Gorivne ćelije na kruti vodik. Gorivne ćelije kao alternativa "alternativnoj" energiji

Tradicionalni motor unutarnje izgaranje(ICE) ima niz značajnih nedostataka, što tjera znanstvenike da traže dostojnu zamjenu. Najpopularnija opcija za takvu alternativu je elektromotor, ali nije jedini koji se može natjecati s motorom s unutarnjim izgaranjem. U ovom ćemo članku govoriti o vodikovom motoru koji se s pravom smatra budućnošću automobilske industrije i može riješiti problem štetnih emisija i visoke cijene goriva.

Pripovijetka

Unatoč činjenici da je zaštita okoliša tek sada postala raširen problem, znanstvenici su i prije razmišljali o promjeni standardnog motora s unutarnjim izgaranjem. Tako je motor na vodik “ugledao svijet” davne 1806. godine, što je omogućio francuski izumitelj Francois Isaac de Rivaz (vodik je proizvodio elektrolizom vode).

Prošlo je nekoliko desetljeća i prvi patent za vodikov motor izdan je u Engleskoj (1841.), a 1852. njemački znanstvenici konstruirali su motor s unutarnjim izgaranjem koji je mogao raditi na mješavinu zraka i vodika.

Nešto kasnije, tijekom opsade Lenjingrada, kada je benzin bio rijedak proizvod, a vodik je bio dostupan u prilično velikim količinama, tehničar Boris Shelishch predložio je korištenje mješavine zraka i vodika za upravljanje baražnim balonima. Nakon toga su svi motori s unutarnjim izgaranjem balonskih vitla prebačeni na vodikov pogon, a ukupan broj vozila na vodikov pogon dosegao je 600 jedinica.

U prvoj polovici dvadesetog stoljeća interes javnosti za vodikove motore bio je nizak, no s dolaskom krize goriva i energije 70-ih godina situacija se dramatično promijenila. Konkretno, 1879. BMW je izdao prvi automobil koji je prilično uspješno radio na vodik (bez eksplozija i izlaska vodene pare iz ispušne cijevi).

Nakon BMW-a, drugi veliki proizvođači automobila počeli su raditi u tom smjeru, a do kraja prošlog stoljeća gotovo svaka autokompanija koja poštuje sebe već je imala koncept razvoja automobila na vodikovo gorivo. Međutim, završetkom naftne krize interes javnosti za alternativni izvori gorivo, iako se u naše vrijeme ponovno počinje buditi, potaknuto ekolozima koji se bore za smanjenje toksičnosti ispušnih plinova automobila.

Štoviše, cijene energije i želja za postizanjem neovisnosti o gorivu samo doprinose teoretskom i praktična istraživanja znanstvenika iz mnogih zemalja svijeta. Najaktivnije tvrtke su BMW, General Motors, Honda Motor, Ford Motor.

Zanimljiva činjenica! Vodik je najzastupljeniji element u svemiru, ali će ga biti vrlo teško pronaći u čistom obliku na našem planetu.

Princip rada i vrste motora na vodik

Glavna razlika između vodikove instalacije i tradicionalnih motora je način opskrbe tekućinom goriva i naknadnog paljenja radne smjese. Istodobno, princip pretvaranja klipnih kretanja mehanizma radilice u koristan rad ostaje nepromijenjen. S obzirom da se izgaranje naftnog goriva odvija dosta sporo, smjesa goriva i zraka ispunjava komoru za izgaranje prije nego što klip dođe u svoj najviši položaj (tzv. gornja mrtva točka).

Brza reakcija vodika omogućuje pomicanje vremena ubrizgavanja bliže trenutku kada se klip počne vraćati u donju mrtvu točku. Treba napomenuti da tlak u sustavu goriva neće nužno biti visok.

Ako se stvore idealni radni uvjeti za vodikov motor, on može imati sustav napajanja gorivom zatvorenog tipa, kada se proces formiranja smjese odvija bez sudjelovanja strujanja atmosferskog zraka. U tom slučaju, nakon takta kompresije, vodena para ostaje u komori za izgaranje, koja se, prolazeći kroz radijator, kondenzira i ponovno pretvara u običnu vodu.

Međutim, korištenje ove vrste uređaja moguće je samo kada vozilo ima elektrolizer koji odvaja vodik od vode za njegovu ponovnu reakciju s kisikom. Trenutno je postizanje takvih rezultata izuzetno teško. Služi za stabilan rad motora, a njegove pare ulaze u sastav ispušnih plinova.

Stoga je nesmetano pokretanje elektrane i njen stabilan rad na detonirajući plin bez upotrebe atmosferskog zraka zasad nemoguć zadatak. Postoje dvije mogućnosti za automobilske instalacije vodika:jedinice koje rade na temelju vodikovih gorivih ćelija i vodikovih motora s unutarnjim izgaranjem.

Elektrane temeljene na vodikovim gorivim ćelijama

Princip rada gorivih ćelija temelji se na fizikalnim i kemijskim reakcijama. U biti, to su iste olovne baterije, ali koeficijent je korisna radnja gorive ćelije nešto su veće od baterija i iznose oko 45% (ponekad i više).

Membrana (vodi samo protone) postavljena je u tijelo vodikovo-kisikove gorivne ćelije koja odvaja komoru s anodom i komoru s katodom. Vodik ulazi u komoru s anodom, a kisik ulazi u katodnu komoru. Svaka elektroda je prethodno presvučena slojem katalizatora, koji je često platina. Kada mu je izložen, molekularni vodik počinje gubiti elektrone.

Istodobno, protoni prolaze kroz membranu do katode i pod utjecajem istog katalizatora spajaju se s elektronima koji dolaze izvana. Kao rezultat reakcije nastaje voda, a elektroni iz anodne komore prelaze u električni krug spojen na motor. Jednostavno rečeno, dobivamo struja, koji pokreće motor.

Vodikovi motori temeljeni na gorivim ćelijama danas se koriste na automobilima Niva opremljenim pogonskim agregatom Antel-1 i automobilima Lada 111 s agregatom Antel-2, koje su razvili inženjeri Urala. U prvom slučaju jedno punjenje dovoljno je za 200 km, au drugom za 350 km.

Treba napomenuti da zbog visoke cijene metala (paladija i platine) uključenih u dizajn takvih motori na vodik, takve su ugradnje vrlo skupe, što znatno poskupljuje vozilo na koje se ugrađuju.

Znaš li?Toyotini stručnjaci počeli su raditi s tehnologijom gorivih ćelija prije 20 godina. Otprilike u to vrijeme projekt je započeo hibridni automobil Prius.

Motori s unutarnjim izgaranjem na vodik

Ova vrsta elektrane vrlo je slična propanskim motorima koji su danas uobičajeni, tako da za prelazak s propana na vodik trebate samo rekonfigurirati motor. Već postoji mnogo primjera takvog prijelaza, ali mora se reći da će u ovom slučaju učinkovitost biti nešto niža nego kod korištenja gorivih ćelija. U isto vrijeme, za dobivanje 1 kW energije vodika bit će potrebno manje, što u potpunosti nadoknađuje ovaj nedostatak.

Korištenje ove tvari u konvencionalnom motoru s unutarnjim izgaranjem uzrokovat će niz problema. Prvo, visoka temperatura kompresije će "natjerati" vodik da reagira s metalnim elementima motora ili čak s motornim uljem. Drugo, čak i malo curenje u kontaktu s vrućim ispušnim razvodnikom sigurno će dovesti do požara.

Iz tog razloga, za izradu dizajna vodika koriste se samo pogonske jedinice rotacijskog tipa, jer njihov dizajn smanjuje opasnost od požara zbog udaljenosti između usisnog i ispušnog razvodnika. U svakom slučaju, svi su problemi dosad izbjegnuti, što nam omogućuje da vodik smatramo prilično obećavajućim gorivom.

Dobar primjer vozila s pogonom na vodik je eksperimentalna limuzina BMW 750hL, čiji je koncept predstavljen još početkom 2000-ih. Automobil je opremljen dvanaestocilindričnim motorom koji pokreće raketno gorivo i omogućujući automobilu da ubrza do 140 km/h. Vodik u tekući oblik sprema se u poseban spremnik, a sama njegova rezerva dovoljna je za 300 kilometara. Ako se potpuno potroši, sustav se automatski prebacuje na pogon benzinom.

Motor na vodik na suvremenom tržištu

Nedavna istraživanja znanstvenika o radu motora na vodik pokazala su da oni ne samo da su vrlo ekološki prihvatljivi (poput elektromotora), već mogu biti vrlo učinkoviti u pogledu performansi. Štoviše, u pogledu tehničkih pokazatelja, elektrane na vodik su superiornije od svojih električnih kolega, što je već dokazano (na primjer, Honda Clarity).

Također Treba napomenuti da, za razliku od Tesla Powerwall sustava, analozi vodika imaju jedan značajan nedostatak: Bateriju više neće biti moguće puniti solarnom energijom, već će se morati potražiti posebna punionica, kojih danas, čak ni u svjetskim razmjerima, nema toliko.

Sada je Honda Clarity puštena u prilično ograničenoj seriji, a automobil se može kupiti samo u zemlji izlazećeg sunca, budući da će se vozilo pojaviti u Europi i Americi tek krajem 2016. godine.

Zanimljivo znati!Generator Power Exporter 9000 (može se uključiti u Honda Clarity paket) može napajati sve kućanske aparate gotovo cijeli tjedan.

Također u naše vrijeme proizvode se druga vozila koja koriste vodikovo gorivo. To uključuje Mazdu RX-8 vodik i BMW hidrogen 7 (hibride koji rade na tekući vodik i benzin), kao i Ford E-450 i MAN Lion City Bus.

Među osobni automobili Najistaknutiji predstavnici vozila na vodik danas su automobili Mercedes-Benz GLC F-ćelija(moguće je punjenje iz obične kućne mreže, a ukupni domet je oko 500 km), Toyota Mirai(radi samo na vodik, a jedno punjenje trebalo bi biti dovoljno za 650 km putovanja) i Honda FCX Clarity(navedeni domet doseže 700 km). Ali to nije sve, jer vozila na vodikovo gorivo proizvode i druge tvrtke, primjerice Hyundai (Tucson FCEV).

Prednosti i glavni nedostaci motora na vodik

Uz sve svoje prednosti, ne može se reći da je transport vodika bez određenih nedostataka. Konkretno, potrebno je razumjeti da je zapaljivi oblik vodika na sobnoj temperaturi i normalnom tlaku predstavljen u obliku plina, što uzrokuje određene poteškoće u skladištenju i transportu takvog goriva. Odnosno, postoji ozbiljan problem u projektiranju sigurnih rezervoara za vodik koji se koristi kao gorivo za automobile.

Osim toga, boce koje sadrže ovu tvar zahtijevaju periodični pregled i certifikaciju, koje može izvesti samo kvalificirano i ovlašteno osoblje. Također, ovim problemima treba dodati i visoke troškove održavanja motora na vodik, a da ne govorimo o vrlo ograničenom broju benzinskih postaja (barem kod nas).

Ne zaboravite da instalacija vodika povećava težinu automobila, zbog čega možda neće biti pokretljiv koliko biste željeli. Stoga, uzimajući u obzir sve navedeno, dobro razmislite isplati li se nabaviti vozilo na vodik ili je bolje od toga zasad odustati.

Međutim, mora se reći da postoje mnoge prednosti u takvom rješenju. Prvo, vaš automobil neće zagađivati okoliš otrovni ispušni plinovi, Drugo Masovna proizvodnja vodika mogla bi pomoći u rješavanju problema naglih promjena cijena goriva i nestašice opskrbe uobičajene vrste tekućine za gorivo.

Osim toga, mnoge su zemlje već izgradile mreže cjevovoda za metan i lako se mogu prilagoditi za pumpanje vodika i njegovu isporuku na benzinske postaje. Vodik se može proizvoditi kako u malom opsegu, to jest na lokalnoj razini, tako i masovno, u velikim, centraliziranim poduzećima. Povećana proizvodnja vodika dodatno će potaknuti povećanje opskrbe ovom tvari za kućanske potrebe (primjerice za grijanje domova i ureda).

Opis:

Vodikove gorivne ćelije pretvaraju kemijsku energiju goriva u električnu, zaobilazeći neučinkovite procese izgaranja i pretvaranja toplinske energije u mehaničku energiju, koji uključuju velike gubitke. Vodikova goriva ćelija je elektrokemijski Uređaj izravno proizvodi električnu energiju kao rezultat visoko učinkovitog "hladnog" izgaranja goriva. Gorivna ćelija s protonskom izmjenom membrane vodik-zrak (PEMFC) jedna je od tehnologija goriva koje najviše obećavaju elementi.

Polimerna membrana koja vodi proton odvaja dvije elektrode - anodu i katodu. Svaka elektroda je karbonska ploča (matrica) obložena katalizatorom. Na anodnom katalizatoru molekularni vodik disocira i otpušta elektrone. Vodikovi kationi se provode kroz membranu do katode, ali elektroni se daju u vanjski krug, budući da membrana ne dopušta prolazak elektrona.

Na katodnom katalizatoru, molekula kisika spaja se s elektronom (koji se dovodi iz strujni krug) i nadolazećeg protona i stvara vodu, koja je jedini produkt reakcije (u obliku pare i/ili tekućine).

Membransko-elektrodne jedinice, koje su ključni generatorski element energetskog sustava, izrađene su od vodikovih gorivih ćelija.

Prednosti vodikovih gorivih ćelija u usporedbi s tradicionalnim rješenjima:

– povećani specifični energetski intenzitet (500 ÷ 1000 Wh/kg),

– prošireni raspon radne temperature (-40 0 C / +40 0 C),

– odsustvo toplinske točke, buke i vibracija,

– pouzdanost pri hladnom startu,

– praktički neograničeno razdoblje skladištenja energije (bez samopražnjenja),

– mogućnost promjene energetskog intenziteta sustava promjenom broja uložaka goriva, što omogućuje gotovo neograničenu autonomiju,

– mogućnost pružanja gotovo bilo kojeg razumnog energetskog intenziteta sustava promjenom kapaciteta spremnika vodika,

– visok energetski intenzitet,

– otpornost na nečistoće u vodiku,

– dugo doživotno,

– ekološka prihvatljivost i tih rad.

Primjena:

– sustavi napajanja za UAV-ove,

– prijenosni punjači,

– neprekidni izvori napajanja,

– Drugi uređaji.

Ekologija znanja Znanost i tehnologija: Vodikova energija jedna je od najučinkovitijih industrija, a gorivne ćelije joj omogućuju da ostane na čelu inovativnih tehnologija.

Gorivna ćelija je uređaj koji učinkovito proizvodi D.C. i toplina iz goriva bogatog vodikom kroz elektrokemijsku reakciju.

Goriva ćelija slična je bateriji po tome što proizvodi istosmjernu struju putem kemijske reakcije. Opet, poput baterije, goriva ćelija uključuje anodu, katodu i elektrolit. Međutim, za razliku od baterija, gorivne ćelije ne mogu pohranjivati električna energija, ne prazne se i ne zahtijevaju električnu energiju za ponovno punjenje. Gorivne ćelije mogu kontinuirano proizvoditi električnu energiju sve dok imaju opskrbu gorivom i zrakom. Ispravan izraz za opisivanje funkcionalne gorive ćelije je sustav ćelija, budući da zahtijeva neke pomoćne sustave kako bi pravilno funkcionirao.

Za razliku od drugih generatora energije, kao što su motori s unutarnjim izgaranjem ili turbine na plin, ugljen, loživo ulje itd., gorivne ćelije ne izgaraju gorivo. To znači da nema bučnih rotora visokotlačni, glasna buka ispuha, vibracije. Gorivne ćelije proizvode električnu energiju putem tihe elektrokemijske reakcije. Još jedna značajka gorivih ćelija je da pretvaraju kemijsku energiju goriva izravno u električnu energiju, toplinu i vodu.

Gorivne ćelije su vrlo učinkovite i ne proizvode velike količine stakleničkih plinova kao što su ugljični dioksid, metan i dušikov oksid. Jedine emisije iz gorivih ćelija su voda u obliku pare i mala količina ugljičnog dioksida, koji se uopće ne oslobađa ako se kao gorivo koristi čisti vodik. Gorivne ćelije se sklapaju u sklopove, a zatim u pojedinačne funkcionalne module.

Princip rada gorivih ćelija

Gorivne ćelije proizvode električnu energiju i toplinu putem elektrokemijske reakcije pomoću elektrolita, katode i anode.

Anoda i katoda odvojene su elektrolitom koji provodi protone. Nakon što vodik doteče do anode, a kisik do katode, počinje kemijska reakcija uslijed koje nastaju električna struja, toplina i voda. Na anodnom katalizatoru molekularni vodik disocira i gubi elektrone. Ioni vodika (protoni) provode se kroz elektrolit do katode, dok elektroni prolaze kroz elektrolit i putuju kroz vanjski električni krug, stvarajući istosmjernu struju koja se može koristiti za napajanje opreme. Na katodnom katalizatoru, molekula kisika spaja se s elektronom (koji se dovodi iz vanjskih komunikacija) i nadolazećim protonom, te tvori vodu, koja je jedini proizvod reakcije (u obliku pare i/ili tekućine).

Ispod je odgovarajuća reakcija:

Reakcija na anodi: 2H2 => 4H+ + 4e-
Reakcija na katodi: O2 + 4H+ + 4e- => 2H2O
Opća reakcija elementa: 2H2 + O2 => 2H2O

Vrste gorivih ćelija

Kao postojanje različite vrste kod motora s unutarnjim izgaranjem postoje različite vrste gorivih ćelija - izbor odgovarajuće vrste gorivih ćelija ovisi o njihovoj primjeni.Gorivne ćelije dijele se na visokotemperaturne i niskotemperaturne. Niskotemperaturne gorive ćelije zahtijevaju relativno čisti vodik kao gorivo.

To često znači da je potrebna obrada goriva za pretvaranje primarnog goriva (kao što je prirodni plin) u čisti vodik. Ovaj proces troši dodatnu energiju i zahtijeva posebnu opremu. Visokotemperaturne gorive ćelije ne trebaju ovaj dodatni postupak jer mogu "interno pretvoriti" gorivo na povišenim temperaturama, što znači da nema potrebe za ulaganjem u vodikovu infrastrukturu.

Rastaljene karbonatne gorive ćelije (MCFC).

Gorive ćelije s rastaljenim karbonatnim elektrolitom su visokotemperaturne gorive ćelije. Visoka radna temperatura omogućuje izravnu upotrebu prirodnog plina bez procesora goriva i gorivog plina niske kalorijske vrijednosti iz industrijskih procesa i drugih izvora. Ovaj proces razvijen je sredinom 1960-ih. Od tada su proizvodna tehnologija, performanse i pouzdanost poboljšani.

Rad RCFC-a razlikuje se od ostalih gorivih ćelija. Ove ćelije koriste elektrolit napravljen od mješavine rastaljenih karbonatnih soli. Trenutno se koriste dvije vrste smjesa: litijev karbonat i kalijev karbonat ili litijev karbonat i natrijev karbonat. Za topljenje karbonatnih soli i postizanje visokog stupnja pokretljivosti iona u elektrolitu, gorivne ćelije s rastaljenim karbonatnim elektrolitom rade na visokim temperaturama (650°C). Učinkovitost varira između 60-80%.

Kada se zagriju na temperaturu od 650°C, soli postaju vodič za karbonatne ione (CO32-). Ti ioni prelaze s katode na anodu, gdje se spajaju s vodikom u vodu, ugljični dioksid i slobodne elektrone. Ti se elektroni šalju kroz vanjski električni krug natrag na katodu, 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 gorivih ćelija s rastaljenim karbonatnim elektrolitom imaju određene prednosti. Na visokim temperaturama prirodni plin se interno reformira, čime se eliminira potreba za procesorom goriva. Osim toga, prednosti uključuju mogućnost korištenja standardnih građevinskih materijala kao što su limovi od nehrđajućeg čelika i katalizator od nikla na elektrodama. Otpadna toplina može se koristiti za stvaranje pare pod visokim pritiskom za razne industrijske i komercijalne svrhe.

Visoke reakcijske temperature u elektrolitu također imaju svoje prednosti. Korištenje visokih temperatura zahtijeva značajno vrijeme za postizanje optimalnih radnih uvjeta, a sustav sporije reagira na promjene u potrošnji energije. Ove karakteristike dopuštaju korištenje instalacija gorivih ćelija s rastaljenim karbonatnim elektrolitom u uvjetima konstantne snage. Visoke temperature sprječavaju oštećenje gorive ćelije ugljičnim monoksidom, "trovanjem" itd.

Gorivne ćelije s rastaljenim karbonatnim elektrolitom prikladne su za korištenje u velikim stacionarnim instalacijama. Komercijalno se proizvode termoelektrane s električnom izlaznom snagom od 2,8 MW. Razvijaju se postrojenja izlazne snage do 100 MW.

Gorivne ćelije s fosfornom kiselinom (PAFC).

Gorivne ćelije s fosfornom (ortofosfornom) kiselinom bile su prve gorivne ćelije za komercijalnu upotrebu. Proces je razvijen sredinom 1960-ih, a testiran je od 1970-ih. Od tada su stabilnost i performanse povećane, a cijena smanjena.

Gorivne ćelije fosforne (ortofosforne) kiseline koriste elektrolit na bazi ortofosforne kiseline (H3PO4) u koncentracijama do 100%. Ionska vodljivost ortofosforne kiseline niska je pri niske temperature, zbog toga se ove gorive ćelije koriste na temperaturama do 150–220°C.

Nosač naboja u gorivim ćelijama ove vrste je vodik (H+, proton). Sličan proces događa se u gorivim ćelijama s membranom za izmjenu protona (PEMFC), u kojima se vodik koji se dovodi na anodu dijeli na protone i elektrone. Protoni putuju kroz elektrolit i spajaju se s kisikom iz zraka na katodi stvarajući vodu. Elektroni se šalju kroz vanjski električni krug, stvarajući tako električnu struju. Ispod su reakcije koje stvaraju električnu struju i toplinu.

Reakcija na anodi: 2H2 => 4H+ + 4e-
Reakcija na katodi: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O
Opća reakcija elementa: 2H2 + O2 => 2H2O

Učinkovitost gorivih ćelija na bazi fosforne (ortofosforne) kiseline je veća od 40% pri proizvodnji električne energije. Uz kombiniranu proizvodnju toplinske i električne energije, ukupna učinkovitost je oko 85%. Osim toga, s obzirom na radne temperature, otpadna toplina može se koristiti za zagrijavanje vode i stvaranje pare pod atmosferskim tlakom.

Visoki učinak termoelektrana koje koriste gorivne ćelije na bazi fosforne (ortofosforne) kiseline u kombiniranoj proizvodnji toplinske i električne energije jedna je od prednosti ove vrste gorivih ćelija. Jedinice koriste ugljični monoksid s koncentracijom od oko 1,5%, što značajno proširuje izbor goriva. Osim toga, CO2 ne utječe na elektrolit i rad gorive ćelije; ova vrsta ćelije radi s reformiranim prirodnim gorivom. Jednostavan dizajn, nizak stupanj isparljivosti elektrolita i povećana stabilnost također su prednosti ove vrste gorivnih ćelija.

Komercijalno se proizvode termoelektrane s električnom izlaznom snagom do 400 kW. Instalacije od 11 MW prošle su odgovarajuće testove. Razvijaju se postrojenja izlazne snage do 100 MW.

Gorivne ćelije s membranom za izmjenu protona (PEMFC)

Gorive ćelije s membranom za izmjenu protona smatraju se najboljim tipom gorivih ćelija za proizvodnju snage vozila, koje mogu zamijeniti benzinske i dizel motore s unutarnjim izgaranjem. Ove gorivne ćelije prvi put je upotrijebila NASA za program Gemini. Danas se razvijaju i demonstriraju MOPFC instalacije snage od 1 W do 2 kW.

Ove gorive ćelije koriste čvrstu polimernu membranu (tanak sloj plastike) kao elektrolit. Kada je zasićen vodom, ovaj polimer propušta protone, ali ne provodi elektrone.

Gorivo je vodik, a nositelj naboja je vodikov ion (proton). Na anodi se molekula vodika cijepa na vodikov ion (proton) i elektrone. Ioni vodika prolaze kroz elektrolit do katode, a elektroni se kreću po vanjskom krugu i proizvode električnu energiju. Kisik, koji se uzima iz zraka, dovodi se do katode i spaja se s elektronima i vodikovim ionima u vodu. Na elektrodama se događaju sljedeće reakcije:

Reakcija na anodi: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Reakcija na katodi: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Opća reakcija elementa: 2H2 + O2 => 2H2O

U usporedbi s drugim vrstama gorivih ćelija, gorivne ćelije s membranom za izmjenu protona proizvode više energije za određeni volumen ili težinu gorivih ćelija. Ova značajka im omogućuje da budu kompaktni i lagani. Osim toga, radna temperatura je niža od 100°C, što vam omogućuje brz početak rada. Ove karakteristike, kao i mogućnost brze promjene izlazne energije, samo su neke od značajki koje ove gorivne ćelije čine glavnim kandidatima za upotrebu u vozilima.

Još jedna prednost je što je elektrolit krutina, a ne tekućina. Pomoću čvrstog elektrolita lakše je zadržati plinove na katodi i anodi, pa su takve gorivne ćelije jeftinije za proizvodnju. U usporedbi s drugim elektrolitima, kruti elektroliti ne predstavljaju probleme s orijentacijom, manje problema s korozijom, što rezultira dužim vijekom trajanja ćelije i njezinih komponenti.

Gorivne ćelije s čvrstim oksidom (SOFC)

Gorivne ćelije s krutim oksidom su gorive ćelije s najvišom radnom temperaturom. Radna temperatura može varirati od 600°C do 1000°C, što omogućuje korištenje različitih vrsta goriva bez posebne prethodne obrade. Za podnošenje tako visokih temperatura korišteni elektrolit je tanki čvrsti metalni oksid na keramičkoj bazi, često legura itrija i cirkonija, koji je vodič iona kisika (O2-). Tehnologija gorivih ćelija s čvrstim oksidom razvija se od kasnih 1950-ih. i ima dvije konfiguracije: ravnu i cjevastu.

Kruti elektrolit osigurava nepropusni prijelaz plina s jedne elektrode na drugu, dok se tekući elektroliti nalaze u poroznoj podlozi. Nositelj naboja u gorivim ćelijama ovog tipa je ion kisika (O2-). Na katodi se molekule kisika iz zraka razdvajaju na ion kisika i četiri elektrona. Ioni kisika prolaze kroz elektrolit i spajaju se s vodikom, stvarajući četiri slobodna elektrona. Elektroni se šalju kroz vanjski električni krug, generirajući električnu struju i otpadnu toplinu.

Reakcija na anodi: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e-
Reakcija na katodi: O2 + 4e- => 2O2-
Opća reakcija elementa: 2H2 + O2 => 2H2O

Učinkovitost proizvedene električne energije najveća je od svih gorivih ćelija - oko 60%. Osim toga, visoke radne temperature omogućuju kombiniranu proizvodnju toplinske i električne energije za stvaranje visokotlačne pare. Kombinacija visokotemperaturne gorivne ćelije s turbinom omogućuje stvaranje hibridne gorivne ćelije za povećanje učinkovitosti proizvodnje električne energije do 70%.

Gorivne ćelije s krutim oksidom rade na vrlo visokim temperaturama (600°C–1000°C), što rezultira značajnim vremenom za postizanje optimalnih radnih uvjeta i sporijom reakcijom sustava na promjene u potrošnji energije. Na tako visokim radnim temperaturama nije potreban pretvarač za regeneraciju vodika iz goriva, što omogućuje termoelektrani da radi s relativno nečistim gorivima koja su rezultat rasplinjavanja ugljena ili otpadnih plinova itd. Gorivne ćelije su također izvrsne za aplikacije velike snage, uključujući industrijske i velike centralne elektrane. Komercijalno se proizvode moduli s električnom izlaznom snagom od 100 kW.

Gorive ćelije izravne oksidacije metanola (DOMFC)

Tehnologija korištenja gorivih ćelija s izravnom oksidacijom metanola prolazi kroz razdoblje aktivnog razvoja. Uspješno se dokazao u području napajanja mobilnih telefona, prijenosnih računala, kao i za izradu prijenosnih izvora napajanja. To je ono na što je usmjerena buduća upotreba ovih elemenata.

Dizajn gorivih ćelija s izravnom oksidacijom metanola sličan je gorivim ćelijama s membranom za izmjenu protona (MEPFC), tj. Kao elektrolit se koristi polimer, a kao nositelj naboja vodikov ion (proton). Međutim, tekući metanol (CH3OH) oksidira u prisutnosti vode na anodi, oslobađajući CO2, ione vodika i elektrone, koji se šalju kroz vanjski električni krug, stvarajući tako električnu struju. Ioni vodika prolaze kroz elektrolit i reagiraju s kisikom iz zraka i elektronima koji dolaze iz njega vanjski krug, uz stvaranje vode na anodi.

Reakcija na anodi: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e-
Reakcija na katodi: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O
Opća reakcija elementa: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O

Razvoj ovih gorivih ćelija započeo je ranih 1990-ih. S razvojem poboljšanih katalizatora i drugim nedavnim inovacijama, gustoća snage i učinkovitost povećani su na 40%.

Ovi elementi su ispitani u temperaturnom rasponu od 50-120°C. Zbog niskih radnih temperatura i bez potrebe za pretvaračem, gorivne ćelije s izravnom oksidacijom metanola najbolji su kandidati za oba Mobiteli i druge robe široke potrošnje, kao iu automobilskim motorima. Prednost ove vrste gorivih ćelija je njihova mala veličina, zbog korištenja tekućeg goriva, te nepostojanje potrebe za korištenjem pretvarača.

Alkalne gorivne ćelije (ALFC)

Alkalne gorivne ćelije (AFC) jedna su od najproučavanijih tehnologija, koja se koristi od sredine 1960-ih. od strane NASA-e u programima Apollo i Space Shuttle. U tim letjelicama gorivne ćelije proizvode električnu energiju i pitku vodu. Alkalne gorivne ćelije jedne su od najučinkovitijih ćelija koje se koriste za proizvodnju električne energije, s učinkovitošću proizvodnje električne energije koja doseže do 70%.

Alkalne gorivne ćelije koriste elektrolit, tj. vodena otopina kalijev hidroksid sadržan u poroznoj stabiliziranoj matrici. Koncentracija kalijevog hidroksida može varirati ovisno o radnoj temperaturi gorive ćelije, koja se kreće od 65°C do 220°C. Nositelj naboja u SHTE je hidroksilni ion (OH-), koji se kreće od katode do anode, gdje reagira s vodikom, proizvodeći vodu i elektrone. Voda proizvedena na anodi vraća se natrag na katodu, ponovno tamo stvarajući hidroksilne ione. Kao rezultat ovog niza reakcija koje se odvijaju u gorivnoj ćeliji, proizvodi se električna energija i, kao nusprodukt, toplina:

Reakcija na anodi: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Reakcija na katodi: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Opća reakcija sustava: 2H2 + O2 => 2H2O

Prednost SHTE je u tome što su te gorivne ćelije najjeftinije za proizvodnju, budući da katalizator koji je potreban na elektrodama može biti bilo koja od tvari koje su jeftinije od onih koje se koriste kao katalizatori za druge gorivne ćelije. Osim toga, SFC rade na relativno niskim temperaturama i među najučinkovitijim su gorivim ćelijama - takve karakteristike mogu posljedično doprinijeti bržoj proizvodnji energije i visokoj učinkovitosti goriva.

Jedna od karakterističnih značajki SHTE je njegova visoka osjetljivost na CO2, koji se može nalaziti u gorivu ili zraku. CO2 reagira s elektrolitom, brzo ga truje i uvelike smanjuje učinkovitost gorivne ćelije. Stoga je uporaba SHTE-a ograničena na zatvorene prostore, kao što su svemirska i podvodna vozila, ona moraju raditi na čisti vodik i kisik. Štoviše, molekule kao što su CO, H2O i CH4, koje su sigurne za druge gorive ćelije i čak djeluju kao gorivo za neke od njih, štetne su za SHFC.

Gorive ćelije s polimernim elektrolitom (PEFC)

U slučaju gorivih ćelija s polimernim elektrolitom, polimerna membrana sastoji se od polimernih vlakana s vodenim područjima u kojima se vodljivi ioni vode H2O+ (proton, crveno) vežu za molekulu vode. Molekule vode predstavljaju problem zbog spore izmjene iona. Stoga je potrebna visoka koncentracija vode iu gorivu i na izlaznim elektrodama, što ograničava radnu temperaturu na 100°C.

Gorivne ćelije na krutu kiselinu (SFC)

U gorivnim ćelijama s čvrstim kiselinama elektrolit (CsHSO4) ne sadrži vodu. Radna temperatura je dakle 100-300°C. Rotacija SO42 oksi aniona omogućuje protonima (crveno) da se kreću kao što je prikazano na slici.

Obično je gorivna ćelija s čvrstom kiselinom sendvič u kojem je vrlo tanak sloj spoja s čvrstom kiselinom umetnut između dvije elektrode koje su čvrsto stisnute jedna uz drugu kako bi se osigurao dobar kontakt. Kada se zagrijava, organska komponenta isparava, izlazeći kroz pore u elektrodama, održavajući sposobnost višestrukih kontakata između goriva (ili kisika na drugom kraju elemenata), elektrolita i elektroda. objavljeno

Vrsta gorive ćelije	Radna temperatura	Učinkovitost proizvodnje električne energije	Vrsta goriva	Područje primjene
RKTE	550-700°C	50-70%		Srednje i velike instalacije
FCTE	100-220°C	35-40%	Čisti vodik	Velike instalacije
MOPTE	30-100°C	35-50%	Čisti vodik	Male instalacije
SOFC	450-1000°C	45-70%	Većina ugljikovodičnih goriva	Male, srednje i velike instalacije
PEMFC	20-90°C	20-30%	Metanol	Prijenosne jedinice
SHTE	50-200°C	40-65%	Čisti vodik	Svemirska istraživanja
PETE	30-100°C	35-50%	Čisti vodik	Male instalacije

Pridružite nam se

Tekst rada je objavljen bez slika i formula.
Puna verzija Rad je dostupan u kartici "Radne datoteke" u PDF formatu

Uvod

Sve veće potrebe za potrošnjom energije zahtijevaju potragu za njezinim perspektivnim izvorima. U rješavanju ovoga Problemi Trenutačni izvori zvani gorivne ćelije mogu igrati važnu ulogu.

Svrha ovog projekta- nakon upoznavanja s principima rada gorivih ćelija izraditi radni model ove vrste izvora električne energije. Radni zadatak: proučena teorijska građa o osnovama funkcioniranja gorivih ćelija i upoznavanje postojeće vrste ovih izvora struje, proizvesti radni originalni model elementa. Ovaj izvor struje odabran je jer izravno pretvara energiju goriva u električnu energiju bez upotrebe raznih međuuređaja.

Hipoteza - sposobnost samostalnog razvoja i izrade originalnog modela gorivne ćelije. Predmet proučavanja: izvori struje - gorive ćelije. Predmet proučavanja- tehničke i električne karakteristike ovih izvora struje. Metode istraživanja- proučavanje potrebnog teorijskog materijala, izvođenje eksperimenata za izradu vlastite operativne gorive ćelije za vodikovo-kisikovu gorivnu ćeliju s alkalnim elektrolitom i ispitivanje rada dobivenog izvora struje. Praktični značaj i relevantnost projekti su nedvojbeni Gorivne ćelije su vrlo zanimljive i obećavajuće zbog činjenice da pretvaraju kemijsku energiju goriva izravno u električnu energiju, toplinu i vodu. Stoga su vrlo učinkoviti, tihi, ne zagađuju i stoga imaju prednosti za okoliš.

Novost projekt: stvaranje vlastite učinkovite gorivne ćelije za vodikovo-kisikovu gorivu ćeliju s alkalnim elektrolitom (autor je koristio mikrokanalnu ploču kao membranu za izmjenu protona, a igličaste monokristale molibden oksida dopirane zlatom kao bez platine katalizator).

2. Teorijski dio.

2.1. Gorive ćelije

Goriva ćelija - uređaj koji elektrokemijskom reakcijom učinkovito proizvodi istosmjernu struju i toplinu iz goriva bogatog vodikom.

Gorivna ćelija (FC) slična je bateriji po tome što proizvodi istosmjernu struju putem kemijske reakcije. Kao i baterija, ima anodu, katodu i elektrolit. Međutim, za razliku od baterija, gorivne ćelije ne mogu pohranjivati električnu energiju i ne prazne niti zahtijevaju električnu energiju za ponovno punjenje. Gorivne ćelije mogu kontinuirano proizvoditi električnu energiju sve dok imaju opskrbu gorivom i zrakom.

Unatoč činjenici da su se prve gorivne ćelije pojavile prije više od 100 godina, još uvijek nije bilo moguće stvoriti “idealnu” gorivu ćeliju. Trenutačno postojeće gorive ćelije izgrađene su prema razne sheme, rade na temperaturama od sobne temperature do nekoliko stotina stupnjeva, koriste tekuće ili plinovito gorivo. Ono što im je zajedničko je da se i gorivo i oksidans dobavljaju iz vanjskih spremnika. Stoga je količina električne energije koju gorivna ćelija može proizvesti ograničena samo kapacitetom tih vanjskih skladišnih objekata. Njihov kapacitet može biti gotovo beskrajan.

Prednosti. Za razliku od tradicionalnih naponskih ćelija ili baterija, u kojima su gorivo i oksidans pohranjeni unutar kućišta i ne mogu se zamijeniti ili dodati kako se troše, neke vrste gorivih ćelija mogu se koristiti odmah nakon što se dovedu gorivo i oksidans (druge vrste zahtijevaju preliminarni postupak pokretanja). Upotreba gorivih ćelija tekuće gorivo, imaju znatno više visoka efikasnost u usporedbi s tradicionalnim motorima koji rade na isto gorivo i spojeni su na električni generator. Gorivna ćelija pretvara reakciju oksidacije goriva izravno u električnu energiju bez posrednih uređaja.

Mane. To uključuje visoku cijenu katalizatora od platine, koji su obvezni sastavni dio mnoge vrste gorivih ćelija. Mogućnost nepovratnog "trovanja" takvog katalizatora u slučaju korištenja goriva s kontaminantima. I kao posljedica toga, ili potpuna neoperabilnost gorivne ćelije, ili gubitak snage uz istodobno pogoršanje učinkovitosti. Također postoji problem sigurnog skladištenja velikih količina vodika u slučaju vodikovo-kisikovih gorivnih ćelija. Sljedeći nedostatak je nemogućnost gorivih ćelija da osiguraju kratkoročne vršne snage. (Morate dodatno instalirati baterije tradicionalnog dizajna).

Trenutno se traga za učinkovitim katalizatorima bez platine i membranama za izmjenu protona, kao i za optimizacijom dizajna elektroda i poboljšanjem metoda skladištenja goriva u slučaju korištenja gorivih ćelija za vozila.

2. 2. Vrste gorivih ćelija

Pogledajmo neke vrste gorivih ćelija. Za razliku od drugih generatora energije, kao što su motori s unutarnjim izgaranjem ili turbine na plin, ugljen, loživo ulje itd., gorivne ćelije ne izgaraju gorivo. To znači da nema bučnih visokotlačnih rotora, nema glasne buke ispušnih plinova, nema vibracija. Gorivne ćelije proizvode električnu energiju izravno putem tihe elektrokemijske reakcije. Jedini produkti emisije tijekom rada su voda u obliku pare i mala količina ugljičnog dioksida, koji se uopće ne oslobađa ako se kao gorivo koristi čisti vodik. FC se sastavljaju u sklopove, a zatim u zasebne funkcionalne module. Postoji nekoliko različitih vrsta gorivih ćelija, od kojih svaka koristi različite kemijske procese. Gorivne ćelije obično se klasificiraju prema njihovoj Radna temperatura I vrsta elektrolita koje koriste. Neke vrste gorivih ćelija prikladne su za korištenje u stacionarnim elektranama, druge za male prijenosne uređaje ili za pogon automobila itd.

Gorivne ćelije dijele se na visokotemperaturne i niskotemperaturne.

Niskotemperaturne gorive ćelije zahtijevaju relativno čisti vodik kao gorivo. To često znači da je potrebna obrada goriva za pretvaranje primarnog goriva (kao što je prirodni plin) u čisti vodik. Ovaj proces troši dodatnu energiju i zahtijeva posebnu opremu.

Visokotemperaturne gorive ćelije ne trebaju ovaj dodatni postupak jer mogu provesti "unutarnju konverziju" goriva na povišenim temperaturama, što znači da nema potrebe za ulaganjem u vodikovu infrastrukturu .

2.2.1. Goriva ćelija s membranom za izmjenu polimera

Gorivna ćelija s membranom za izmjenu polimera (PEMFC) jedna je od obećavajućih tehnologija gorivih ćelija. Sastoji se:

1. Anoda- negativni terminal gorive ćelije. On provodi elektrone, koji se oslobađaju iz molekula vodika, nakon čega se elektroni koriste u vanjskom krugu. Ima ugravirane kanale kroz koje se plin vodik ravnomjerno raspoređuje po površini katalizatora.

2.Katoda- pozitivni terminal gorive ćelije, također ima kanale za distribuciju kisika po površini katalizatora. Također vodi elektrone natrag iz vanjskog kruga katalizatora, gdje se mogu spojiti s ionima vodika i kisika u vodu.

3.Elektrolit - membrana za izmjenu protona. Ovo je posebno obrađen materijal koji provodi samo pozitivno nabijene ione i blokira elektrone. S PEMFC-om, membrana mora biti hidratizirana kako bi pravilno funkcionirala i ostala stabilna.

4. Katalizator je poseban materijal koji potiče reakciju kisika i vodika. Obično se izrađuje od nanočestica platine nanesenih na karbonski papir ili tkaninu. Katalizator ima površinsku strukturu tako da najveća površina platine može biti izložena vodiku ili kisiku.

Reakcija u jednoj gorivnoj ćeliji proizvodi samo oko 0,7 V. Da bi se povećao napon, potrebno je kombinirati mnogo pojedinačnih gorivih ćelija.

2.2.2. Gorivna ćelija vodik-kisik

Ovo je kemijski izvor struje u kojem se aktivne tvari kontinuirano dovode izvana u zonu elektrokemijske reakcije. Riža. 1. Radi na normalnim ili blago povišenim temperaturama pomoću vodenih elektrolita. Elemente ovog tipa karakterizira prisutnost poroznih elektroda izrađenih od odgovarajućih elektrovodljivih materijala (ugljen, nikal, itd.), koji su djelomično impregnirani elektrolitom, ali zadržavaju propusnost plina. Na unutarnja površina pore u koje ulaze aktivni plinovi (vodik i kisik) javljaju se elektrodni procesi koji se sastoje u prijelazu adsorbiranih plinova u ionsko stanje i izvor su elektromotorna sila element.

Glavna prednost predložene vodikovo-kisikove gorive ćelije je da stupanj impregnacije elektroda stvoren na početku (tijekom proizvodnje elementa) ostaje gotovo konstantan, budući da ne dolazi do daljnje spontane impregnacije elektroda iz zgusnutog elektrolita. Ili se to događa samo u maloj mjeri, što određuje visoku stabilnost elektroda. Proizvod radi bez povećanog tlaka plina.

Hendikep elektroda koje rade bez povećanog tlaka plina je znatno manja gustoća struje koju takve elektrode mogu podnijeti.

Pogledajmo pobliže gorivnu ćeliju vodik-kisik s vodenim elektrolitom i poroznim elektrodama od nikla, ugljena ili drugog električno vodljivog materijala, koji rade bez upotrebe prekomjernog tlaka dovedenog plina (osobito zraka). TE se razlikuje po tome što se, kako bi se spriječilo postupno vlaženje elektroda, kao i povećala stabilnost i veličina struje pražnjenja, elektrolit koristi u zgusnutom stanju. Elektrodne ploče oba polariteta (ili jednog od njih - pretežno pozitivnog) sastoje se od velikog broja uskih tankih ploča koje se nalaze paralelno jedna s drugom i okomito na ravninu ploče elektrode. Odvojeni su na dijelove tankim poroznim brtvama natopljenim elektrolitom, a ostatak plinom (vodik za negativnu elektrodu i kisik ili zrak za pozitivnu elektrodu).

Kisik-vodikova ćelija s alkalnim elektrolitom jedna je od najperspektivnijih modernih gorivnih ćelija. Njegovo prednosti sastoje se u relativnoj jednostavnosti dizajna, visokom stupnju pouzdanosti, mogućnosti korištenja plinova bez posebnog pročišćavanja i pri niskom parcijalnom tlaku, uključujući upotrebu atmosferskog kisika. Osim toga, ovaj element zadržava prednosti najboljih gorivih ćelija drugih sustava: kontinuirani rad relativno dugo, odsutnost štetnih emisija, visoku iskoristivost aktivnih tvari, stabilnost napona.

2.2.3. Alkalne gorivne ćelije (ALFC)

Alkalne gorive ćelije koriste elektrolit, vodenu otopinu kalijevog hidroksida, sadržanu u poroznoj, stabiliziranoj matrici. Koncentracija kalijevog hidroksida može varirati ovisno o radnoj temperaturi gorive ćelije, koja se kreće od 65°C do 220°C. Nositelj naboja u SHTE je hidroksilni ion (OH -), koji se kreće od katode do anode, gdje reagira s vodikom, proizvodeći vodu i elektrone. Voda proizvedena na anodi vraća se natrag na katodu, ponovno tamo stvarajući hidroksilne ione. Kao rezultat ovog niza reakcija koje se odvijaju u gorivnoj ćeliji, proizvodi se električna energija i, kao nusprodukt, toplina:

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

Prednost SHTE je što su jeftiniji za proizvodnju, budući da je cijena njihovih katalizatora niža. Osim toga, SHFC rade na relativno niskim temperaturama i među najučinkovitijim su gorivim ćelijama.

Jedna od karakterističnih značajki SHTE je njegova visoka osjetljivost na CO 2 koji se može nalaziti u gorivu ili zraku. CO 2 reagira s elektrolitom, brzo ga truje i uvelike smanjuje učinkovitost gorivih ćelija. Stoga je uporaba SHTE-a ograničena na zatvorene prostore, kao što su svemirska i podvodna vozila, ona moraju raditi na čisti vodik i kisik. Štoviše, molekule kao što su CO, H 2 O i CH 4, koje su sigurne za druge gorive ćelije, a za neke od njih su čak i gorivo, štetne su za SHFC.

3. Eksperimentalni dio

Za provedbu pokusa odlučeno je izraditi radni model gorivne ćelije vodik-kisik s alkalnim elektrolitom (otopina KOH). Budući da su za rad takve ćelije potrebni plinovi vodik i kisik, bilo je potrebno izraditi i uređaj za njihovu kontinuiranu proizvodnju - elektrolizer. Zbog činjenice da se ćelija tijekom rada zagrijava, elektrolizer je dopunjen plinskim hladnjakom na bazi termoelektričnog hladnjaka na bazi Peltierovog elementa. Elektrolizator se također zagrijava na temperaturu od 35 - 40 °C.

3.1. Izrada gorive ćelije

Gorivna ćelija je troslojna sendvič struktura. Sa stranicama 8 x 8 cm i debljinom 7 mm. Osnova dizajna ploče izrađena je od prozirnog polikarbonata. Slika 2 prikazuje pogled na bočnu ploču. Vidljivi su spojevi za dovod plina, električni kontakt i vijci koji stežu konstrukciju u jedinstvenu cjelinu. Slika 3 prikazuje pogled na gorivu ćeliju s čeone površine.

U središnjem dijelu nalazi se okrugli prozor u koji je zalijepljena membrana za protonsku izmjenu. Kao membrana korištena je mikrokanalna ploča. Elektrolit, 5% otopina KOH, dobro se zadržava u membranskim kanalima zahvaljujući kapilarnim silama. Veliki broj Rupe mikronske veličine osiguravaju nesmetan transport protona kroz ploču koja je dielektrični izolator. Kemijski je inertan prema kaustičnom kalij KOH. Izgled Središnji dio s mikrokanalnom pločom prikazan je na slici 4.

Zalijepljeno sa strane gorive ćelije aluminijska folija, koji je električni kontakt za elektrode. Elektrode su diskovi izrađeni od karbonskog pusta. Karbonski filc zadovoljava osnovne zahtjeve za uspješan rad gorive ćelije, a to su visoka električna vodljivost, poroznost strukture za prolaz plina i površinski razvoj za učinkovit rad katalizatora, kao i kemijska inertnost u odnosu na KOH elektrolit. . Postoje dva bočna dijela. Izgled ploče prikazan je na slici 5.

Uzduž perimetra, goriva ćelija je sastavljena u jedan paket pomoću 9 vijaka. Bočni dijelovi imaju priključke za dovod i odvod plina.

3.2. Izrada elektrolizera za kontinuiranu proizvodnju vodika i kisika

Glavni dio elektrolizatora je staklena cijev u obliku slova U ispunjena 10% otopinom KOH. Vodik i kisik nastaju razgradnjom destilirane vode pod utjecajem električne struje. Elektrode se provlače kroz gornje gumene čepove umetnute u otvorena koljena cijevi. Vanjski pogled na potpuno sastavljen elektrolizator s gorivnom ćelijom spojenom na njega - sl. 6. Plinovi koji nastaju tijekom rada uklanjaju se kroz sustav crijeva spojenih na gornji dijelovi staklena cijev. Zbog činjenice da destilirana voda ima značajnu otpornost, a brzina njezine razgradnje bit će beznačajna, u vodu se dodaje lužina - kaustični kalij KOH. Otpor se naglo smanjuje, jakost struje se povećava i, kao posljedica toga, brzina razgradnje vode na vodik i kisik. Zbog kemijske otpornosti, elektrode uronjene u otopinu izrađene su od nikla.

Tijekom rada razina elektrolita opada zbog razgradnje vode i potrebno ju je dovesti do te razine dodavanjem novih količina vode. U ovom slučaju, lužina se ne konzumira. Za dopunjavanje razine vode bez pada tlaka u elektrolizeru, štrcaljka s vodom spojena je na jedan od gornjih gumenih čepova. U jednom satu rada elektrolizatora pri naponu od 14 V i jakosti struje od 2 A nastaje oko 120 cm 3 H 2 i 60 cm 3 O 2 . Brzina proizvodnje plina dovoljna je za izvođenje pokusa. Također, s obzirom na eksplozivnost smjese H 2 i O 2, brzina njihove proizvodnje je nedovoljna za stvaranje detonirajućeg plina u prostoriji. Vodik i kisik ulaze svaki kroz svoje vlastite vodove, spajajući se samo unutar gorive ćelije. Protok plinova može se usmjeriti izravno u gorivnu ćeliju ili pohraniti u štrcaljke volumena 60 cm 3 spojene na vodove. U ovom slučaju, protok plinova u ćeliju blokiran je valjkastim stezaljkama.

Svi glavni elementi elektrolizera montirani su na univerzalno postolje pomoću spojnica i stezaljki. Izvor struje je reguliran laboratorijski blok prehrana. Vodik i kisik proizvedeni tijekom procesa razgradnje prolaze kroz hladnjak pomoću Peltierovog elementa. Hladnjak je zapravo Peltierov element, na čijem je hladnom spoju ugrađena aluminijska ploča pomoću toplinski vodljive paste KPT-8 s bakrene cijevi za protok plinova. Protok plina je nizak. Zbog toga se plin ima vremena ohladiti na temperaturu od +10 °C na izlazu, pri temperaturi od +20 °C na ulazu. Vrući spoj se hladi radijatorom od bakrene ploče s prisilnim protokom zraka. Radijator je također fiksiran na topli spoj Peltierovog elementa pomoću paste koja provodi toplinu KPT-8. sl.7.

Dakle, plinovi su prethodno ohlađeni, što povećava njihovu gustoću i omogućuje korištenje ćelije bez poduzimanja mjera za njeno prisilno hlađenje. U procesu proizvodnje električne energije ćelija je podložna samozagrijavanju kao rezultat interakcije vodika s kisikom. Kada ćelija radi, proizvodi se električna energija i voda. Ovaj proces je u biti izgaranje vodika u atmosferi kisika. Stoga je zagrijavanje ćelije normalno. Potrošnja struje od 5 A zbroj je struje koju troše elektrolizer, Peltierov element i ventilator koji hladi vrući spoj Peltierovog elementa.

Kako bi se potvrdila izvedba gorive ćelije kada se kao katalizator koriste igličasti monokristali molibden oksida aktivirani zlatom, proveden je eksperiment sa ćelijom bez katalizatora. Svrha: mjerenje EMF ćelije. Nakon povezivanja sastavljene ćelije s elektrolizerom, držana je u protoku plina 15 minuta kako bi se osiguralo uklanjanje atmosferskih plinova s poroznih elektroda. Prije eksperimenta stanica je rastavljena. Membrana protonske izmjene navlažena je otopinom elektrolita - 5% otopinom KOH. Maksimalna dobivena EMF vrijednost: 15,5 mV. Oni. bez katalizatora, H 2 i O 2 međusobno djeluju, ali samo neznatno.

U sljedećem pokusu sloj katalizatora koji se sastoji od igličastih monokristala molibden oksida dopiranog zlatom nanesen je na krajeve karbonskih poroznih elektroda. Ćelija je u tu svrhu rastavljena. Katalizator je primijenjen na obje elektrode. Usitnjeni katalizator (slika 8) izliven je na površinu elektrode i ravnomjerno raspoređen. Bilo je to na dijelu elektrode koji je okrenut prema aluminijskom premazu. Ćelija je sastavljena i spojena na elektrolizator. Držali su je u struji plinova 15 minuta. Maksimalna EMF vrijednost u slučaju korištenja katalizatora: 600 mV. Oni. katalizator je značajno povećao količinu vodika i kisika koji međusobno reagiraju. (Najpoznatiji dizajni sličnih gorivih ćelija s alkalnim elektrolitom i katalizatorima na bazi platine imaju EMF nešto veći od 1V.)

4. Zaključak

Rezultati projekta: 1. Proučavao teorijska osnova funkcioniranje vodikovo-kisikovih gorivih ćelija s alkalnim elektrolitom. 2. Izrađen je radni rastavljivi model gorivne ćelije s membranom za protonsku izmjenu izrađenom od mikrokanalne ploče i karbonskih poroznih elektroda. 3. Proizveden je elektrolizer za proizvodnju vodika i kisika. 4. Proveden je eksperiment o učinkovitoj upotrebi igličastih monokristala MoO 3 dopiranih zlatom kao katalizatora bez platine.

5. Književnost

1. “Yusti E., Vinzel A. Gorivi elementi. - M.: Mir, 1964. - 305 str.

2 http vezdehod-strannik.ru

3. http://att-vesti.neva.ru/J33-2.HTM

4. V.N. Varypaev, M.A. Dasoyan. Kemijski izvori struje: - M.: Mir, 1990. - 240 c.

5. https://postnauka.ru/faq/59642#!

6. Prijave

Riža. 1 - Procesi koji se odvijaju tijekom rada gorive ćelije

Riža. 2 - Gorivna ćelija. Riža. 3 - Pogled s čeone površine

Riža. 4 - Središnji dio s membranom Sl. 5 - Bočni poklopac.

Riža. 7 - Termoelektrični hladnjak na bazi Peltierovog elementa

Riža. 8 a - Katalizator (molibden oksid MoO 3 ) povećanje 400 puta; b - slika na mikroskopu atomske sile (Centar za kolektivnu upotrebu, Državno sveučilište Sjeverne Osetije)

Nećete više nikoga iznenaditi solarni paneli, niti vjetroturbine, koje proizvode električnu energiju u svim regijama svijeta. No učinak ovih uređaja nije konstantan te je potrebno ugraditi rezervne izvore napajanja ili se spojiti na mrežu za dobivanje električne energije u razdoblju kada obnovljivi izvori energije ne proizvode električnu energiju. Međutim, postoje postrojenja razvijena u 19. stoljeću koja koriste "alternativna" goriva za proizvodnju električne energije, tj. ne sagorijevaju plin ili naftne derivate. Takve instalacije su gorive ćelije.

POVIJEST STVARANJA

Gorivne ćelije (FC) ili gorive ćelije otkrio je davne 1838.-1839. William Grove (Grove, Grove), kada je proučavao elektrolizu vode.

Pomoć: Elektroliza vode je proces razgradnje vode pod utjecajem električne struje na molekule vodika i kisika

Nakon što je odvojio bateriju od elektrolitičke ćelije, iznenadio se kad je otkrio da su elektrode počele apsorbirati oslobođeni plin i stvarati struju. Otkriće procesa elektrokemijskog "hladnog" izgaranja vodika bio je značajan događaj u energetskoj industriji. Kasnije je stvorio bateriju Grove. Ovaj uređaj je imao platinsku elektrodu uronjenu u dušičnu kiselinu i cinkovu elektrodu u cinkov sulfat. Generirao je struju od 12 ampera i napon od 8 volti. Grow je sam nazvao ovaj dizajn "mokra baterija". Zatim je napravio bateriju koristeći dvije platinaste elektrode. Jedan kraj svake elektrode bio je u sumpornoj kiselini, a drugi su krajevi bili zatvoreni u spremnicima s vodikom i kisikom. Postojala je stabilna struja između elektroda, a količina vode u posudama se povećala. Grow je uspio razgraditi i poboljšati vodu u ovom uređaju.

"Rast baterije"

(izvor: Kraljevsko društvo Nacionalnog prirodoslovnog muzeja)

Pojam “goriva ćelija” (engleski “Fuel Cell”) pojavio se tek 1889. L. Mond i
C. Langer, koji je pokušao stvoriti uređaj za proizvodnju električne energije iz zraka i ugljenog plina.

KAKO RADI?

Gorivna ćelija je relativno jednostavan uređaj.. Ima dvije elektrode: anodu (negativna elektroda) i katodu (pozitivna elektroda). Na elektrodama dolazi do kemijske reakcije. Kako bi se ubrzao, površina elektroda je obložena katalizatorom. FC-ovi su opremljeni s još jednim elementom - membrana. Pretvorba kemijske energije goriva izravno u električnu energiju događa se zahvaljujući radu membrane. Odvaja dvije komore elementa u koje se dovodi gorivo i oksidans. Membrana dopušta samo protonima, koji nastaju kao rezultat cijepanja goriva, da prijeđu iz jedne komore u drugu na elektrodi obloženoj katalizatorom (elektroni tada putuju kroz vanjski krug). U drugoj komori, protoni se spajaju s elektronima (i atomima kisika) u vodu.

Princip rada vodikove gorive ćelije

Na kemijskoj razini, proces pretvaranja energije goriva u električnu energiju sličan je konvencionalnom procesu izgaranja (oksidacija).

Pri normalnom izgaranju u kisiku dolazi do oksidacije organskog goriva, a kemijska energija goriva pretvara se u toplinsku energiju. Pogledajmo što se događa tijekom oksidacije vodika s kisikom u okruženju elektrolita iu prisutnosti elektroda.

Dovodom vodika na elektrodu koja se nalazi u alkalnom okruženju dolazi do kemijske reakcije:

2H 2 + 4OH - → 4H 2 O + 4e -

Kao što vidite, dobivamo elektrone koji prolazeći kroz vanjski krug dolaze do suprotne elektrode, na koju teče kisik i gdje se odvija reakcija:

4e- + O 2 + 2H 2 O → 4OH -

Može se vidjeti da je rezultirajuća reakcija 2H 2 + O 2 → H 2 O ista kao tijekom normalnog izgaranja, ali Gorivna ćelija proizvodi električnu struju i nešto topline.

VRSTE GORIVNIH ĆELIJA

Uobičajeno je klasificirati gorive ćelije prema vrsti elektrolita koji se koristi za reakciju:

Imajte na umu da gorive ćelije također mogu koristiti ugljen, ugljični monoksid, alkohole, hidrazin i druge organske tvari kao gorivo, a zrak, vodikov peroksid, klor, brom, dušičnu kiselinu itd. kao oksidacijska sredstva.

UČINKOVITOST GORIVNIH ĆELIJA

Značajka gorivih ćelija je nema strogih ograničenja učinkovitosti, poput toplinskih motora.

Pomoć: UčinkovitostCarnotov ciklus je najveća moguća učinkovitost među svim toplinskim strojevima s istim minimalnim i maksimalnim temperaturama.

Stoga učinkovitost gorivih ćelija u teoriji može biti veća od 100%. Mnogi su se nasmiješili i pomislili: "Vječni stroj je izumljen." Ne, ovdje bismo se trebali vratiti na školski tečaj kemije. Gorivna ćelija temelji se na pretvorbi kemijske energije u električnu. Ovdje se događaju čuda. Određene kemijske reakcije dok se događaju mogu apsorbirati toplinu iz okoline.

Pomoć: Endotermne reakcije su kemijske reakcije praćene apsorpcijom topline. Za endotermne reakcije, promjene entalpije i unutarnje energije imaju pozitivne vrijednosti (Δ H >0, Δ U >0), stoga produkti reakcije sadrže više energije od polaznih komponenti.

Primjer takve reakcije je oksidacija vodika, koja se koristi u većini gorivih ćelija. Stoga, teoretski, učinkovitost može biti veća od 100%. Ali danas se gorivne ćelije tijekom rada zagrijavaju i ne mogu apsorbirati toplinu iz okoline.

Pomoć: Ovo ograničenje nameće drugi zakon termodinamike. Proces prijenosa topline s "hladnog" tijela na "vruće" nije moguć.

Osim toga, postoje gubici povezani s neravnotežnim procesima. Kao što su: omski gubici zbog specifične vodljivosti elektrolita i elektroda, aktivacijska i koncentracijska polarizacija, difuzijski gubici. Zbog toga se dio energije proizvedene u gorivim ćelijama pretvara u toplinu. Dakle, gorivne ćelije nisu perpetum mobile i njihova je učinkovitost manja od 100%. Ali njihova je učinkovitost veća od učinkovitosti drugih strojeva. Danas Učinkovitost gorivih ćelija doseže 80%.

Referenca:Četrdesetih godina engleski inženjer T. Bacon konstruirao je i izradio bateriju gorivih ćelija ukupne snage 6 kW i učinkovitosti od 80%, koja radi na čisti vodik i kisik, ali je omjer snage i mase baterije pokazalo se premalim - takvi elementi nisu bili prikladni za praktična aplikacija i preskupo (izvor: http://www.powerinfo.ru/).

PROBLEMI GORIVNIH ĆELIJA

Gotovo sve gorivne ćelije koriste vodik kao gorivo, pa se postavlja logično pitanje: "Gdje ga mogu nabaviti?"

Čini se da je gorivna ćelija otkrivena kao rezultat elektrolize, pa je moguće iskoristiti vodik koji se oslobađa kao rezultat elektrolize. Ali pogledajmo ovaj proces detaljnije.

Prema Faradayevom zakonu: količina tvari koja se oksidira na anodi ili reducira na katodi proporcionalna je količini elektriciteta koji prolazi kroz elektrolit. To znači da je za dobivanje više vodika potrebno potrošiti više električne energije. Postojeće metode elektrolize vode rade s učinkovitošću manjom od jedan. Zatim dobiveni vodik koristimo u gorivim ćelijama, gdje je učinkovitost također manja od jedinice. Stoga ćemo potrošiti više energije nego što možemo proizvesti.

Naravno, možete koristiti vodik proizveden iz prirodnog plina. Ovaj način proizvodnje vodika ostaje najjeftiniji i najpopularniji. Trenutno oko 50% vodika proizvedenog u svijetu dolazi iz prirodnog plina. Ali postoji problem sa skladištenjem i transportom vodika. Vodik ima malu gustoću ( jedna litra vodika teži 0,0846 g), tako da se za transport na velike udaljenosti mora komprimirati. A to su dodatni energetski i novčani troškovi. Također, ne zaboravite na sigurnost.

No, i tu postoji rješenje - kao izvor vodika može se koristiti tekuće ugljikovodikovo gorivo. 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 smjesu plinovitog H 2 i CO 2. Ali u ovom slučaju, već je teže razmišljati o prenosivosti - takvi uređaji su dobri za upotrebu kao stacionarni ili automobilski generatori, ali za kompaktnu mobilnu opremu trebate nešto manje glomazno.

Katalizator

Kako bi se pojačala reakcija u gorivnoj ćeliji, površina anode obično se tretira katalizatorom. Donedavno se kao katalizator koristila platina. Stoga je trošak gorive ćelije bio visok. Drugo, platina je relativno rijedak metal. Prema riječima stručnjaka, kada industrijska proizvodnja gorivih ćelija, dokazane zalihe platine ponestat će za 15-20 godina. Ali znanstvenici diljem svijeta pokušavaju platinu zamijeniti drugim materijalima. Inače, neki od njih postigli su dobre rezultate. Tako su kineski znanstvenici platinu zamijenili kalcijevim oksidom (izvor: www.cheburek.net).

KORIŠTENJE GORIVNIH ĆELIJA

Prva goriva ćelija u automobilskoj tehnologiji testirana je 1959. Traktor Alice-Chambers za rad je koristio 1008 baterija. Gorivo je bila mješavina plinova, uglavnom propana i kisika.

Izvor: http://www.planetseed.com/

Od sredine 60-ih, na vrhuncu "svemirske utrke", kreatori svemirskih letjelica zainteresirali su se za gorive ćelije. Rad tisuća znanstvenika i inženjera omogućio nam je da dosegnemo novu razinu, a 1965. gorivne ćelije testirane su u SAD-u svemirski brod Gemini 5, a kasnije i na letjelici Apollo za letove na Mjesec te programu Shuttle. U SSSR-u su gorivne ćelije razvijene u NPO Kvant, također za korištenje u svemiru (izvor: http://www.powerinfo.ru/).

Budući da je u gorivim ćelijama konačni produkt izgaranja vodika voda, smatraju se najčišćima u smislu utjecaja na okoliš. Stoga su gorivne ćelije počele dobivati popularnost u pozadini općeg interesa za okoliš.

Već su proizvođači automobila poput Honde, Forda, Nissana i Mercedes-Benza stvorili automobile koje pokreću vodikove gorive ćelije.

Mercedes-Benz - Ener-G-Force pogonjen vodikom

Pri korištenju automobila na vodik rješava se problem skladištenja vodika. Izgradnja benzinskih postaja za vodik omogućit će punjenje gorivom bilo gdje. Štoviše, punjenje automobila vodikom brže je od punjenja električnog automobila na benzinskoj postaji. No pri realizaciji ovakvih projekata naišli smo na problem sličan onom kod električnih vozila. Ljudi su spremni prijeći na automobile na vodik ako za njih postoji infrastruktura. I izgradnja benzinskih crpki počet će ako bude dovoljan broj potrošača. Dakle, opet smo došli do dileme jaje i kokoš.

Gorive ćelije naširoko se koriste u mobilnim telefonima i prijenosnim računalima. Već je prošlo vrijeme kada se telefon punio jednom tjedno. Sada se telefon puni skoro svaki dan, a laptop radi 3-4 sata bez mreže. Stoga su proizvođači mobilne tehnologije odlučili sintetizirati gorivu ćeliju s telefonima i prijenosnim računalima za punjenje i rad. Primjerice, tvrtka Toshiba je 2003.g. demonstrirao je gotov prototip gorivne ćelije s metanolom. Proizvodi snagu od oko 100 mW. Jedno punjenje 2 kocke koncentriranog (99,5%) metanola dovoljno je za 20 sati rada MP3 playera. Opet, ista Toshiba demonstrirala je ćeliju za napajanje prijenosnih računala dimenzija 275x75x40 mm, koja omogućuje rad računala 5 sati s jednim punjenjem.

Ali neki su proizvođači otišli dalje. Tvrtka PowerTrekk izdala je istoimeni punjač. PowerTrekk - prvi punjač uređaj za vodu u svijetu. Vrlo je jednostavan za korištenje. PowerTrekk zahtijeva dodavanje vode kako bi osigurao trenutnu električnu energiju putem USB kabela. Ova goriva ćelija sadrži prah silicija i natrijev silicid (NaSi) kada se pomiješa s vodom, kombinacija stvara vodik. Vodik se miješa sa zrakom u samoj gorivnoj ćeliji, a vodik pretvara u električnu energiju kroz svoju membransko-protonsku izmjenu, bez ventilatora i pumpi. Takav prijenosni punjač možete kupiti za 149 € (