Izvor energije vodonika. Gorivna ćelija. Kako napraviti gorivu ćeliju vlastitim rukama

Gorivna ćelija je uređaj koji efikasno proizvodi toplotu i jednosmernu struju putem elektrohemijske reakcije i koristi gorivo bogato vodonikom. Njegov princip rada je sličan onom kod baterije. Strukturno, gorivna ćelija je predstavljena elektrolitom. Šta je tu tako posebno? Za razliku od baterija, vodonične gorivne ćelije ne pohranjuju električnu energiju, ne zahtijevaju električnu energiju za ponovno punjenje i ne prazne se. Ćelije nastavljaju proizvoditi električnu energiju sve dok imaju zalihe zraka i goriva.

Posebnosti

Razlika između gorivnih ćelija i drugih generatora električne energije je u tome što ne sagorevaju gorivo tokom rada. Zbog ove karakteristike ne zahtijevaju visokotlačne rotore i ne emituju glasnu buku ili vibracije. Električna energija u gorivim ćelijama nastaje tihom elektrohemijskom reakcijom. Hemijska energija goriva u takvim uređajima se pretvara direktno u vodu, toplinu i električnu energiju.

Gorivne ćelije su visoko efikasne i ne proizvode velike količine gasova staklene bašte. Proizvod emisije tokom rada ćelije je mala količina vode u obliku pare i ugljičnog dioksida, koja se ne oslobađa ako se čisti vodonik koristi kao gorivo.

Istorija izgleda

Tokom 1950-ih i 1960-ih, NASA-ina nova potreba za izvorima energije za dugoročne svemirske misije izazvala je jedan od najkritičnijih izazova za gorive ćelije koji su postojali u to vrijeme. Alkalne ćelije koriste kiseonik i vodonik kao gorivo, koji se putem elektrohemijske reakcije pretvaraju u nusproizvode korisne tokom svemirskog leta - električnu energiju, vodu i toplotu.

Gorivne ćelije su prvi put otkrivene početkom 19. veka - 1838. godine. U isto vrijeme pojavile su se i prve informacije o njihovoj djelotvornosti.

Rad na gorivnim ćelijama koje koriste alkalne elektrolite započeo je kasnih 1930-ih. Ćelije sa niklovanim elektrodama pod visokim pritiskom nisu izumljene sve do 1939. godine. Tokom Drugog svetskog rata, za britanske podmornice razvijene su gorivne ćelije koje se sastoje od alkalnih ćelija prečnika oko 25 centimetara.

Zanimanje za njih je poraslo 1950-80-ih godina, koje je karakterizirala nestašica naftnog goriva. Zemlje širom svijeta počele su rješavati probleme zagađenja zraka i okoliša u nastojanju da razviju ekološki prihvatljivu tehnologiju proizvodnje gorivnih ćelija koja je trenutno u aktivnom razvoju.

Princip rada

Toplinu i električnu energiju generiraju gorivne ćelije kao rezultat elektrokemijske reakcije koja uključuje katodu, anodu i elektrolit.

Katoda i anoda su razdvojene elektrolitom koji vodi proton. Nakon što kisik uđe u katodu, a vodik u anodu, započinje kemijska reakcija koja rezultira toplinom, strujom i vodom.

Disocira na anodnom katalizatoru, što dovodi do gubitka elektrona. Joni vodika ulaze u katodu kroz elektrolit, dok elektroni prolaze kroz vanjsku električnu mrežu i stvaraju jednosmjernu struju, koja se koristi za napajanje opreme. Molekula kiseonika na katodnom katalizatoru se kombinuje sa elektronom i dolaznim protonom, formirajući na kraju vodu, koja je jedini proizvod reakcije.

Vrste

Izbor određene vrste gorivne ćelije zavisi od njene primene. Sve gorive ćelije su podijeljene u dvije glavne kategorije - visoke temperature i niske temperature. Potonji koriste čisti vodonik kao gorivo. Takvi uređaji obično zahtijevaju preradu primarnog goriva u čisti vodonik. Proces se provodi uz pomoć posebne opreme.

Visokotemperaturnim gorivnim ćelijama ovo nije potrebno jer pretvaraju gorivo na povišenim temperaturama, eliminišući potrebu za infrastrukturom vodonika.

Princip rada vodoničnih gorivnih ćelija zasniva se na pretvaranju hemijske energije u električnu energiju bez neefikasnih procesa sagorevanja i transformaciji toplotne energije u mehaničku energiju.

Opšti koncepti

Vodikove gorive ćelije su elektrohemijski uređaji koji proizvode električnu energiju kroz visoko efikasno "hladno" sagorevanje goriva. Postoji nekoliko vrsta ovakvih uređaja. Tehnologija koja najviše obećava smatra se vodonik-vazdušnim gorivnim ćelijama opremljenim PEMFC membranom za izmjenu protona.

Polimerna membrana koja provodi proton je dizajnirana da odvoji dvije elektrode - katodu i anodu. Svaki od njih je predstavljen ugljikovom matricom s katalizatorom nanesenim na njega. disocira na anodnom katalizatoru, donirajući elektrone. Kationi se dovode do katode kroz membranu, ali se elektroni prenose u vanjsko kolo jer membrana nije dizajnirana da prenosi elektrone.

Molekula kiseonika na katodnom katalizatoru se kombinuje sa elektronom iz električnog kola i dolaznim protonom, na kraju formirajući vodu, koja je jedini proizvod reakcije.

Vodikove gorive ćelije koriste se za proizvodnju membransko-elektrodnih jedinica, koje djeluju kao glavni generirajući elementi energetskog sistema.

Prednosti vodoničnih gorivih ćelija

Među njima su:

Povećani specifični toplotni kapacitet.
Širok raspon radnih temperatura.
Bez vibracija, buke ili toplotnih mrlja.
Pouzdanost hladnog starta.
Nema samopražnjenja, što osigurava dugotrajno skladištenje energije.
Neograničena autonomija zahvaljujući mogućnosti podešavanja intenziteta energije promjenom broja spremnika goriva.
Pružanje gotovo bilo kakvog energetskog intenziteta promjenom kapaciteta skladištenja vodonika.
Dug radni vek.
Tih i ekološki prihvatljiv rad.
Visok nivo energetskog intenziteta.
Tolerancija na strane nečistoće u vodoniku.

Područje primjene

Zbog svoje visoke efikasnosti, vodonične gorivne ćelije se koriste u raznim oblastima:

Prijenosni punjači.
Sistemi za napajanje bespilotnih letelica.
Neprekidna napajanja.
Ostali uređaji i oprema.

Izgledi za energiju vodonika

Široka upotreba gorivnih ćelija vodonik peroksida bit će moguća tek nakon stvaranja učinkovite metode za proizvodnju vodonika. Potrebne su nove ideje kako bi se tehnologija dovela u aktivnu upotrebu, uz velike nade polagane na koncept biogorivih ćelija i nanotehnologije. Neke kompanije su relativno nedavno objavile efikasne katalizatore na bazi različitih metala, a istovremeno su se pojavile informacije o stvaranju gorivnih ćelija bez membrana, što je omogućilo značajno smanjenje troškova proizvodnje i pojednostavljenje dizajna takvih uređaja. Prednosti i karakteristike vodoničnih gorivnih ćelija ne nadmašuju njihov glavni nedostatak - visoku cijenu, posebno u usporedbi s ugljikovodičnim uređajima. Za stvaranje jedne hidroelektrane potrebno je najmanje 500 hiljada dolara.

Kako sastaviti vodoničnu gorivnu ćeliju?

Možete sami napraviti gorivu ćeliju male snage u običnoj kućnoj ili školskoj laboratoriji. Korišteni materijali su stara gas maska, komadi pleksiglasa, vodeni rastvor etil alkohola i lužine.

Tijelo vodonične gorivne ćelije izrađeno je vlastitim rukama od pleksiglasa debljine najmanje pet milimetara. Pregrade između odjeljaka mogu biti tanje - oko 3 milimetra. Pleksiglas se lijepi posebnim ljepilom od hloroforma ili dihloretana i strugotine od pleksiglasa. Svi radovi se izvode samo uz uključenu haubu.

U vanjskom zidu kućišta izbušena je rupa promjera 5-6 centimetara u koju se umeće gumeni čep i staklena odvodna cijev. Aktivni ugljen iz gas maske ulijeva se u drugi i četvrti odjeljak kućišta gorivne ćelije - koristit će se kao elektroda.

Gorivo će cirkulisati u prvoj komori, dok je peta napunjena vazduhom iz kojeg će se snabdevati kiseonik. Elektrolit, izliven između elektroda, impregniran je otopinom parafina i benzina kako bi se spriječilo da uđe u zračnu komoru. Bakarne ploče sa zalemljenim žicama postavljaju se na sloj uglja kroz koji će se odvoditi struja.

Sastavljena vodonična gorivna ćelija se puni votkom razrijeđenom vodom u omjeru 1:1. U dobijenu smjesu pažljivo se dodaje kaustični kalij: 70 grama kalija otopi se u 200 grama vode.

Prije testiranja vodonične gorivne ćelije, gorivo se sipa u prvu komoru, a elektrolit u treću. Očitavanje voltmetra spojenog na elektrode treba da varira od 0,7 do 0,9 volti. Da bi se osigurao kontinuirani rad elementa, istrošeno gorivo mora biti uklonjeno, a novo gorivo se mora sipati kroz gumenu cijev. Pritiskom na cijev prilagođava se dovod goriva. Takve vodonične gorivne ćelije, sastavljene kod kuće, imaju malu snagu.

Sa stanovišta „zelene“ energije, vodonične gorivne ćelije imaju izuzetno visoku efikasnost od 60%. Za poređenje: efikasnost najboljih motora sa unutrašnjim sagorevanjem je 35-40%. Za solarne elektrane koeficijent je samo 15-20%, ali u velikoj mjeri ovisi o vremenskim prilikama. Efikasnost 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 vodika.

Problemi s rudarstvom

Energija vodika je ekološki prihvatljiva, ali nije autonomna. Za rad, gorivnoj ćeliji je potreban vodonik, koji se na Zemlji ne nalazi u svom čistom obliku. Vodik treba proizvesti, ali sve postojeće metode su ili vrlo skupe ili neefikasne.

Najefikasnijim metodom u smislu 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. Osim toga, za razliku od dizel generatora, kojem je potrebno gorivo da bi ispravno funkcionirao, elektrani na vodik potrebna je 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 pokazale kao odlično rješenje za kvadrokoptere - sa sličnom masom kao baterija, zaliha vodonika pruža do pet puta duže vrijeme 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 prognozama Markets&Markets, obim globalne proizvodnje vodonika, koji trenutno iznosi 115 milijardi dolara, će porasti na 154 milijarde dolara do 2022. Ali je malo vjerovatno da će se masovna implementacija tehnologije dogoditi u bliskoj budućnosti 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.

Negdje u budućnosti, početkom našeg stoljeća, moglo bi se reći da su rastuće cijene nafte i zabrinutost za okoliš doveli do naglog širenja vidika proizvođača automobila i prisilili ih da razvijaju i uvode sve više i više novih vrsta goriva i motori.

Jedno od ovih goriva će se zvati vodonik. Kao što znate, kada se vodonik i kiseonik spoje, dobija se voda, što znači da ako se ovaj proces koristi kao osnova motora automobila, izduvni gasovi neće biti mešavina opasnih gasova i hemijskih elemenata, već obična voda.

Uprkos nekim tehničkim poteškoćama povezanim sa upotrebom vodoničnih gorivnih ćelija (FC), proizvođači automobila neće odustati i već razvijaju svoje nove modele sa vodonikom kao gorivom. Na sajmu automobila u Frankfurtu 2011. godine, kao jedan od vodećih automobila u automobilskoj industriji, Daimler AG je javnosti predstavio nekoliko prototipova Mercedes-Benza na vodik. Iste godine je korejski Hyndai najavio da će odustati od razvoja električnih vozila i koncentrirati se na razvoj automobila koji će koristiti vodonične gorivne ćelije.

Uprkos ovom aktivnom razvoju, malo ljudi tačno razume šta su ove vodonične gorivne ćelije i šta se nalazi u njima.

Da bismo razjasnili situaciju, pogledajmo istoriju vodoničnih gorivnih ćelija.

Prvi koji je teoretski opisao mogućnost stvaranja vodonične gorivne ćelije bio je Nijemac Kristijan Fridrih Šenbajn. On je 1838. opisao princip u jednom od naučnih časopisa tog vremena.

Godinu dana kasnije. Godine 1939., velški sudija Sir William Robert Grove stvorio je i demonstrirao praktično ispravnu vodoničnu bateriju. Ali napunjenost koju proizvodi baterija nije bila dovoljna da izum postane široko korišten.

Termin "goriva ćelija" prvi put su upotrijebili 1889. istraživači Ludwig Mond i Charles Langer, koji su pokušali stvoriti radnu gorivu ćeliju koristeći zrak i koksni plin. Prema drugoj verziji, prva osoba koja je koristila izraz "goriva ćelija" bio je William White Jaques. On je također bio prvi koji je koristio fosfornu kiselinu u elektrolitskoj kupki.

U 1920-im godinama, istraživanja u Njemačkoj su bila pionir u korištenju karbonatnog ciklusa i gorivnih ćelija čvrstog oksida koje se danas koriste.

Godine 1932., inženjer Francis T Bacon započeo je svoje istraživanje vodoničnih gorivnih ćelija. Prije njega, istraživači su koristili porozne platinske elektrode i sumpornu kiselinu u elektrolitskoj kupki. Platina je činila proizvodnju veoma skupom, a sumporna kiselina je stvarala dodatne poteškoće zbog svoje kaustične prirode. Slanina je zamijenila skupu platinu niklom, a sumpornu kiselinu manje kaustičnim alkalnim elektrolitom.

Bacon je stalno poboljšavao svoj dizajn i 1959. godine uspio je javnosti predstaviti gorivu ćeliju od 5 kilovata koja je mogla pokretati aparat za zavarivanje. Istraživač je nazvao svoju ćeliju "Bacon Cell".

U oktobru iste 1959. godine Harry Karl Ihrig je demonstrirao traktor od 20 konjskih snaga, koji je postao prvo vozilo na svijetu s pogonom na gorivnu ćeliju.

1960-ih, američki General Electric koristio je princip gorivih ćelija Bacon i razvio sistem za proizvodnju energije za NASA-ine svemirske programe Gemini i Apollo. NASA je izračunala da bi korištenje nuklearnog reaktora bilo preskupo, a konvencionalne baterije ili solarni paneli zahtijevali bi previše prostora. Osim toga, vodonične gorivne ćelije mogle bi istovremeno snabdijevati brod strujom, a posadu vodom.

Prvi autobus sa pogonom na vodonične gorive ćelije izgrađen je 1993. godine. 1997. godine, proizvođači automobila Daimler Benz i Toyota predstavili su svoje prototipove putničkih automobila.

- facepla.net -

Komentari:

I zaboravili su da pričaju o radu na temu energije goriva u SSSR-u, zar ne?

Kada se proizvede električna energija, formiraće se voda. i što više prvih, to više njih. Sada zamislimo koliko brzo će kapljice začepiti sve gorivne ćelije i kanale za prolaz plina - H2, O2 Kako će ovaj generator raditi na temperaturama ispod nule?

Predlažete spaljivanje desetina tona uglja, bacanje tona čađi u atmosferu da biste dobili vodonik, da biste dobili par ampera struje za novonastalu kesu?!
Gdje je tu ekološka ušteda?!

Evo ga – skeletno razmišljanje!
Zašto spaljivati tone uglja? Živimo u 21. veku i već postoje tehnologije koje nam omogućavaju da dobijemo energiju bez sagorevanja. Ostaje samo kompetentno akumulirati ovu energiju za prikladnu daljnju upotrebu.

Tekst rada je objavljen bez slika i formula.
Puna verzija rada dostupna je na kartici "Radni fajlovi" u PDF formatu

Uvod

Rastuće potrebe potrošnje energije zahtijevaju potragu za njenim perspektivnim izvorima. U rješavanju ovoga Problemi Trenutni izvori koji se nazivaju gorive ćelije mogu igrati važnu ulogu.

Svrha ovog projekta- nakon upoznavanja principa rada gorivnih ćelija izraditi radni model ove vrste izvora električne energije. Posao zadatak: nakon što ste proučili teorijski materijal o osnovama funkcionisanja gorivnih ćelija i upoznali se sa postojećim vrstama ovih izvora struje, napravite radni originalni model elementa. Odabran je upravo ovaj izvor struje, jer se u njemu energija goriva direktno pretvara u električnu energiju bez upotrebe raznih međuuređaja.

hipoteza - sposobnost samostalnog razvoja i stvaranja originalnog modela gorivne ćelije. Predmet proučavanja: strujni izvori - gorivne ćelije. Predmet studija- tehničke i električne karakteristike ovih izvora struje. Metode istraživanja- proučavanje potrebnog teoretskog materijala, izvođenje eksperimenata za kreiranje vlastite operativne gorivne ćelije za vodonik-kiseonikovu gorivnu ćeliju sa alkalnim elektrolitom i testiranje rada nastalog izvora struje. Praktični značaj i relevantnost Projekti su van svake sumnje. Gorivne ćelije su veoma interesantne i obećavajuće zbog činjenice da pretvaraju hemijsku energiju goriva direktno u električnu energiju, toplotu i vodu. Dakle, oni su visoko efikasni, tihi, ne zagađuju i stoga imaju koristi za životnu sredinu.

Novitet projekat: kreiranje vlastite efikasne gorivne ćelije za vodikovo-kiseonikovu gorivnu ćeliju sa alkalnim elektrolitom (autor je koristio mikrokanalnu ploču kao membranu za izmjenu protona, i igličaste monokristale molibden-oksida dopiranog zlatom kao bez platine katalizator).

2. Teorijski dio.

2.1. Gorivne ćelije

Gorivna ćelija - uređaj koji efikasno proizvodi jednosmernu struju i toplotu iz goriva bogatog vodonikom putem elektrohemijske reakcije.

Goriva ćelija (FC) je slična bateriji po tome što proizvodi jednosmernu struju kroz hemijsku reakciju. Kao i baterija, ima anodu, katodu i elektrolit. Međutim, za razliku od baterija, gorivne ćelije ne mogu skladištiti električnu energiju i ne prazne se niti im je potrebna električna energija za ponovno punjenje. Gorivne ćelije mogu kontinuirano proizvoditi električnu energiju sve dok imaju zalihe goriva i zraka.

Unatoč činjenici da su se prve gorivne ćelije pojavile prije više od 100 godina, još uvijek nije bilo moguće stvoriti “idealnu” gorivu ćeliju. Trenutno postojeće gorivne ćelije grade se po različitim shemama, rade na temperaturama od sobne temperature do nekoliko stotina stepeni, a koriste tečno ili plinovito gorivo. Ono što im je zajedničko je da se gorivo i oksidant napajaju iz vanjskih rezervoara. Stoga je količina električne energije koju gorivna ćelija može proizvesti ograničena samo kapacitetom ovih vanjskih skladišnih objekata. Njihov kapacitet može biti gotovo beskrajan.

Prednosti. Za razliku od tradicionalnih naponskih ćelija ili baterija, u kojima su gorivo i oksidant pohranjeni unutar kućišta i ne mogu se zamijeniti ili dodati dok se troše, neke vrste gorivih ćelija mogu se koristiti odmah nakon isporuke goriva i oksidatora (druge vrste zahtijevaju preliminarni postupak pokretanja). Gorivne ćelije koje koriste tečno gorivo imaju znatno veću efikasnost u poređenju sa tradicionalnim motorima koji koriste isto gorivo i povezani su na električni generator. Gorivna ćelija pretvara reakciju oksidacije goriva direktno u električnu energiju bez međuuređaja.

Nedostaci. To uključuje visoku cijenu platinskih katalizatora, koji su bitna komponenta mnogih tipova gorivnih ćelija. Mogućnost nepovratnog "trovanja" takvog katalizatora u slučaju korištenja goriva sa zagađivačima. I kao posljedica toga, ili potpuna neoperabilnost gorivne ćelije, ili gubitak snage uz istovremeno pogoršanje efikasnosti. Tu je i problem sigurnog skladištenja velikih količina vodonika u slučaju vodonik-kiseonikovih gorivnih ćelija. Sljedeći nedostatak je nesposobnost gorivnih ćelija da obezbijede kratkoročne vršne snage. (Morate dodatno ugraditi baterije tradicionalnog dizajna).

Trenutno je u toku potraga za efikasnim katalizatorima bez platine i membranama za izmjenu protona, kao i optimizacija dizajna elektroda i poboljšanje metoda skladištenja goriva u slučaju korištenja gorivnih ćelija za vozila.

2. 2. Vrste gorivnih ćelija

Pogledajmo neke vrste gorivnih ćelija. 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 direktno kroz tihu elektrohemijsku reakciju. Jedini proizvodi emisije tokom rada su voda u obliku pare i mala količina ugljičnog dioksida, koji se uopće ne oslobađa ako se kao gorivo koristi čisti vodonik. FC se sklapaju u sklopove, a zatim u zasebne funkcionalne module. Postoji nekoliko različitih tipova gorivnih ćelija, od kojih svaka koristi različite hemijske procese. Gorivne ćelije se obično klasifikuju prema njihovoj Radna temperatura I vrsta elektrolita koje koriste. Neke vrste gorivnih ćelija su pogodne za upotrebu u stacionarnim elektranama, druge za male prijenosne uređaje ili za pogon automobila itd.

Gorivne ćelije se dijele na visokotemperaturne i niskotemperaturne.

Gorivne ćelije niske temperature zahtevaju relativno čist vodonik kao gorivo. To često znači da je prerada goriva potrebna za pretvaranje primarnog goriva (kao što je prirodni plin) u čisti vodonik. Ovaj proces troši dodatnu energiju i zahtijeva posebnu opremu.

Visokotemperaturne gorivne ćelije ne trebaju ovu dodatnu proceduru jer mogu izvršiti "internu konverziju" goriva na povišenim temperaturama, što znači da nema potrebe za ulaganjem u vodoničnu infrastrukturu .

2.2.1. Gorivna ćelija sa polimernom izmenjivačkom membranom

Goriva ćelija sa membranom za izmjenu polimera (PEMFC) jedna je od tehnologija gorivih ćelija koje obećavaju. Sastoji se od:

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

2.Katoda- pozitivni terminal gorivne ćelije, također ima kanale za distribuciju kisika po površini katalizatora. Također provodi elektrone nazad iz vanjskog kola katalizatora, gdje se mogu kombinirati s ionima vodonika i kisika kako bi formirali vodu.

3.Elektrolit - protonska izmjenjivačka membrana. Ovo je posebno obrađen materijal koji provodi samo pozitivno nabijene ione i blokira elektrone. Sa PEMFC, membrana mora biti hidratizirana kako bi pravilno funkcionirala i ostala stabilna.

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

Reakcija u jednoj gorivnoj ćeliji proizvodi samo oko 0,7 V. Da bi se povećao napon, mnoge pojedinačne gorivne ćelije moraju se kombinirati.

2.2.2. Vodik-kiseonička gorivna ćelija

Ovo je hemijski izvor struje u kojem se aktivne supstance kontinuirano dovode izvana u zonu elektrohemijske reakcije. Rice. 1. Radi na normalnim ili blago povišenim temperaturama koristeći vodene elektrolite. Elemente ovog tipa karakterizira prisustvo poroznih elektroda izrađenih od odgovarajućih elektroprovodljivih materijala (ugalj, nikal itd.), koje su djelomično impregnirane elektrolitom, ali zadržavaju plinopropusnost. Na unutrašnjoj površini pora, gdje ulaze aktivni plinovi (vodik i kisik), odvijaju se elektrodni procesi koji se sastoje u prijelazu adsorbiranih plinova u ionsko stanje i izvor su elektromotorne sile elementa.

Glavna prednost predložene vodonik-kiseoničke gorivne ćelije je da stepen impregnacije elektroda stvorenih na početku (tokom proizvodnje elementa) ostaje gotovo konstantan, budući da ne dolazi do dalje spontane impregnacije elektroda iz zgusnutog elektrolita. Ili se to događa samo u maloj mjeri, što određuje visoku stabilnost elektroda. Proizvod radi bez povećanog pritiska gasa.

Nedostatak elektrode koje rade bez povećanog pritiska gasa je znatno niža gustina struje koju takve elektrode mogu da izdrže.

Pogledajmo pobliže gorivu ćeliju vodonik-kisik sa vodenim elektrolitom i poroznim elektrodama napravljenim od nikla, uglja ili drugog električno provodljivog materijala, koje rade bez upotrebe viška pritiska isporučenog gasa (posebno vazduha). TE se razlikuje po tome što se, kako bi se spriječilo postepeno vlaženje elektroda, kao i povećala stabilnost i veličina struje pražnjenja, elektrolit koristi u zgusnutom stanju. Elektrodne ploče oba polariteta (ili jednog od njih - pretežno pozitivnih) se sastoje od velikog broja uskih tankih ploča koje se nalaze paralelno jedna na drugu i okomito na ravan ploče elektrode. Razdvojeni su na dijelove tankim poroznim brtvama impregniranim elektrolitom, a ostatak plinom (vodik za negativnu elektrodu i kisik ili zrak za pozitivnu elektrodu).

Ćelija kisik-vodik 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 parcijalnog tlaka, uključujući korištenje atmosferskog kisika. Osim toga, ovaj element zadržava prednosti najboljih gorivnih ćelija drugih sistema: kontinuirani rad relativno dugo, odsustvo štetnih emisija, visoka iskorištenost aktivnih tvari, stabilnost napona.

2.2.3. Alkalne gorivne ćelije (ALFC)

Alkalne gorivne ćelije (AFC) jedna su od najviše proučavanih tehnologija, koja se koristi od sredine 1960-ih. od strane NASA-e u programima Apollo i Space Shuttle. Na brodu ovih svemirskih letjelica, gorivne ćelije proizvode električnu energiju i vodu za piće. 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 ion (OH -), koji se kreće od katode do anode, gdje reagira s 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: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e - Reakcija na katodi: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4OH - Opšta reakcija sistema: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O.

Prednost SHTE-a je što su jeftiniji za proizvodnju, jer je cijena njihovih katalizatora niža. Osim toga, SHFC rade na relativno niskim temperaturama i spadaju među najefikasnije gorive ćelije.

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

3. Eksperimentalni dio

Za izvođenje eksperimenata odlučeno je da se napravi radni model vodonik-kiseoničke gorivne ćelije sa alkalnim elektrolitom (KOH rastvor). Kako su za rad takve ćelije potrebni plinovi vodik i kisik, bilo je potrebno izraditi i uređaj za njihovu kontinuiranu proizvodnju - elektrolizator. Zbog činjenice da se ćelija zagrijava tijekom rada, elektrolizer je dopunjen hladnjakom plina na bazi termoelektričnog hladnjaka na bazi Peltierovog elementa. Elektrolizer se takođe zagreva na temperaturu od 35 - 40 °C.

3.1. Izrada gorivne ćelije

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

U središnjem dijelu nalazi se okrugli prozorčić u koji je zalijepljena protonska izmjenjivačka membrana. Kao membrana korištena je mikrokanalna ploča. Elektrolit, 5% otopina KOH, dobro se zadržava u membranskim kanalima zbog kapilarnih sila. Veliki broj mikronskih rupa osigurava nesmetan transport protona kroz ploču koja je dielektrični izolator. Hemijski je inertan prema kaustičnom kalijumu KOH. Izgled središnjeg dijela sa mikrokanalnom pločom prikazan je na slici 4.

Aluminijska folija je zalijepljena sa strane gorivne ćelije, koja služi kao električni kontakt za elektrode. Elektrode su diskovi napravljeni od karbonskog filca. Ugljenični filc zadovoljava osnovne uslove za uspešno funkcionisanje gorivne ćelije, a to su visoka električna provodljivost, poroznost strukture za prolaz gasa i razvoj površine za efikasan rad katalizatora, kao i hemijska inertnost u odnosu na KOH elektrolit . Postoje dva bočna dijela. Izgled ploče je prikazan na slici 5.

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

3.2. Proizvodnja elektrolizera za kontinuiranu proizvodnju vodonika i kiseonika

Glavni dio elektrolizera je staklena cijev u obliku slova U napunjena 10% otopinom KOH. Vodik i kiseonik nastaju razgradnjom destilovane vode pod uticajem električne struje. Elektrode se provlače kroz gornje gumene čepove umetnute u otvorena koljena cijevi. Spoljašnji izgled potpuno sastavljenog elektrolizera, sa gorivom ćelijom spojenom na njega - Sl. 6. Gasovi koji nastaju tokom rada odvode se kroz sistem crijeva spojenih na gornje dijelove staklene cijevi. Zbog činjenice da destilovana voda ima značajan otpor, a brzina njenog raspadanja će biti neznatna, vodi se dodaje lužina - kaustični kalij KOH. Otpor se naglo smanjuje, jačina struje se povećava i, kao posljedica toga, brzina razgradnje vode na vodik i kisik. Za hemijsku otpornost, elektrode uronjene u rastvor su napravljene od nikla.

Tokom rada, nivo elektrolita se smanjuje zbog razgradnje vode i mora se podići na nivo dodavanjem novih porcija vode. U ovom slučaju, alkalija se ne troši. Za dopunu nivoa vode bez smanjenja tlaka u elektrolizeru, špric s vodom spojen je na jedan od gornjih gumenih čepova. Za sat vremena rada elektrolizera na naponu od 14 V i struji od 2 A nastaje oko 120 cm 3 H 2 i 60 cm 3 O 2 . Brzina proizvodnje plina dovoljna je za izvođenje eksperimenta. Također, s obzirom na eksplozivnost mješavine H 2 i O 2, brzina njihove proizvodnje je nedovoljna za stvaranje detonirajućeg plina u prostoriji. Vodik i kiseonik ulaze svaki kroz svoje linije, kombinujući se samo unutar gorivne ćelije. Protok plinova se može usmjeriti direktno u gorivu ćeliju ili pohraniti u špriceve zapremine 60 cm 3 spojene na vodove. U tom slučaju, protok plinova do ćelije je blokiran valjkastim stezaljkama.

Svi glavni elementi elektrolizera montirani su na univerzalno postolje pomoću spojnica i stezaljki. Izvor napajanja je regulisano laboratorijsko napajanje. Vodonik i kiseonik koji nastaju tokom procesa razgradnje prolaze kroz hladnjak koristeći Peltierov element. Hladnjak je zapravo Peltierov element, na čiji je hladni spoj ugrađena aluminijska ploča sa bakrenim cijevima za protok plina pomoću toplinske paste KPT-8. Brzina protoka gasa je mala. Dakle, gas ima vremena da se ohladi na temperaturu od +10 °C na izlazu, na temperaturi od +20 °C na ulazu. Topli spoj se hladi bakrenim pločastim radijatorom sa prinudnim protokom zraka. Radijator je također fiksiran na vrući spoj Peltierovog elementa pomoću paste koja provodi toplinu KPT-8. Fig.7.

Tako se plinovi prethodno hlade, što povećava njihovu gustinu i omogućava korištenje ćelije bez preduzimanja mjera da se ona ohladi. U procesu proizvodnje električne energije, ćelija je podložna samozagrijavanju kao rezultat interakcije vodika s kisikom. Kada ćelija radi, proizvodi se električna energija i proizvodi voda. Ovaj proces je u suštini sagorevanje vodonika u atmosferi kiseonika. Stoga je zagrijavanje ćelije normalno. Potrošnja struje od 5 A je zbir struje koju troše elektrolizer, Peltierov element i ventilator koji hladi vrući spoj Peltierovog elementa.

Kako bi se potvrdile performanse gorivne ćelije kada se kao katalizator koriste igličasti monokristali molibden oksida aktivirani zlatom, proveden je eksperiment sa ćelijom bez katalizatora. Svrha: mjerenje EMF ćelije. Nakon spajanja sklopljene ćelije na elektrolizer, držana je u struji plina 15 minuta kako bi se osiguralo uklanjanje atmosferskih plinova iz poroznih elektroda. Prije eksperimenta, ćelija je rastavljena. Membrana za protonsku izmjenu navlažena je otopinom elektrolita - 5% otopinom KOH. Maksimalna dobivena vrijednost EMF: 15,5 mV. One. bez katalizatora, H 2 i O 2 interaguju, ali samo neznatno.

U sljedećem eksperimentu, sloj katalizatora koji se sastoji od igličastih monokristala molibden oksida dopiranog zlatom nanijet je na krajnje dijelove ugljeničnih poroznih elektroda. Ćelija je u tu svrhu rastavljena. Katalizator je primijenjen na obje elektrode. Zdrobljeni katalizator (slika 8) izliven je na površinu elektrode i ravnomjerno raspoređen. Nalazio se na dijelu elektrode koji je okrenut prema aluminijskom premazu. Ćelija je sastavljena i spojena na elektrolizer. Držana je u struji gasova 15 minuta. Maksimalna vrijednost EMF-a u slučaju korištenja katalizatora: 600 mV. One. katalizator je značajno povećao količinu vodonika i kisika koji međusobno reagiraju. (Najpoznatiji dizajn sličnih gorivnih ćelija sa alkalnim elektrolitom i katalizatorima na bazi platine imaju emf nešto veću od 1V.)

4. Zaključak

Rezultati projekta: 1. Proučavane su teorijske osnove funkcionisanja vodonik-kiseonikovih gorivnih ćelija sa alkalnim elektrolitom. 2. Proizveden je radni demontažni model gorivne ćelije sa membranom za izmjenu protona od mikrokanalne ploče i ugljičnih poroznih elektroda. 3. Proizveden je elektrolizator za proizvodnju vodika i kisika. 4. Proveden je eksperiment efektivne upotrebe monokristala MoO 3 u obliku igle dopiranih zlatom kao katalizatora bez platine.

5. Književnost

1. “Yusti E., Vinzel A. Gorivni 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. Hemijski izvori struje: - M.: Mir, 1990. - 240 c.

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

6. Prijave

Rice. 1 - Procesi koji se dešavaju tokom rada gorivne ćelije

Rice. 2 - Gorivna ćelija. Rice. 3 - Pogled sa krajnje površine

Rice. 4 - Centralni presjek sa membranom Fig. 5 - Bočni poklopac.

Rice. 7 - Termoelektrični hladnjak na bazi Peltierovog elementa

Rice. 8 a - Katalizator (molibden oksid MoO 3 ) uvećanje 400 puta; b - slika na mikroskopu atomske sile (Centar za kolektivnu upotrebu, Državni univerzitet Sjeverne Osetije)

Kao što postoje različite vrste motora sa unutrašnjim sagorevanjem, postoje i različite vrste gorivih ćelija - odabir pravog tipa gorivih ćelija zavisi od njegove primene.

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

Rastopljene karbonatne gorive ćelije (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 1960-ih. Od tada, tehnologija proizvodnje, performanse i pouzdanost su poboljšani.

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, gorivne ćelije sa rastopljenim karbonatnim elektrolitom rade na visokim temperaturama (650°C). Efikasnost varira između 60-80%.

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

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

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

Visoke temperature reakcije u elektrolitu također imaju svoje prednosti. Korišćenje visokih temperatura zahteva značajno vreme za postizanje optimalnih uslova rada, a sistem sporije reaguje na promene 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 izlaznom električnom snagom od 2,8 MW se komercijalno proizvode. Razvijaju se instalacije izlazne snage do 100 MW.

Gorivne ćelije fosforne kiseline (PAFC)

Gorivne ćelije fosforne (ortofosforne) kiseline bile su prve gorivne ćelije za komercijalnu upotrebu. Proces je razvijen sredinom 1960-ih i testiran je od 1970-ih. Od tada, stabilnost i performanse su povećane, a troškovi smanjeni.

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

Nosač naboja u gorivnim ćelijama ovog tipa je vodonik (H+, proton). Sličan proces se događa u gorivnim ćelijama s protonskom izmjenom membrane (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: 2H 2 => 4H + + 4e -
Reakcija na katodi: O 2 (g) + 4H + + 4e - => 2H 2 O
Opšta reakcija elementa: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Efikasnost gorivih ćelija na bazi fosforne (ortofosforne) kiseline je više od 40% pri generisanju električne energije. 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. Osim toga, CO 2 ne utječe na elektrolit i rad gorivne ćelije; Jednostavan dizajn, nizak stepen isparljivosti elektrolita i povećana stabilnost su takođe prednosti ovog tipa gorivih ćelija.

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

Gorivne ćelije sa protonskom izmjenom membrane (PEMFC)

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

Ove gorivne ćelije koriste čvrstu polimernu membranu (tanki film od plastike) kao elektrolit. 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: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reakcija na katodi: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4OH -
Opšta reakcija elementa: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

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

Još jedna prednost je što je elektrolit čvrsta, a ne tečna. Lakše je zadržati plinove na katodi i anodi pomoću čvrstog elektrolita, pa su takve gorive ćelije jeftinije za proizvodnju. U poređenju sa drugim elektrolitima, čvrsti elektroliti ne predstavljaju probleme sa orijentacijom, manje problema sa korozijom, što rezultira većom dugovječnošću ćelije i njenih komponenti.

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 različitih vrsta goriva 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 (O 2 -). Tehnologija gorivih ćelija čvrstog oksida razvija se od kasnih 1950-ih. i ima dvije konfiguracije: ravnu i cjevastu.

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 (O 2 -). 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.

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

Efikasnost proizvedene 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 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. Goriva ćelija je takođe odlična za aplikacije velike snage, uključujući industrijske i velike centralne elektrane. Komercijalno se proizvode moduli sa izlaznom električnom snagom od 100 kW.

Gorivne ćelije sa direktnom oksidacijom metanola (DOMFC)

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

Dizajn gorivih ćelija sa direktnom oksidacijom metanola sličan je gorivnim ćelijama sa membranom za izmjenu protona (MEPFC), tj. Polimer se koristi kao elektrolit, a ion vodonika (proton) se koristi kao nosilac naboja. Međutim, tečni metanol (CH 3 OH) oksidira u prisustvu vode na anodi, oslobađajući CO 2, 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: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Reakcija na katodi: 3 / 2 O 2 + 6H + + 6e - => 3H 2 O
Opća reakcija elementa: CH 3 OH + 3/2 O 2 => CO 2 + 2H 2 O

Razvoj ovih gorivnih ćelija počeo je početkom 1990-ih. Sa razvojem poboljšanih katalizatora i drugim nedavnim inovacijama, gustina snage i efikasnost povećani su na 40%.

Ovi elementi su testirani u temperaturnom opsegu od 50-120°C. Sa niskim radnim temperaturama i bez potrebe za konverterom, gorivne ćelije sa direktnom oksidacijom metanola su glavni kandidat za primjenu u mobilnim telefonima i drugim potrošačkim proizvodima i automobilskim motorima. Prednost ove vrste gorivnih ćelija je njihova mala veličina, zbog upotrebe tečnog goriva, te odsustvo potrebe za korištenjem pretvarača.

Alkalne gorivne ćelije (ALFC)

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

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, SFC rade na relativno niskim temperaturama i spadaju među najefikasnije gorivne ćelije - takve karakteristike mogu posljedično doprinijeti bržoj proizvodnji energije i visokoj efikasnosti goriva.

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

Gorivne ćelije polimernog elektrolita (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.

Čvrste kiselinske gorivne ćelije (SFC)

U ćelijama sa čvrstim kiselim gorivom, elektrolit (C s HSO 4) ne sadrži vodu. Radna temperatura je dakle 100-300°C. Rotacija oksi anjona SO 4 2- 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.

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