom - metil alkohol se masovno proizvodi za hemijsku industriju, lako se skladišti i transportuje, a za punjenje metanolne gorivne ćelije dovoljno je jednostavno zamijeniti kartušu goriva. Istina, postoji jedan značajan nedostatak - metanol je toksičan. Osim toga, efikasnost metanolne gorivne ćelije je znatno niža od one na vodiku.
Rice. 3. Gorivna ćelija metanola
Najprimamljivija opcija je koristiti ga kao gorivo etanol, proizvodnju i distribuciju koristi alkoholna pića bilo kojeg sastava i snage dobro je uspostavljena širom svijeta. Međutim, efikasnost etanolnih gorivnih ćelija, nažalost, čak je niža od onih na metanolu.
Kao što je zapaženo tokom dugogodišnjeg razvoja u oblasti gorivih ćelija, napravljene su različite vrste gorivnih ćelija. Gorivne ćelije su klasifikovane prema elektrolitu i vrsti goriva.
1. Čvrsti polimerni vodonik-kiseonički elektrolit.
2. Gorivne ćelije od čvrstog polimera metanola.
3. Ćelije alkalnog elektrolita.
4. Gorivne ćelije fosforne kiseline.
5. Gorivni elementi na bazi rastopljenih karbonata.
6. Gorivne ćelije sa čvrstim oksidom.
U idealnom slučaju, efikasnost gorivih ćelija je veoma visoka, ali u realnim uslovima postoje gubici povezani sa neravnotežnim procesima, kao što su: omski gubici zbog specifične provodljivosti elektrolita i elektroda, aktivaciona i koncentracijska polarizacija i difuzioni gubici. Kao rezultat toga, dio energije proizvedene u gorivnim ćelijama pretvara se u toplinu. Napori stručnjaka usmjereni su na smanjenje ovih gubitaka.
Glavni izvor omskih gubitaka, kao i uzrok visoka cijena Gorivne ćelije su perfluorirane sulfonske kationske membrane. Sada je u toku potraga za alternativnim, jeftinijim polimerima koji provode proton. Budući da provodljivost ovih membrana (čvrsti elektroliti) samo u prisustvu vode dostiže prihvatljivu vrijednost (10 Ohm/cm), plinovi koji se dovode u gorivu ćeliju moraju se dodatno ovlažiti u posebnom uređaju, što također poskupljuje sistem. Katalitičke plinske difuzijske elektrode uglavnom koriste platinu i neke druge plemenite metale i do sada nije pronađena zamjena za njih. Iako sadržaj platine u gorivnim ćelijama iznosi nekoliko mg/cm2, za velike baterije njegova količina doseže desetine grama.
Prilikom projektovanja gorivnih ćelija, velika pažnja se poklanja sistemu odvođenja toplote, jer se pri velikim gustinama struje (do 1A/cm2) sistem samozagreva. Za hlađenje se koristi voda koja kruži u gorivoj ćeliji kroz posebne kanale, a pri malim snagama - upuhivanje zraka.
Dakle, savremeni elektrohemijski generatorski sistem, pored same baterije gorivih ćelija, „obrastao“ je i mnogim pomoćnim uređajima, kao što su: pumpe, kompresor za dovod vazduha, ubrizgavanje vodonika, ovlaživač gasa, rashladna jedinica, gas sistem za praćenje curenja, pretvarač jednosmerna struja u varijabilni, upravljački procesor, itd. Sve ovo dovodi do činjenice da je cijena sistema gorivih ćelija u 2004-2005. bila 2-3 hiljade $/kW. Prema riječima stručnjaka, gorivne ćelije će postati dostupne za upotrebu u transportu i stacionarnim elektranama po cijeni od 50-100 dolara/kW.
Za uvođenje gorivnih ćelija u svakodnevni život, uz jeftinije komponente, moramo očekivati nove originalne ideje i pristupe. posebno, velike nade povezana sa upotrebom nanomaterijala i nanotehnologija. Na primjer, nekoliko kompanija je nedavno najavilo stvaranje ultra-efikasnih katalizatora, posebno za kisikove elektrode, na bazi klastera nanočestica iz različitih metala. Osim toga, postojali su izvještaji o dizajnu gorivih ćelija bez membrane u kojima se tečno gorivo (kao što je metanol) dovodi u gorivu ćeliju zajedno sa oksidantom. Zanimljiv je i razvojni koncept ćelija biogoriva koje rade u zagađenim vodama i troše rastvoreni kiseonik u vazduhu kao oksidator, a organske nečistoće kao gorivo.
Prema mišljenju stručnjaka, gorivne ćelije će ući na masovno tržište u narednim godinama. Zaista, jedan za drugim, programeri prevazilaze tehničke probleme, izvještavaju o uspjesima i predstavljaju prototipove gorivnih ćelija. Na primjer, Toshiba je demonstrirala gotov prototip gorivne ćelije na metanolu. Ima veličinu 22x56x4.5mm i proizvodi snagu od oko 100mW. Jedno punjenje od 2 kocke koncentrovanog (99,5%) metanola je dovoljno za 20 sati rada MP3 plejera. Toshiba je objavila komercijalnu gorivu ćeliju za napajanje mobilnih telefona. Ponovo je ista Toshiba demonstrirala ćeliju za napajanje laptopa dimenzija 275x75x40mm, omogućavajući računaru da radi 5 sati sa jednim punjenjem.
Još jedna japanska kompanija, Fujitsu, ne zaostaje mnogo za Toshibom. 2004. godine uvela je i element koji djeluje u 30% vodenom rastvoru metanola. Ova gorivna ćelija radila je na jednom punjenju od 300 ml 10 sati i proizvodila je snagu od 15 W.
Casio razvija gorivu ćeliju u kojoj se metanol prvo pretvara u mješavinu plinova H2 i CO2 u minijaturnom pretvaraču goriva, a zatim se dovodi u gorivu ćeliju. Tokom demonstracije, Casio prototip je pokretao laptop 20 sati.
Samsung je takođe ostavio trag na polju gorivnih ćelija - 2004. godine je demonstrirao svoj prototip od 12 W dizajniran za napajanje laptopa. Generalno, Samsung planira da koristi gorivne ćelije prvenstveno u pametnim telefonima četvrte generacije.
Mora se reći da su japanske kompanije generalno veoma temeljno pristupile razvoju gorivnih ćelija. Još 2003. godine, kompanije kao što su Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony i Toshiba udružile su snage kako bi razvile jedinstveni standard gorivih ćelija za laptopove, mobilne telefone, PDA i druge elektronske uređaje. Američke kompanije, kojih također ima mnogo na ovom tržištu, uglavnom rade po ugovorima s vojskom i razvijaju gorivne ćelije za elektrifikaciju američkih vojnika.
Nijemci ne zaostaju mnogo - kompanija Smart Fuel Cell prodaje gorivne ćelije za napajanje mobilne kancelarije. Uređaj se zove Smart Fuel Cell C25, ima dimenzije 150x112x65mm i može isporučiti do 140 vat-sati po punjenju. Ovo je dovoljno za napajanje laptopa oko 7 sati. Tada se kertridž može zamijeniti i nastaviti s radom. Veličina metanolnog uloška je 99x63x27 mm, a težina 150g. Sam sistem je težak 1,1 kg, tako da se ne može nazvati potpuno prenosivim, ali je ipak potpuno kompletan i praktičan uređaj. Kompanija takođe razvija modul za gorivo za napajanje profesionalnih video kamera.
Općenito, gorivne ćelije su skoro ušle na tržište mobilne elektronike. Proizvođači još moraju riješiti posljednje tehničke probleme prije pokretanja masovne proizvodnje.
Prvo, potrebno je riješiti pitanje minijaturizacije gorivnih ćelija. Uostalom, što je manja gorivna ćelija, to može proizvesti manje snage - tako da se stalno razvijaju novi katalizatori i elektrode koji omogućuju maksimiziranje radne površine s malim veličinama. Tu su najnovija dostignuća u oblasti nanotehnologije i nanomaterijala (na primjer, nanocijevi) vrlo korisna. Opet, za minijaturizaciju cevovoda elemenata (pumpe za gorivo i vodu, sistemi za hlađenje i konverziju goriva), sve više se koriste dostignuća mikroelektromehanike.
Sekunda važan problem Ono na šta treba obratiti pažnju je cijena. Uostalom, vrlo skupa platina se koristi kao katalizator u većini gorivnih ćelija. Opet, neki od proizvođača pokušavaju maksimalno iskoristiti već dobro uhodane silikonske tehnologije.
Što se tiče ostalih područja upotrebe gorivih ćelija, tamo su se gorivne ćelije već prilično učvrstile, iako još uvijek nisu postale mainstream ni u energetskom sektoru ni u transportu. Mnogi proizvođači automobila već su predstavili svoje konceptualne automobile na pogon gorivnih ćelija. Autobusi na gorive ćelije voze u nekoliko gradova širom svijeta. Canadian Ballard Power Systems proizvodi niz stacionarnih generatora kapaciteta od 1 do 250 kW. Istovremeno, kilovatni agregati su dizajnirani da odmah opskrbe jedan stan strujom, grijanjem i toplom vodom.