Hydrogen brenselceller. Brenselceller: typer og prinsipp for drift. Hvordan det fungerer
Del 1
Denne artikkelen diskuterer mer detaljert prinsippet om drift av brenselceller, deres design, klassifisering, fordeler og ulemper, omfang, effektivitet, skapelseshistorie og moderne utsikter for bruk. I andre del av artikkelen, som publiseres i neste nummer av ABOK-magasinet, gir eksempler på anlegg hvor ulike typer brenselceller ble brukt som varme- og elektrisitetskilder (eller kun elektrisitet).
Introduksjon
Brenselceller er en svært effektiv, pålitelig, holdbar og miljøvennlig måte å generere energi på.
Opprinnelig brukt kun i romfartsindustrien, brukes brenselceller nå i økende grad i en rekke områder - som stasjonære kraftverk, autonome varme- og kraftkilder til bygninger, kjøretøymotorer, strømforsyninger til bærbare datamaskiner og mobiltelefoner. Noen av disse enhetene er laboratorieprototyper, noen gjennomgår pre-serie testing eller brukes til demonstrasjonsformål, men mange modeller er masseprodusert og brukt i kommersielle prosjekter.
En brenselcelle (elektrokjemisk generator) er en enhet som konverterer den kjemiske energien til drivstoff (hydrogen) til elektrisk energi i prosessen med en elektrokjemisk reaksjon direkte, i motsetning til tradisjonelle teknologier som bruker forbrenning av fast, flytende og gassformig brensel. Direkte elektrokjemisk omdannelse av drivstoff er svært effektiv og attraktiv fra et miljøsynspunkt, siden minimumsmengden av forurensninger frigjøres under drift, og det er ingen sterke støy og vibrasjoner.
Fra et praktisk synspunkt ligner en brenselcelle et konvensjonelt galvanisk batteri. Forskjellen ligger i det faktum at batteriet i utgangspunktet er ladet, det vil si fylt med "drivstoff". Under drift forbrukes "drivstoff" og batteriet utlades. I motsetning til et batteri, bruker en brenselcelle drivstoff tilført fra en ekstern kilde for å generere elektrisk energi (fig. 1).
For produksjon av elektrisk energi kan ikke bare rent hydrogen brukes, men også andre hydrogenholdige råvarer, som naturgass, ammoniakk, metanol eller bensin. Vanlig luft brukes som oksygenkilde, som også er nødvendig for reaksjonen.
Når rent hydrogen brukes som drivstoff, er reaksjonsproduktene, i tillegg til elektrisk energi, varme og vann (eller vanndamp), det vil si at det ikke slippes ut gasser til atmosfæren som forårsaker luftforurensning eller drivhuseffekt. Hvis et hydrogenholdig råstoff, slik som naturgass, brukes som drivstoff, vil andre gasser, som oksider av karbon og nitrogen, være et biprodukt av reaksjonen, men mengden er mye lavere enn når den brennes. mengde naturgass.
Prosessen med kjemisk omdannelse av drivstoff for å produsere hydrogen kalles reformering, og den tilsvarende enheten kalles en reformer.
Fordeler og ulemper med brenselceller
Brenselceller er mer energieffektive enn forbrenningsmotorer fordi det ikke er noen termodynamisk begrensning på energieffektivitet for brenselceller. Effektiviteten til brenselceller er 50%, mens effektiviteten til forbrenningsmotorer er 12-15%, og effektiviteten til dampturbinkraftverk ikke overstiger 40%. Ved å bruke varme og vann økes effektiviteten til brenselceller ytterligere.
I motsetning til for eksempel forbrenningsmotorer, forblir effektiviteten til brenselceller svært høy selv når de ikke kjører på full effekt. I tillegg kan kraften til brenselceller økes ved ganske enkelt å legge til separate blokker, mens effektiviteten ikke endres, det vil si at store installasjoner er like effektive som små. Disse omstendighetene tillater et svært fleksibelt utvalg av sammensetningen av utstyr i samsvar med kundens ønsker og fører til slutt til en reduksjon i utstyrskostnadene.
En viktig fordel med brenselceller er deres miljøvennlighet. Luftutslipp fra brenselceller er så lave at de i noen deler av USA ikke krever spesielle tillatelser fra offentlige luftkvalitetsbyråer.
Brenselceller kan plasseres direkte i bygget, og dermed redusere energioverføringstap, og varmen som genereres som følge av reaksjonen kan brukes til å levere varme eller varmtvann til bygget. Autonome kilder til varme- og kraftforsyning kan være svært fordelaktige i avsidesliggende områder og i regioner som er preget av mangel på elektrisitet og dens høye kostnader, men samtidig er det reserver av hydrogenholdige råvarer (olje, naturgass) .
Fordelene med brenselceller er også tilgjengeligheten av drivstoff, pålitelighet (det er ingen bevegelige deler i brenselcellen), holdbarhet og brukervennlighet.
En av hovedmanglene til brenselceller i dag er deres relativt høye kostnader, men denne mangelen kan overvinnes snart - flere og flere selskaper produserer kommersielle prøver av brenselceller, de blir stadig forbedret, og kostnadene deres synker.
Den mest effektive bruken av rent hydrogen som drivstoff vil imidlertid kreve opprettelse av en spesiell infrastruktur for produksjon og transport. For tiden bruker alle kommersielle design naturgass og lignende drivstoff. Motorkjøretøyer kan bruke vanlig bensin, noe som gjør det mulig å opprettholde det eksisterende utviklede nettverket av bensinstasjoner. Bruken av slikt drivstoff fører imidlertid til skadelige utslipp til atmosfæren (om enn svært lave) og kompliserer (og dermed øker kostnadene for) brenselcellen. I fremtiden vurderes muligheten for å bruke miljøvennlige fornybare energikilder (for eksempel solenergi eller vindenergi) for å dekomponere vann til hydrogen og oksygen ved elektrolyse, og deretter omdanne det resulterende drivstoffet i en brenselcelle. Slike kombinerte anlegg som opererer i en lukket syklus kan være en fullstendig miljøvennlig, pålitelig, holdbar og effektiv energikilde.
En annen egenskap ved brenselceller er at de er mest effektive når de bruker både elektrisk og termisk energi samtidig. Muligheten for å bruke termisk energi er imidlertid ikke tilgjengelig på alle anlegg. Ved bruk av brenselceller kun for å generere elektrisk energi, reduseres effektiviteten, selv om den overstiger effektiviteten til "tradisjonelle" installasjoner.
Historie og moderne bruk av brenselceller
Prinsippet for drift av brenselceller ble oppdaget i 1839. Den engelske vitenskapsmannen William Grove (1811-1896) oppdaget at elektrolyseprosessen - nedbrytningen av vann til hydrogen og oksygen ved hjelp av en elektrisk strøm - er reversibel, dvs. hydrogen og oksygen kan kombineres til vannmolekyler uten forbrenning, men med frigjøring av varme og elektrisk strøm. Grove kalte enheten der en slik reaksjon ble utført for et "gassbatteri", som var den første brenselcellen.
Den aktive utviklingen av brenselcelleteknologi begynte etter andre verdenskrig, og den er assosiert med romfartsindustrien. På den tiden ble det søkt etter en effektiv og pålitelig, men samtidig ganske kompakt energikilde. På 1960-tallet valgte NASA-spesialister (National Aeronautics and Space Administration, NASA) brenselceller som strømkilde for romfartøyer fra Apollo (bemannede flygninger til månen), Apollo-Soyuz, Gemini og Skylab-programmene. . Apollo brukte tre 1,5 kW-enheter (2,2 kW toppeffekt) ved å bruke kryogent hydrogen og oksygen for å produsere elektrisitet, varme og vann. Massen til hver installasjon var 113 kg. Disse tre cellene fungerte parallelt, men energien som ble generert av én enhet var nok for en sikker retur. I løpet av 18 flyvninger har brenselcellene samlet seg til sammen 10.000 timer uten feil. For tiden brukes brenselceller i romfergen «Space Shuttle», som bruker tre enheter med en effekt på 12 W, som genererer all den elektriske energien om bord i romfartøyet (fig. 2). Vann oppnådd som et resultat av en elektrokjemisk reaksjon brukes som drikkevann, så vel som til kjøleutstyr.
I vårt land ble det også arbeidet med å lage brenselceller til bruk i astronautikk. For eksempel ble brenselceller brukt til å drive den sovjetiske romfergen Buran.
Utvikling av metoder for kommersiell bruk av brenselceller startet på midten av 1960-tallet. Denne utviklingen ble delvis finansiert av statlige organisasjoner.
For tiden går utviklingen av teknologier for bruk av brenselceller i flere retninger. Dette er opprettelsen av stasjonære kraftverk på brenselceller (for både sentralisert og desentralisert energiforsyning), kraftverk av kjøretøy (prøver av biler og busser på brenselceller er laget, inkludert i vårt land) (fig. 3), og også strømforsyninger til ulike mobile enheter (bærbare datamaskiner, mobiltelefoner, etc.) (fig. 4).
Eksempler på bruk av brenselceller på ulike felt er gitt i tabell. 1.
En av de første kommersielle modellene av brenselceller designet for autonom varme- og strømforsyning av bygninger var PC25 Model A produsert av ONSI Corporation (nå United Technologies, Inc.). Denne brenselcellen med en nominell effekt på 200 kW tilhører typen celler med en elektrolytt basert på fosforsyre (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC). Tallet "25" i navnet på modellen betyr serienummeret til designet. De fleste av de tidligere modellene var eksperimentelle eller prøvestykker, for eksempel 12,5 kW "PC11"-modellen som dukket opp på 1970-tallet. De nye modellene økte kraften tatt fra en enkelt brenselcelle, og reduserte også kostnaden per kilowatt produsert energi. For tiden er en av de mest effektive kommersielle modellene PC25 Model C brenselcelle. I likhet med modell "A", er dette en helautomatisk brenselcelle av PAFC-typen med en effekt på 200 kW, designet for å installeres direkte på det betjente objektet som en uavhengig kilde til varme og elektrisitet. En slik brenselcelle kan installeres utenfor bygget. Utad er det et parallellepipedum 5,5 m langt, 3 m bredt og 3 m høyt, som veier 18 140 kg. Forskjellen fra tidligere modeller er en forbedret reformer og høyere strømtetthet.
| Tabell 1 Omfang av brenselceller |
|||||||||||||||
|
I noen typer brenselceller kan den kjemiske prosessen reverseres: Ved å påføre en potensialforskjell på elektrodene kan vann spaltes til hydrogen og oksygen, som samles på porøse elektroder. Når en last kobles til, vil en slik regenerativ brenselcelle begynne å generere elektrisk energi.
En lovende retning for bruk av brenselceller er bruken av dem sammen med fornybare energikilder, som solcellepaneler eller vindturbiner. Denne teknologien lar deg helt unngå luftforurensning. Et lignende system er planlagt opprettet, for eksempel ved Adam Joseph Lewis Training Center i Oberlin (se ABOK, 2002, nr. 5, s. 10). For tiden brukes solcellepaneler som en av energikildene i dette bygget. Sammen med NASA-spesialister ble det utviklet et prosjekt for å bruke solcellepaneler til å produsere hydrogen og oksygen fra vann ved elektrolyse. Hydrogenet brukes deretter i brenselceller til å generere elektrisitet og varmtvann. Dette vil tillate bygningen å opprettholde ytelsen til alle systemer under overskyede dager og om natten.
Prinsippet for drift av brenselceller
La oss vurdere prinsippet for drift av en brenselcelle ved å bruke det enkleste elementet med en protonutvekslingsmembran (Proton Exchange Membrane, PEM) som et eksempel. Et slikt element består av en polymermembran plassert mellom anoden (positiv elektrode) og katoden (negativ elektrode) sammen med anode- og katodekatalysatorene. En polymermembran brukes som elektrolytt. Diagrammet av PEM-elementet er vist i fig. fem.
En protonutvekslingsmembran (PEM) er en tynn (omtrent 2-7 ark med vanlig papirtykk) fast organisk forbindelse. Denne membranen fungerer som en elektrolytt: den skiller materie i positivt og negativt ladede ioner i nærvær av vann.
En oksidativ prosess skjer ved anoden, og en reduksjonsprosess skjer ved katoden. Anoden og katoden i PEM-cellen er laget av et porøst materiale, som er en blanding av partikler av karbon og platina. Platina fungerer som en katalysator som fremmer dissosiasjonsreaksjonen. Anoden og katoden er gjort porøse for fri passasje av henholdsvis hydrogen og oksygen gjennom dem.
Anoden og katoden er plassert mellom to metallplater, som tilfører hydrogen og oksygen til anoden og katoden, og fjerner varme og vann, samt elektrisk energi.
Hydrogenmolekyler går gjennom kanalene i platen til anoden, hvor molekylene brytes ned til individuelle atomer (fig. 6).
Figur 5 () Skjematisk diagram av en proton exchange membrane (PEM) brenselcelle |
|
Figur 6 () Hydrogenmolekyler gjennom kanalene i platen kommer inn i anoden, hvor molekylene dekomponeres til individuelle atomer |
|
Figur 7 () Som et resultat av kjemisorpsjon i nærvær av en katalysator, omdannes hydrogenatomer til protoner |
|
Figur 8 () Positivt ladede hydrogenioner diffunderer gjennom membranen til katoden, og elektronstrømmen ledes til katoden gjennom en ekstern elektrisk krets som lasten er koblet til. |
|
Figur 9 () Oksygen som tilføres katoden, i nærvær av en katalysator, går inn i en kjemisk reaksjon med hydrogenioner fra protonutvekslingsmembranen og elektroner fra den eksterne elektriske kretsen. Vann dannes som et resultat av en kjemisk reaksjon |
Deretter, som et resultat av kjemisorpsjon i nærvær av en katalysator, omdannes hydrogenatomer, som hver donerer ett elektron e - , til positivt ladede hydrogenioner H+, dvs. protoner (fig. 7).
Positivt ladede hydrogenioner (protoner) diffunderer gjennom membranen til katoden, og elektronstrømmen ledes til katoden gjennom en ekstern elektrisk krets som lasten (forbrukeren av elektrisk energi) er koblet til (fig. 8).
Oksygen som tilføres katoden, i nærvær av en katalysator, går inn i en kjemisk reaksjon med hydrogenioner (protoner) fra protonutvekslingsmembranen og elektroner fra den eksterne elektriske kretsen (fig. 9). Som et resultat av en kjemisk reaksjon dannes vann.
Den kjemiske reaksjonen i en brenselcelle av andre typer (for eksempel med en sur elektrolytt, som er en løsning av fosforsyre H 3 PO 4) er helt identisk med den kjemiske reaksjonen i en brenselcelle med protonutvekslingsmembran.
I enhver brenselcelle frigjøres en del av energien til en kjemisk reaksjon som varme.
Strømmen av elektroner i en ekstern krets er en likestrøm som brukes til å utføre arbeid. Å åpne den eksterne kretsen eller stoppe bevegelsen av hydrogenioner stopper den kjemiske reaksjonen.
Mengden elektrisk energi som produseres av en brenselcelle avhenger av typen brenselcelle, geometriske dimensjoner, temperatur, gasstrykk. En enkelt brenselcelle gir en EMF på mindre enn 1,16 V. Det er mulig å øke størrelsen på brenselcellene, men i praksis brukes flere celler, koblet i batterier (fig. 10).
Brenselcelleenhet
La oss vurdere brenselcelleenheten på eksemplet med PC25 Model C-modellen. Skjemaet til brenselcellen er vist i fig. elleve.
Brenselcellen "PC25 Model C" består av tre hoveddeler: brenselprosessoren, selve kraftproduksjonsdelen og spenningsomformeren.
Hoveddelen av brenselcellen - kraftproduksjonsdelen - er en stabel som består av 256 individuelle brenselceller. Sammensetningen av brenselcelleelektrodene inkluderer en platinakatalysator. Gjennom disse cellene genereres en elektrisk likestrøm på 1400 ampere ved en spenning på 155 volt. Dimensjonene til batteriet er omtrent 2,9 m i lengde og 0,9 m i bredde og høyde.
Siden den elektrokjemiske prosessen foregår ved en temperatur på 177 ° C, er det nødvendig å varme batteriet ved oppstart og fjerne varme fra det under drift. For å gjøre dette inkluderer brenselcellen en separat vannkrets, og batteriet er utstyrt med spesielle kjøleplater.
Drivstoffprosessoren lar deg konvertere naturgass til hydrogen, noe som er nødvendig for en elektrokjemisk reaksjon. Denne prosessen kalles reformering. Hovedelementet i drivstoffprosessoren er reformatoren. I reformatoren reagerer naturgass (eller annet hydrogenholdig drivstoff) med damp ved høy temperatur (900 °C) og høyt trykk i nærvær av en nikkelkatalysator. Følgende kjemiske reaksjoner finner sted:
CH 4 (metan) + H 2 O 3H 2 + CO
(reaksjon endotermisk, med varmeabsorpsjon);
CO + H 2 O H 2 + CO 2
(reaksjonen er eksoterm, med frigjøring av varme).
Den generelle reaksjonen uttrykkes ved ligningen:
CH 4 (metan) + 2H 2 O 4H 2 + CO 2
(reaksjon endoterm, med varmeabsorpsjon).
For å tilveiebringe den høye temperaturen som kreves for naturgasskonvertering, ledes en del av det brukte brenselet fra brenselcellestabelen til en brenner som holder reformatoren ved den nødvendige temperaturen.
Dampen som kreves for reformering genereres fra kondensatet som dannes under driften av brenselcellen. I dette tilfellet brukes varmen som fjernes fra brenselcellestabelen (fig. 12).
Brenselcellestabelen genererer en intermitterende likestrøm, som er preget av lav spenning og høy strøm. En spenningsomformer brukes til å konvertere den til industriell standard AC. I tillegg inkluderer spenningsomformerenheten ulike kontrollenheter og sikkerhetssperrekretser som gjør at brenselcellen kan slås av ved ulike feil.
I en slik brenselcelle kan omtrent 40 % av energien i brenselet omdannes til elektrisk energi. Omtrent samme mengde, ca. 40 % av brenselenergien, kan omdannes til termisk energi, som deretter brukes som varmekilde til oppvarming, varmtvannsforsyning og lignende formål. Dermed kan den totale effektiviteten til et slikt anlegg nå 80%.
En viktig fordel med en slik kilde til varme og elektrisitet er muligheten for automatisk drift. For vedlikehold trenger ikke eierne av anlegget som brenselcellen er installert på å vedlikeholde spesialutdannet personell - periodisk vedlikehold kan utføres av ansatte i driftsorganisasjonen.
Typer brenselceller
For tiden er flere typer brenselceller kjent, som er forskjellige i sammensetningen av elektrolytten som brukes. Følgende fire typer er mest utbredt (tabell 2):
1. Brenselceller med protonutvekslingsmembran (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC).
2. Brenselceller basert på ortofosforsyre (fosforsyre) (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC).
3. Brenselceller basert på smeltet karbonat (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).
4. Fast oksid brenselceller (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC). Foreløpig er den største flåten av brenselceller bygget på grunnlag av PAFC-teknologi.
En av de viktigste egenskapene til forskjellige typer brenselceller er driftstemperaturen. På mange måter er det temperaturen som bestemmer brenselcellenes omfang. For eksempel er høye temperaturer kritiske for bærbare datamaskiner, så protomed lave driftstemperaturer utvikles for dette markedssegmentet.
For autonom strømforsyning av bygninger kreves brenselceller med høy installert kapasitet, og samtidig er det mulig å bruke termisk energi, derfor kan andre typer brenselceller også brukes til disse formålene.
Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC)
Disse brenselcellene opererer ved relativt lave driftstemperaturer (60-160°C). De er preget av høy effekttetthet, lar deg raskt justere utgangseffekten og kan raskt slås på. Ulempen med denne typen elementer er de høye kravene til drivstoffkvalitet, siden forurenset drivstoff kan skade membranen. Den nominelle effekten til brenselceller av denne typen er 1-100 kW.
Protoble opprinnelig utviklet av General Electric Corporation på 1960-tallet for NASA. Denne typen brenselceller bruker en solid state polymer elektrolytt kalt en Proton Exchange Membrane (PEM). Protoner kan bevege seg gjennom protonutvekslingsmembranen, men elektroner kan ikke passere gjennom den, noe som resulterer i en potensialforskjell mellom katoden og anoden. På grunn av deres enkelhet og pålitelighet ble slike brenselceller brukt som en strømkilde på det bemannede romfartøyet Gemini.
Denne typen brenselceller brukes som strømkilde for en lang rekke forskjellige enheter, inkludert prototyper og prototyper, fra mobiltelefoner til busser og stasjonære kraftsystemer. Den lave driftstemperaturen gjør at slike celler kan brukes til å drive ulike typer komplekse elektroniske enheter. Mindre effektiv er bruken av dem som varme- og strømforsyning for offentlige og industrielle bygninger, der det kreves store mengder termisk energi. Samtidig er slike elementer lovende som en autonom strømforsyningskilde for små boligbygg som hytter bygget i regioner med varmt klima.
| tabell 2 Typer brenselceller |
||||||||||||||||||||
|
Fosforsyre brenselceller (PAFC)
Tester av brenselceller av denne typen ble utført allerede på begynnelsen av 1970-tallet. Driftstemperaturområde - 150-200 °C. Hovedanvendelsesområdet er autonome varmekilder og strømforsyning med middels kraft (ca. 200 kW).
Elektrolytten som brukes i disse brenselcellene er en løsning av fosforsyre. Elektrodene er laget av papir belagt med karbon, der en platinakatalysator er dispergert.
Den elektriske effektiviteten til PAFC brenselceller er 37-42 %. Men siden disse brenselcellene opererer ved en tilstrekkelig høy temperatur, er det mulig å bruke dampen som genereres som et resultat av driften. I dette tilfellet kan den totale effektiviteten nå 80%.
For å generere energi må det hydrogenholdige råstoffet omdannes til rent hydrogen gjennom en reformeringsprosess. For eksempel, hvis bensin brukes som drivstoff, må svovelforbindelser fjernes, siden svovel kan skade platinakatalysatoren.
PAFC brenselceller var de første kommersielle brenselcellene som var økonomisk berettiget. Den vanligste modellen var 200 kW PC25 brenselcellen produsert av ONSI Corporation (nå United Technologies, Inc.) (fig. 13). For eksempel brukes disse elementene som en kilde til varme og elektrisitet på en politistasjon i New Yorks Central Park eller som en ekstra energikilde for Conde Nast Building & Four Times Square. Det største anlegget av denne typen testes som et 11 MW kraftverk lokalisert i Japan.
Brenselceller basert på fosforsyre brukes også som energikilde i kjøretøy. For eksempel, i 1994 utstyrte H-Power Corp., Georgetown University og US Department of Energy en buss med et 50 kW kraftverk.
Molten Carbonate Fuel Cells (MCFC)
Drivstoffceller av denne typen opererer ved svært høye temperaturer - 600-700 °C. Disse driftstemperaturene gjør at drivstoffet kan brukes direkte i selve cellen, uten behov for en separat reformer. Denne prosessen kalles "intern reformering". Det gjør det mulig å forenkle utformingen av brenselcellen betydelig.
Brenselceller basert på smeltet karbonat krever en betydelig oppstartstid og tillater ikke å raskt justere utgangseffekten, så deres hovedanvendelsesområde er store stasjonære varme- og elektrisitetskilder. Imidlertid utmerker de seg ved høy dr- 60 % elektrisk effektivitet og opptil 85 % total effektivitet.
I denne typen brenselceller består elektrolytten av kaliumkarbonat og litiumkarbonatsalter oppvarmet til ca. 650 °C. Under disse forholdene er saltene i smeltet tilstand, og danner en elektrolytt. Ved anoden interagerer hydrogen med CO 3-ioner, danner vann, karbondioksid og frigjør elektroner som sendes til den eksterne kretsen, og ved katoden samhandler oksygen med karbondioksid og elektroner fra den eksterne kretsen, og danner igjen CO 3-ioner.
Laboratorieprøver av brenselceller av denne typen ble laget på slutten av 1950-tallet av de nederlandske forskerne G. H. J. Broers og J. A. A. Ketelaar. På 1960-tallet jobbet ingeniør Francis T. Bacon, en etterkommer av en berømt engelsk forfatter og vitenskapsmann fra 1600-tallet, med disse elementene, og det er derfor MCFC-brenselceller noen ganger refereres til som Bacon-elementer. NASAs Apollo-, Apollo-Soyuz- og Scylab-programmer brukte nettopp slike brenselceller som strømkilde (fig. 14). I de samme årene testet den amerikanske militæravdelingen flere prøver av MCFC-brenselceller produsert av Texas Instruments, der bensin fra hæren ble brukt som drivstoff. På midten av 1970-tallet begynte det amerikanske energidepartementet forskning for å utvikle en stasjonær brenselcelle med smeltet karbonat egnet for praktiske bruksområder. På 1990-tallet ble en rekke kommersielle enheter vurdert opp til 250 kW satt i drift, slik som ved US Naval Air Station Miramar i California. I 1996, FuelCell Energy, Inc. satt i drift et 2 MW pre-serie-anlegg i Santa Clara, California.
Solid state oxide brenselceller (SOFC)
Solid-state oksid brenselceller er enkle i design og fungerer ved svært høye temperaturer - 700-1000 °C. Slike høye temperaturer tillater bruk av relativt "skittent", uraffinert drivstoff. De samme egenskapene som i brenselceller basert på smeltet karbonat bestemmer et lignende bruksområde - store stasjonære kilder til varme og elektrisitet.
Fastoksidbrenselceller er strukturelt forskjellige fra brenselceller basert på PAFC- og MCFC-teknologier. Anoden, katoden og elektrolytten er laget av spesielle kvaliteter av keramikk. Oftest brukes en blanding av zirkoniumoksid og kalsiumoksid som elektrolytt, men andre oksider kan brukes. Elektrolytten danner et krystallgitter belagt på begge sider med et porøst elektrodemateriale. Strukturelt er slike elementer laget i form av rør eller flate plater, noe som gjør det mulig å bruke teknologier som er mye brukt i elektronikkindustrien i produksjonen. Som et resultat kan faststoffoksidbrenselceller operere ved svært høye temperaturer, slik at de kan brukes til å produsere både elektrisk og termisk energi.
Ved høye driftstemperaturer dannes det oksygenioner ved katoden, som migrerer gjennom krystallgitteret til anoden, hvor de samhandler med hydrogenioner, danner vann og frigjør frie elektroner. I dette tilfellet frigjøres hydrogen fra naturgass direkte i cellen, det vil si at det ikke er behov for en separat reformator.
Det teoretiske grunnlaget for etableringen av faststoffoksidbrenselceller ble lagt tilbake på slutten av 1930-tallet, da de sveitsiske forskere Bauer (Emil Bauer) og Preis (H. Preis) eksperimenterte med zirkonium, yttrium, cerium, lantan og wolfram ved å bruke dem. som elektrolytter.
De første prototypene av slike brenselceller ble laget på slutten av 1950-tallet av en rekke amerikanske og nederlandske selskaper. De fleste av disse selskapene forlot snart videre forskning på grunn av teknologiske vanskeligheter, men ett av dem, Westinghouse Electric Corp. (nå "Siemens Westinghouse Power Corporation"), fortsatte arbeidet. Selskapet aksepterer for tiden forhåndsbestillinger for en kommersiell modell av rørformet topologi med fast oksid brenselcelle som forventes i år (Figur 15). Markedssegmentet for slike elementer er stasjonære installasjoner for produksjon av varme og elektrisk energi med en kapasitet på 250 kW til 5 MW.
SOFC-type brenselceller har vist svært høy pålitelighet. For eksempel har en Siemens Westinghouse brenselcelleprototype logget 16 600 timer og fortsetter å fungere, noe som gjør den til den lengste kontinuerlige brenselcellens levetid i verden.
Den høye temperaturen og høytrykksdriftsmodusen til SOFC brenselceller gjør det mulig å lage hybridanlegg, der brenselcelleutslipp driver gassturbiner som brukes til å generere elektrisitet. Det første slike hybridanlegg er i drift i Irvine, California. Merkeeffekten til dette anlegget er 220 kW, hvorav 200 kW fra brenselcellen og 20 kW fra mikroturbingeneratoren.
En brenselcelle er en enhet som effektivt genererer varme og likestrøm gjennom en elektrokjemisk reaksjon og bruker hydrogenrikt drivstoff. Etter operasjonsprinsippet ligner det på batteriet. Strukturelt er brenselcellen representert av en elektrolytt. Hvorfor er han bemerkelsesverdig? I motsetning til batterier, lagrer ikke hydrogenbrenselceller elektrisk energi, trenger ikke strøm for å lade opp og utlades ikke. Celler fortsetter å produsere elektrisitet så lenge de har tilgang på luft og brensel.
Egendommer
Forskjellen mellom brenselceller og andre kraftgeneratorer er at de ikke brenner drivstoff under drift. På grunn av denne funksjonen trenger de ikke høytrykksrotorer, avgir ikke høy støy og vibrasjoner. Elektrisitet i brenselceller genereres av en stille elektrokjemisk reaksjon. Den kjemiske energien til drivstoffet i slike enheter omdannes direkte til vann, varme og elektrisitet.
Brenselceller er svært effektive og produserer ikke store mengder klimagasser. Utgangen fra cellene under drift er en liten mengde vann i form av damp og karbondioksid, som ikke frigjøres hvis rent hydrogen brukes som drivstoff.
Utseendehistorie
På 1950- og 1960-tallet provoserte NASAs behov for energikilder til langsiktige romfart en av de mest krevende oppgavene for brenselceller som fantes på den tiden. Alkaliske celler bruker oksygen og hydrogen som brensel, som i løpet av en elektrokjemisk reaksjon omdannes til biprodukter som er nyttige under romflukt - elektrisitet, vann og varme.
Brenselceller ble først oppdaget på begynnelsen av 1800-tallet - i 1838. Samtidig dukket den første informasjonen om deres effektivitet opp.
Arbeidet med brenselceller ved bruk av alkaliske elektrolytter begynte på slutten av 1930-tallet. Høytrykks nikkelbelagte elektrodeceller ble ikke oppfunnet før i 1939. Under andre verdenskrig ble det utviklet brenselceller for britiske ubåter, bestående av alkaliske celler med en diameter på rundt 25 centimeter.
Interessen for dem økte på 1950-80-tallet, preget av mangel på petroleumsbrensel. Landene i verden begynte å håndtere spørsmål om luftforurensning og miljø, og streber etter å utvikle miljøvennlig teknologi for produksjon av brenselceller er i dag under aktiv utvikling.
Prinsipp for operasjon
Varme og elektrisitet genereres av brenselceller som et resultat av en elektrokjemisk reaksjon som foregår ved bruk av en katode, en anode og en elektrolytt.
Katoden og anoden er atskilt av en protonledende elektrolytt. Etter tilførsel av oksygen til katoden og hydrogen til anoden startes en kjemisk reaksjon som resulterer i varme, strøm og vann.
Dissosieres på anodekatalysatoren, noe som fører til tap av elektroner ved den. Hydrogenioner kommer inn i katoden gjennom elektrolytten, mens elektronene passerer gjennom det eksterne elektriske nettverket og lager en likestrøm som brukes til å drive utstyret. Oksygenmolekylet på katodekatalysatoren kombineres med et elektron og et innkommende proton, og danner til slutt vann, som er det eneste reaksjonsproduktet.
Typer
Valget av en bestemt type brenselcelle avhenger av bruksområdet. Alle brenselceller er delt inn i to hovedkategorier - høy temperatur og lav temperatur. Sistnevnte bruker rent hydrogen som drivstoff. Slike enheter krever som regel behandling av primærbrensel til rent hydrogen. Prosessen utføres ved hjelp av spesialutstyr.
Høytemperatur brenselceller trenger ikke dette fordi de konverterer drivstoffet ved høye temperaturer, og eliminerer behovet for en hydrogeninfrastruktur.
Prinsippet for drift av hydrogenbrenselceller er basert på konvertering av kjemisk energi til elektrisk energi uten ineffektive forbrenningsprosesser og transformasjon av termisk energi til mekanisk energi.
Generelle begreper
Hydrogen brenselceller er elektrokjemiske enheter som genererer elektrisitet ved høyeffektiv "kald" brenselforbrenning. Det finnes flere typer slike enheter. Den mest lovende teknologien anses å være hydrogen-luft brenselceller utstyrt med en proton-utvekslingsmembran PEMFC.
Den protonledende polymermembranen er designet for å skille to elektroder - katode og anode. Hver av dem er representert av en karbonmatrise belagt med en katalysator. dissosierer på anodekatalysatoren og donerer elektroner. Kationene ledes til katoden gjennom membranen, men elektronene overføres til den eksterne kretsen da membranen ikke er designet for å overføre elektroner.
Oksygenmolekylet på katodekatalysatoren kombineres med et elektron fra den elektriske kretsen og et innkommende proton, og danner til slutt vann, som er det eneste reaksjonsproduktet.
Hydrogenbrenselceller brukes til å produsere membran-elektrodeblokker, som fungerer som hovedgenererende elementer i energisystemet.
Fordeler med hydrogen brenselceller
Blant dem bør fremheves:
- Økt spesifikk varmekapasitet.
- Bredt driftstemperaturområde.
- Ingen vibrasjoner, støy og varmeflekker.
- Kaldstart pålitelighet.
- Mangel på selvutladning, noe som sikrer lang energilagringstid.
- Ubegrenset autonomi takket være muligheten til å justere energiintensiteten ved å endre antall drivstoffpatroner.
- Sikre nesten hvilken som helst energiintensitet ved å endre kapasiteten til hydrogenlageret.
- Lang levetid.
- Støyfri og miljøvennlig drift.
- Høyt nivå av energiintensitet.
- Toleranse for fremmede urenheter i hydrogen.
Bruksområde
På grunn av den høye effektiviteten brukes hydrogenbrenselceller på forskjellige felt:
- Bærbare ladere.
- Strømforsyningssystemer for UAV.
- Avbruddsfri strømforsyning.
- Andre enheter og utstyr.
Utsikter for hydrogenenergi
Den utbredte bruken av hydrogenperoksid brenselceller vil være mulig først etter etableringen av en effektiv metode for å produsere hydrogen. Det kreves nye ideer for å bringe teknologien i aktiv bruk, med store forhåpninger til konseptet biobrenselceller og nanoteknologi. Noen selskaper har relativt nylig gitt ut effektive katalysatorer basert på forskjellige metaller, samtidig har det dukket opp informasjon om etablering av brenselceller uten membraner, noe som gjorde det mulig å redusere produksjonskostnadene betydelig og forenkle utformingen av slike enheter. Fordelene og egenskapene til hydrogenbrenselceller oppveier ikke deres største ulempe - høye kostnader, spesielt sammenlignet med hydrokarbonenheter. Opprettelsen av ett hydrogenkraftverk krever minimum 500 tusen dollar.
Hvordan bygge en hydrogen brenselcelle?
En laveffekt brenselcelle kan lages uavhengig under forholdene til et vanlig hjem eller skolelaboratorium. Materialene som brukes er en gammel gassmaske, biter av pleksiglass, en vandig løsning av etylalkohol og alkali.
Gjør-det-selv hydrogenbrenselcellekroppen er laget av plexiglass med en tykkelse på minst fem millimeter. Skillevegger mellom rom kan være tynnere - ca 3 millimeter. Plexiglass limes sammen med et spesielt lim laget av kloroform eller dikloretan og plexiglassspon. Alt arbeid utføres kun når panseret er i gang.
Et hull med en diameter på 5-6 centimeter bores i den ytre veggen av kassen, hvor en gummipropp og et dreneringsglassrør er satt inn. Aktivert karbon fra en gassmaske helles inn i det andre og fjerde rommet i brenselcellekroppen - det vil bli brukt som en elektrode.
Drivstoffet vil sirkuleres i det første kammeret, mens det femte er fylt med luft, hvorfra oksygen tilføres. Elektrolytten, helles mellom elektrodene, er impregnert med en løsning av parafin og bensin for å forhindre at den kommer inn i luftkammeret. Kobberplater er plassert på et lag med kull med ledninger loddet til dem, gjennom hvilke strøm vil bli avledet.
Den sammensatte hydrogenbrenselcellen lades med vodka fortynnet med vann i forholdet 1:1. Kaustisk kalium tilsettes forsiktig til den resulterende blandingen: 70 gram kalium løses opp i 200 gram vann.
Før man tester en brenselcelle på hydrogen, helles drivstoff inn i det første kammeret, og elektrolytt i det tredje kammeret. Voltmeteret koblet til elektrodene skal vise mellom 0,7 og 0,9 volt. For å sikre kontinuerlig drift av elementet, må det brukte brenselet fjernes, og nytt drivstoff må helles gjennom gummirøret. Ved å klemme på røret kontrolleres drivstofftilførselshastigheten. Slike hydrogenbrenselceller, samlet hjemme, har en liten kraft.
brenselsceller Brenselceller er kjemiske kraftkilder. De utfører direkte konvertering av drivstoffenergi til elektrisitet, og omgår ineffektive forbrenningsprosesser med høyt tap. Denne elektrokjemiske enheten, som et resultat av svært effektiv "kald" forbrenning av drivstoff, genererer direkte elektrisitet.
Biokjemikere har fastslått at en biologisk hydrogen-oksygen brenselcelle er "bygd inn i" hver levende celle (se kapittel 2).
Kilden til hydrogen i kroppen er mat - fett, proteiner og karbohydrater. I magen, tarmene og cellene brytes det til slutt ned til monomerer, som igjen, etter en rekke kjemiske transformasjoner, gir hydrogen festet til bærermolekylet.
Oksygen fra luften kommer inn i blodet gjennom lungene, kombineres med hemoglobin og føres til alt vev. Prosessen med å kombinere hydrogen med oksygen er grunnlaget for kroppens bioenergi. Her, under milde forhold (romtemperatur, normalt trykk, vannmiljø), omdannes kjemisk energi med høy effektivitet til termisk, mekanisk (muskelbevegelse), elektrisitet (elektrisk rampe), lys (insekter som sender ut lys).
Mennesket gjentok nok en gang enheten for å skaffe energi skapt av naturen. Samtidig indikerer dette faktum utsiktene for retningen. Alle prosesser i naturen er svært rasjonelle, så skritt mot reell bruk av brenselceller gir håp for energifremtiden.
Oppdagelsen i 1838 av en hydrogen-oksygen brenselcelle tilhører den engelske forskeren W. Grove. Da han undersøkte nedbrytningen av vann til hydrogen og oksygen, oppdaget han en bivirkning - elektrolysatoren produserte en elektrisk strøm.
Hva brenner i en brenselcelle?
Fossilt brensel (kull, gass og olje) er for det meste karbon. Under forbrenning mister brenselatomer elektroner, og luft oksygenatomer får dem. Så i prosessen med oksidasjon blir karbon- og oksygenatomer kombinert til forbrenningsprodukter - karbondioksidmolekyler. Denne prosessen er kraftig: atomene og molekylene til stoffene som er involvert i forbrenningen får høye hastigheter, og dette fører til en økning i temperaturen. De begynner å avgi lys - en flamme dukker opp.
Den kjemiske reaksjonen ved karbonforbrenning har formen:
C + O2 = CO2 + varme
I forbrenningsprosessen omdannes kjemisk energi til termisk energi på grunn av utveksling av elektroner mellom atomene i drivstoffet og oksidasjonsmidlet. Denne utvekslingen skjer tilfeldig.
Forbrenning er utveksling av elektroner mellom atomer, og elektrisk strøm er rettet bevegelse av elektroner. Hvis elektronene i prosessen med en kjemisk reaksjon tvinges til å gjøre arbeid, vil temperaturen i forbrenningsprosessen synke. I FC blir elektroner tatt fra reaktantene ved den ene elektrode, de gir fra seg energien i form av en elektrisk strøm og går sammen med reaktantene ved den andre.
Grunnlaget for enhver HIT er to elektroder forbundet med en elektrolytt. En brenselcelle består av en anode, en katode og en elektrolytt (se kap. 2). Oksiderer ved anoden, dvs. donerer elektroner, reduksjonsmidlet (CO eller H2 drivstoff), frie elektroner fra anoden kommer inn i den eksterne kretsen, og positive ioner beholdes ved anode-elektrolytt-grensesnittet (CO+, H+). Fra den andre enden av kjeden nærmer elektronene seg katoden, hvorpå reduksjonsreaksjonen finner sted (tilsetning av elektroner av oksidasjonsmidlet O2–). Oksydasjonsionene blir deretter ført av elektrolytten til katoden.
I FC bringes tre faser av det fysisk-kjemiske systemet sammen:
gass (drivstoff, oksidasjonsmiddel);
elektrolytt (leder av ioner);
metallelektrode (leder av elektroner).
I brenselceller blir energien til redoksreaksjonen omdannet til elektrisk energi, og prosessene med oksidasjon og reduksjon er romlig atskilt av en elektrolytt. Elektrodene og elektrolytten deltar ikke i reaksjonen, men i ekte design blir de forurenset med drivstoffurenheter over tid. Elektrokjemisk forbrenning kan foregå ved lave temperaturer og praktisk talt uten tap. På fig. p087 viser situasjonen der en blanding av gasser (CO og H2) kommer inn i brenselcellen, dvs. det kan brenne gassformig drivstoff (se kap. 1). Dermed viser TE seg å være "altetende".
Bruken av brenselceller kompliseres av det faktum at drivstoff må "forberedes" for dem. For brenselceller oppnås hydrogen ved omdannelse av organisk brensel eller kullgassifisering. Derfor inkluderer blokkskjemaet for et kraftverk på en brenselcelle, i tillegg til batteriene til en brenselcelle, en DC-til-AC-omformer (se kapittel 3) og hjelpeutstyr, en hydrogenproduksjonsenhet.
To retninger for FC-utvikling
Det er to bruksområder for brenselceller: autonom og storskala energi.
For autonom bruk er spesifikke egenskaper og brukervennlighet de viktigste. Kostnaden for generert energi er ikke hovedindikatoren.
For stor kraftproduksjon er effektivitet en avgjørende faktor. I tillegg skal installasjonene være holdbare, ikke inneholde dyre materialer og bruke naturlig brensel med minimale klargjøringskostnader.
De største fordelene gir bruk av brenselceller i en bil. Her, som ingen andre steder, vil kompaktheten til brenselceller ha effekt. Med direkte mottak av elektrisitet fra drivstoff, vil besparelsen av sistnevnte være omtrent 50%.
For første gang ble ideen om å bruke brenselceller i storskala kraftteknikk formulert av den tyske forskeren W. Oswald i 1894. Senere ble ideen om å skape effektive kilder til autonom energi basert på en brenselcelle utviklet.
Deretter ble det gjort gjentatte forsøk på å bruke kull som virkestoff i brenselceller. På 1930-tallet laget den tyske forskeren E. Bauer en laboratorieprototype av en brenselcelle med en fast elektrolytt for direkte anodisk oksidasjon av kull. Samtidig ble oksygen-hydrogen brenselceller studert.
I 1958, i England, opprettet F. Bacon det første oksygen-hydrogen-anlegget med en kapasitet på 5 kW. Men det var tungvint på grunn av bruk av høyt gasstrykk (2 ... 4 MPa).
Siden 1955 har K. Kordesh utviklet lavtemperatur oksygen-hydrogen brenselceller i USA. De brukte karbonelektroder med platinakatalysatorer. I Tyskland jobbet E. Yust med å lage ikke-platinakatalysatorer.
Etter 1960 ble demonstrasjons- og reklameprøver laget. Den første praktiske anvendelsen av brenselceller ble funnet på Apollo-romfartøyet. De var hovedkraftverkene for å drive utstyret ombord og ga astronautene vann og varme.
De viktigste bruksområdene for off-grid FC-installasjoner har vært militære og marineapplikasjoner. På slutten av 1960-tallet sank omfanget av forskning på brenselceller, og etter 1980-tallet økte det igjen i forhold til storskala energi.
VARTA har utviklet FC-er ved bruk av dobbeltsidige gassdiffusjonselektroder. Elektroder av denne typen kalles "Janus". Siemens har utviklet elektroder med effekttetthet opp til 90 W/kg. I USA utføres arbeidet med oksygen-hydrogenceller av United Technology Corp.
I storskalakraftindustrien er bruken av brenselceller til storskala energilagring, for eksempel produksjon av hydrogen (se kap. 1), svært lovende. (sol og vind) er spredt (se kap. 4). Deres seriøse bruk, som er uunnværlig i fremtiden, er utenkelig uten romslige batterier som lagrer energi i en eller annen form.
Problemet med akkumulering er allerede relevant i dag: daglige og ukentlige svingninger i belastningen av kraftsystemer reduserer effektiviteten betydelig og krever såkalte manøvrerbare kapasiteter. Et av alternativene for et elektrokjemisk energilager er en brenselcelle i kombinasjon med elektrolysatorer og gassholdere*.
* Gassholder [gass + engelsk. holder] - lagring for store mengder gass.
Den første generasjonen av TE
Middels temperatur brenselceller av første generasjon, som opererer ved en temperatur på 200...230°C på flytende brensel, naturgass eller teknisk hydrogen*, har nådd den største teknologiske perfeksjon. Elektrolytten i dem er fosforsyre, som fyller den porøse karbonmatrisen. Elektrodene er laget av karbon og katalysatoren er platina (platina brukes i mengder i størrelsesorden noen få gram per kilowatt strøm).
* Kommersielt hydrogen er et fossilt brenselkonverteringsprodukt som inneholder mindre urenheter av karbonmonoksid.
Et slikt kraftverk ble satt i drift i delstaten California i 1991. Den består av atten batterier som veier 18 tonn hver og er plassert i en kasse med en diameter på litt over 2 m og en høyde på ca 5 m. Batteribytteprosedyren er tenkt ut ved hjelp av en rammekonstruksjon som beveger seg langs skinner.
USA leverte to kraftverk til Japan til Japan. Den første av dem ble lansert tidlig i 1983. Driftsytelsen til stasjonen tilsvarte de beregnede. Hun jobbet med en belastning på 25 til 80 % av det nominelle. Virkningsgraden nådde 30...37% - dette er nær moderne store termiske kraftverk. Dens oppstartstid fra kald tilstand er fra 4 timer til 10 minutter, og varigheten av kraftendringen fra null til full er bare 15 sekunder.
Nå i forskjellige deler av USA testes små kraftvarmeverk med en kapasitet på 40 kW med en drivstoffutnyttelsesfaktor på ca. 80 %. De kan varme vann opp til 130°C og plasseres i vaskerier, idrettsanlegg, kommunikasjonspunkter osv. Rundt hundre installasjoner har allerede fungert i til sammen hundretusenvis av timer. Miljøvennligheten til FC-kraftverk gjør at de kan plasseres direkte i byer.
Det første drivstoffkraftverket i New York, med en kapasitet på 4,5 MW, okkuperte et område på 1,3 hektar. Nå trengs det for nye anlegg med en kapasitet på to og en halv ganger mer en tomt på 30x60 m. Det bygges flere demonstrasjonskraftverk med en kapasitet på 11 MW. Byggetiden (7 måneder) og arealet (30x60 m) som beslaglegges av kraftverket er slående. Beregnet levetid for nye kraftverk er 30 år.
Andre og tredje generasjon TE
De beste egenskapene blir allerede designet modulære anlegg med en kapasitet på 5 MW med middels temperatur brenselceller av andre generasjon. De opererer ved temperaturer på 650...700°C. Deres anoder er laget av sintrede partikler av nikkel og krom, katoder er laget av sintret og oksidert aluminium, og elektrolytten er en blanding av litium- og kaliumkarbonater. Forhøyet temperatur hjelper til med å løse to store elektrokjemiske problemer:
redusere "forgiftningen" av katalysatoren med karbonmonoksid;
øke effektiviteten til prosessen med reduksjon av oksidasjonsmidlet ved katoden.
Høytemperatur brenselceller av tredje generasjon med en elektrolytt av faste oksider (hovedsakelig zirkoniumdioksid) vil være enda mer effektive. Deres driftstemperatur er opptil 1000°C. Effektiviteten til kraftverk med slike brenselceller er nær 50 %. Her er produktene fra gassifisering av stenkull med et betydelig innhold av karbonmonoksid også egnet som drivstoff. Like viktig er at spillvarme fra høytemperaturanlegg kan brukes til å produsere damp for å drive turbiner for elektriske generatorer.
Vestingaus har vært i brenselcellebransjen for fast oksid siden 1958. Den utvikler kraftverk med en kapasitet på 25 ... 200 kW, der gassformig drivstoff fra kull kan brukes. Forsøksinstallasjoner med en kapasitet på flere megawatt klargjøres for testing. Et annet amerikansk firma, Engelgurd, designer 50 kW brenselceller som går på metanol med fosforsyre som elektrolytt.
Flere og flere firmaer over hele verden er involvert i å lage brenselceller. Amerikanske United Technology og japanske Toshiba dannet International Fuel Cells Corporation. I Europa driver det belgisk-nederlandske konsortiet Elenko, det vesttyske selskapet Siemens, italienske Fiat og britiske Jonson Metju med brenselceller.
Victor LAVRUS.
Hvis du likte dette materialet, tilbyr vi deg et utvalg av de beste materialene på nettstedet vårt i henhold til våre lesere. Du kan finne et utvalg - TOPP om miljøvennlige teknologier, ny vitenskap og vitenskapelige funn der det er mest praktisk for degBRENSELCELLE
elektrokjemisk generator, en enhet som gir direkte konvertering av kjemisk energi til elektrisk energi. Selv om det samme skjer i elektriske batterier, har brenselceller to viktige forskjeller: 1) de fungerer så lenge drivstoffet og oksidasjonsmidlet tilføres fra en ekstern kilde; 2) den kjemiske sammensetningen av elektrolytten endres ikke under drift, dvs. brenselcellen trenger ikke lades.
se også STRØMFORSYNINGS BATTERI .
Driftsprinsipp. Brenselcellen (fig. 1) består av to elektroder atskilt med en elektrolytt, og systemer for tilførsel av brensel til den ene elektrode og et oksidasjonsmiddel til den andre, samt et system for fjerning av reaksjonsprodukter. I de fleste tilfeller brukes katalysatorer for å fremskynde en kjemisk reaksjon. Brenselcellen er koblet med en ekstern elektrisk krets til en last som forbruker strøm.
I den som er vist i fig. I en sur brenselcelle mates hydrogen gjennom en hul anode og kommer inn i elektrolytten gjennom svært fine porer i elektrodematerialet. I dette tilfellet blir hydrogenmolekyler dekomponert til atomer, som, som et resultat av kjemisorpsjon, som hver donerer ett elektron, blir til positivt ladede ioner. Denne prosessen kan beskrives med følgende ligninger:
Hydrogenioner diffunderer gjennom elektrolytten mot den positive siden av cellen. Oksygenet som tilføres katoden passerer inn i elektrolytten og reagerer også på elektrodeoverflaten med deltagelse av katalysatoren. Når det kombineres med hydrogenioner og elektroner som kommer fra den eksterne kretsen, dannes vann:
Brenselceller med alkaliske elektrolytter (vanligvis konsentrerte natrium- eller kaliumhydroksider) gjennomgår lignende kjemiske reaksjoner. Hydrogen passerer gjennom anoden og reagerer i nærvær av en katalysator med hydroksylioner (OH-) tilstede i elektrolytten for å danne vann og et elektron:
Ved katoden reagerer oksygen med vann i elektrolytten og elektroner fra den eksterne kretsen. I påfølgende reaksjonstrinn dannes hydroksylioner (så vel som perhydroksyl O2H-). Den resulterende reaksjonen ved katoden kan skrives som:
Strømmen av elektroner og ioner opprettholder balansen mellom ladning og materie i elektrolytten. Vannet som dannes som et resultat av reaksjonen fortynner delvis elektrolytten. I enhver brenselcelle omdannes en del av energien til en kjemisk reaksjon til varme. Strømmen av elektroner i en ekstern krets er en likestrøm som brukes til å utføre arbeid. De fleste reaksjoner i brenselceller gir en EMF på ca. 1 V. Åpning av kretsen eller stoppe bevegelsen av ioner stopper brenselcellen fra å fungere. Prosessen som skjer i en hydrogen-oksygen brenselcelle er i sin natur det motsatte av den velkjente elektrolyseprosessen, der vann dissosieres når en elektrisk strøm går gjennom elektrolytten. Faktisk, i noen typer brenselceller kan prosessen reverseres - ved å legge en spenning på elektrodene, kan vann spaltes til hydrogen og oksygen, som kan samles ved elektrodene. Hvis du slutter å lade cellen og kobler en last til den, vil en slik regenerativ brenselcelle umiddelbart begynne å fungere i normal modus. Teoretisk sett kan dimensjonene til brenselcellen være vilkårlig store. Men i praksis kombineres flere celler til små moduler eller batterier, som kobles enten i serie eller parallelt.
Typer brenselceller. Det finnes ulike typer brenselceller. De kan klassifiseres, for eksempel i henhold til drivstoffet som brukes, driftstrykket og temperaturen, og applikasjonens art.
Elementer på hydrogendrivstoff. I denne typiske cellen beskrevet ovenfor overføres hydrogen og oksygen til elektrolytten gjennom mikroporøse karbon- eller metallelektroder. Høy strømtetthet oppnås i celler som opererer ved høye temperaturer (ca. 250°C) og høyt trykk. Celler som bruker hydrogendrivstoff hentet fra prosessering av hydrokarbondrivstoff, som naturgass eller petroleumsprodukter, vil tilsynelatende finne den bredeste kommersielle anvendelsen. Ved å kombinere et stort antall elementer kan du lage kraftige kraftverk. I disse installasjonene konverteres likestrømmen som genereres av cellene til vekselstrøm med standard parametere. En ny type grunnstoffer som er i stand til å operere på hydrogen og oksygen ved normal temperatur og trykk er grunnstoffer med ionebyttermembraner (fig. 2). I disse cellene, i stedet for en flytende elektrolytt, er en polymermembran plassert mellom elektrodene, gjennom hvilken ioner fritt passerer. I slike celler kan luft brukes sammen med oksygen. Vannet som dannes under driften av cellen løser ikke opp den faste elektrolytten og kan lett fjernes.
Elementer på hydrokarbon og kullbrensel. Brenselceller som kan konvertere den kjemiske energien til allment tilgjengelige og relativt rimelige drivstoff som propan, naturgass, metanol, parafin eller bensin direkte til elektrisitet er gjenstand for intens forskning. Det er imidlertid ennå ikke oppnådd betydelig fremgang i utviklingen av brenselceller som opererer på gasser hentet fra hydrokarbonbrensel ved normale temperaturer. For å øke reaksjonshastigheten til hydrokarbon- og kulldrivstoff, er det nødvendig å øke driftstemperaturen til brenselcellen. Elektrolytter er smelter av karbonater eller andre salter, som er innelukket i en porøs keramisk matrise. Drivstoffet "splittes" i cellen for å danne hydrogen og karbonmonoksid, som holder den strømgenererende reaksjonen i gang i cellen. Elementer som fungerer på andre typer drivstoff. I prinsippet trenger ikke reaksjoner i brenselceller å være oksidasjonsreaksjoner av konvensjonelt drivstoff. I fremtiden kan andre kjemiske reaksjoner bli funnet som vil tillate effektiv direkte generering av elektrisitet. I noen enheter oppnås elektrisitet ved å oksidere for eksempel sink, natrium eller magnesium, som forbrukselektroder er laget av.
Effektivitet.Å konvertere energien til konvensjonelt brensel (kull, olje, naturgass) til elektrisitet har så langt vært en flertrinnsprosess. Å brenne et drivstoff for å produsere dampen eller gassen som trengs for å drive en turbin eller forbrenningsmotor, som igjen driver en elektrisk generator, er ikke en veldig effektiv prosess. Faktisk er energiutnyttelsesfaktoren for en slik transformasjon begrenset av termodynamikkens andre lov, og den kan neppe heves vesentlig over det eksisterende nivået (se også VARME; TERMODYNAMIKK). Drtil de mest moderne dampturbinkraftverkene overstiger ikke 40%. For brenselceller er det ingen termodynamisk begrensning på energiutnyttelsesfaktoren. I eksisterende brenselceller blir 60 til 70 % av brenselenergien direkte omdannet til elektrisitet, og brenselcellekraftverk som bruker hydrogen fra hydrokarbonbrensel er designet for 40-45 % effektivitet.
Applikasjoner. Brenselceller kan i nær fremtid bli en mye brukt energikilde i transport, industri og husholdninger. De høye kostnadene for brenselceller har begrenset deres bruk i militære og romfartsapplikasjoner. Tiltenkte bruksområder for brenselceller inkluderer deres bruk som bærbare strømkilder for militære behov og kompakte alternative strømkilder for jordnære satellitter med solcellepaneler når de passerer gjennom utvidede skyggeseksjoner av banen. Den lille størrelsen og massen til brenselceller gjorde det mulig å bruke dem i bemannede flyreiser til Månen. Drivstoffceller ombord på treseters Apollo-romfartøyet ble brukt til å drive datamaskiner om bord og radiokommunikasjonssystemer. Brenselceller kan brukes til å drive utstyr i avsidesliggende områder, for terrengkjøretøyer, for eksempel i konstruksjon. Kombinert med en DC-elektrisk motor, vil brenselcellen være en effektiv kilde til fremdrift av kjøretøy. For utbredt bruk av brenselceller kreves betydelige teknologiske fremskritt, kostnadsreduksjoner og mulighet for effektiv bruk av billig drivstoff. Når disse betingelsene er oppfylt, vil brenselceller gjøre elektrisk og mekanisk energi allment tilgjengelig over hele verden.
se også ENERGISKE RESSURSER .
LITTERATUR
Bagotsky V.S., Skundin A.M. Kjemiske strømkilder. M., 1981 Crompton T. Aktuelle kilder. M., 1985, 1986
Collier Encyclopedia. – Åpent samfunn. 2000 .
Se hva "FUEL CELL" er i andre ordbøker:
DRIVSTOFFELEMENT, ELEKTROKJEMISK ELEMENT for direkte konvertering av drivstoffoksidasjonsenergi til elektrisk energi. Følgende utformede elektroder er nedsenket i en ELEKTROLYTT, og drivstoff (for eksempel hydrogen) tilføres en ... Vitenskapelig og teknisk encyklopedisk ordbok
En galvanisk celle hvor redoksreaksjonen opprettholdes av en kontinuerlig tilførsel av reagenser (drivstoff, f.eks. hydrogen, og oksidasjonsmiddel, f.eks. oksygen) fra spesielle reservoarer. Den viktigste delen ... ... Stor encyklopedisk ordbok
brenselcelle- Et primærelement der elektrisk energi genereres ved elektrokjemiske reaksjoner mellom aktive stoffer som kontinuerlig tilføres elektrodene fra utsiden. [GOST 15596 82] EN brenselcellecelle som kan endre kjemisk energi fra … … Teknisk oversetterhåndbok
Direkte metanol brenselcelle En brenselcelle er en elektrokjemisk enhet som ligner på, men forskjellig fra, en galvanisk celle ... Wikipedia
En brenselcelle er en elektrokjemisk energikonverteringsenhet som omdanner hydrogen og oksygen til elektrisitet gjennom en kjemisk reaksjon. Som et resultat av denne prosessen dannes vann og en stor mengde varme frigjøres. En brenselcelle ligner veldig på et batteri som kan lades og deretter brukes til å lagre elektrisk energi.
Oppfinneren av brenselcellen er William R. Grove, som oppfant den tilbake i 1839. Denne brenselcellen brukte en svovelsyreoppløsning som elektrolytt, og hydrogen som drivstoff, som ble kombinert med oksygen i et oksidasjonsmedium. Det skal bemerkes at inntil nylig ble brenselceller bare brukt i laboratorier og på romfartøy.
I fremtiden vil brenselceller kunne konkurrere med mange andre energikonverteringssystemer (inkludert gassturbiner i kraftverk), forbrenningsmotorer i biler og elektriske batterier i bærbare enheter. Forbrenningsmotorer brenner drivstoff og bruker trykket som skapes av utvidelsen av forbrenningsgasser til å utføre mekanisk arbeid. Batterier lagrer elektrisk energi og konverterer den deretter til kjemisk energi, som om nødvendig kan konverteres tilbake til elektrisk energi. Potensielt er brenselceller svært effektive. Tilbake i 1824 beviste den franske forskeren Carnot at kompresjons-ekspansjonssyklusene til en forbrenningsmotor ikke kan sikre effektiviteten til å konvertere termisk energi (som er den kjemiske energien til brenning av drivstoff) til mekanisk energi over 50%. En brenselcelle har ingen bevegelige deler (i hvert fall ikke inne i selve cellen), og derfor følger de ikke Carnots lov. Naturligvis vil de ha mer enn 50 % effektivitet og er spesielt effektive ved lav belastning. Dermed er brenselcellekjøretøyer klar til å være (og har allerede vist seg å være) mer drivstoffeffektive enn konvensjonelle kjøretøy under reelle kjøreforhold.
Brenselcellen genererer elektrisk likestrøm som kan brukes til å drive en elektrisk motor, lysarmaturer og andre elektriske systemer i et kjøretøy. Det finnes flere typer brenselceller, som er forskjellige i de kjemiske prosessene som brukes. Brenselceller er vanligvis klassifisert etter hvilken type elektrolytt de bruker. Noen typer brenselceller er lovende for bruk i kraftverk, mens andre kan være nyttige for små bærbare enheter eller for å kjøre bil.
Den alkaliske brenselcellen er et av de tidligst utviklede elementene. De har blitt brukt av det amerikanske romfartsprogrammet siden 1960-tallet. Slike brenselceller er svært utsatt for forurensning og krever derfor svært rent hydrogen og oksygen. I tillegg er de veldig dyre, og derfor vil denne typen brenselceller neppe finne bred anvendelse i biler.
Brenselceller basert på fosforsyre kan brukes i stasjonære installasjoner med lav effekt. De opererer ved ganske høye temperaturer og tar derfor lang tid å varme opp, noe som også gjør dem ineffektive for bruk i biler.
Fastoksidbrenselceller er bedre egnet for store stasjonære kraftgeneratorer som kan gi strøm til fabrikker eller lokalsamfunn. Denne typen brenselceller fungerer ved svært høye temperaturer (ca. 1000 °C). Den høye driftstemperaturen skaper visse problemer, men på den annen side er det en fordel – dampen som produseres av brenselcellen kan sendes til turbiner for å generere mer strøm. Samlet sett forbedrer dette systemets generelle effektivitet.
Et av de mest lovende systemene er proton exchange membrane fuel cell - POMFC (PEMFC - Protone Exchange Membrane Fuel Cell). For øyeblikket er denne typen brenselceller den mest lovende fordi den kan drive biler, busser og andre kjøretøy.
Kjemiske prosesser i en brenselcelle
Brenselceller bruker en elektrokjemisk prosess for å kombinere hydrogen med oksygen fra luften. I likhet med batterier bruker brenselceller elektroder (faste elektriske ledere) i en elektrolytt (et elektrisk ledende medium). Når hydrogenmolekyler kommer i kontakt med den negative elektroden (anode), separeres sistnevnte i protoner og elektroner. Protonene passerer gjennom protonutvekslingsmembranen (POM) til den positive elektroden (katoden) til brenselcellen, og produserer elektrisitet. Det er en kjemisk kombinasjon av hydrogen- og oksygenmolekyler med dannelse av vann, som et biprodukt av denne reaksjonen. Den eneste typen utslipp fra en brenselcelle er vanndamp.
Elektrisiteten som produseres av brenselceller kan brukes i kjøretøyets elektriske drivlinje (bestående av en elektrisk kraftomformer og en AC-induksjonsmotor) for å gi mekanisk energi for å drive kjøretøyet. Jobben til kraftomformeren er å konvertere likestrømmen produsert av brenselcellene til vekselstrøm, som brukes av kjøretøyets trekkmotor.
Skjematisk diagram av en brenselcelle med en protonutvekslingsmembran:
1 - anode;
2 - proton-utvekslingsmembran (REM);
3 - katalysator (rød);
4 - katode
Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) bruker en av de enkleste reaksjonene til enhver brenselcelle.
Separat brenselcelle
Tenk på hvordan en brenselcelle fungerer. Anoden, den negative polen til brenselcellen, leder elektronene, som er frigjort fra hydrogenmolekyler slik at de kan brukes i en ekstern elektrisk krets (krets). For å gjøre dette er kanaler gravert i den, og fordeler hydrogen jevnt over hele overflaten av katalysatoren. Katoden (positiv pol på brenselcellen) har inngraverte kanaler som fordeler oksygen over overflaten av katalysatoren. Den leder også elektroner tilbake fra den ytre kretsen (kretsen) til katalysatoren, hvor de kan kombineres med hydrogenioner og oksygen for å danne vann. Elektrolytten er en protonutvekslingsmembran. Dette er et spesielt materiale, som ligner på vanlig plast, men med evnen til å passere positivt ladede ioner og blokkere passasjen av elektroner.
En katalysator er et spesielt materiale som letter reaksjonen mellom oksygen og hydrogen. Katalysatoren er vanligvis laget av platinapulver avsatt i et veldig tynt lag på karbonpapir eller klut. Katalysatoren må være grov og porøs slik at overflaten kan komme i kontakt med hydrogen og oksygen så mye som mulig. Den platinabelagte siden av katalysatoren er foran protonutvekslingsmembranen (POM).
Hydrogengass (H 2 ) tilføres brenselcellen under trykk fra anodesiden. Når H2-molekylet kommer i kontakt med platinaet på katalysatoren, deler det seg i to deler, to ioner (H+) og to elektroner (e–). Elektronene ledes gjennom anoden, hvor de passerer gjennom en ekstern krets (krets), gjør nyttig arbeid (for eksempel å drive en elektrisk motor) og returnerer fra katodesiden av brenselcellen.
I mellomtiden, fra katodesiden av brenselcellen, presses oksygengass (O 2 ) gjennom katalysatoren der den danner to oksygenatomer. Hvert av disse atomene har en sterk negativ ladning som tiltrekker seg to H+-ioner over membranen, hvor de kombineres med et oksygenatom og to elektroner fra den ytre sløyfen (kjeden) for å danne et vannmolekyl (H 2 O).
Denne reaksjonen i en enkelt brenselcelle gir en effekt på omtrent 0,7 watt. For å heve effekten til det nødvendige nivået, er det nødvendig å kombinere mange individuelle brenselceller for å danne en brenselcellestabel.
POM brenselceller opererer ved en relativt lav temperatur (ca. 80°C), noe som betyr at de raskt kan varmes opp til driftstemperatur og ikke krever dyre kjølesystemer. Kontinuerlig forbedring av teknologiene og materialene som brukes i disse cellene har brakt kraften deres nærmere et nivå der et batteri av slike brenselceller, som opptar en liten del av bagasjerommet til en bil, kan gi den energien som trengs for å kjøre en bil.
I løpet av de siste årene har de fleste av verdens ledende bilprodusenter investert tungt i utviklingen av bildesign som bruker brenselceller. Mange har allerede demonstrert brenselcellebiler med tilfredsstillende kraft og dynamiske egenskaper, selv om de var ganske dyre.
Å forbedre utformingen av slike biler er svært intensiv.
Brenselcellekjøretøy, bruker et kraftverk plassert under gulvet i kjøretøyet
NECAR V-kjøretøyet er basert på Mercedes-Benz A-klasse kjøretøy, med hele kraftverket, sammen med brenselcellene, plassert under gulvet i kjøretøyet. En slik konstruktiv løsning gjør det mulig å få plass til fire passasjerer og bagasje i bilen. Her brukes ikke hydrogen, men metanol som drivstoff til bilen. Metanol ved hjelp av en reformer (en enhet som omdanner metanol til hydrogen) omdannes til hydrogen, som er nødvendig for å drive brenselcellen. Bruken av en reformator om bord i en bil gjør det mulig å bruke nesten hvilket som helst hydrokarbon som drivstoff, noe som gjør det mulig å fylle drivstoff på en brenselcellebil ved hjelp av det eksisterende bensinstasjonsnettverket. Teoretisk sett produserer brenselceller ikke annet enn elektrisitet og vann. Konvertering av drivstoffet (bensin eller metanol) til hydrogenet som kreves for brenselcellen, reduserer noe miljømessig appell til et slikt kjøretøy.
Honda, som har vært i brenselcellebransjen siden 1989, produserte et lite parti Honda FCX-V4-kjøretøyer i 2003 med Ballards brenselceller av protonutvekslingsmembrantype. Disse brenselcellene genererer 78 kW elektrisk kraft, og trekkmotorer med en effekt på 60 kW og et dreiemoment på 272 N m brukes til å drive drivhjulene, den har utmerket dynamikk, og tilførselen av komprimert hydrogen gjør det mulig å kjøre opptil 355 km.
Honda FCX bruker brenselcellekraft til å drive seg selv.
Honda FCX er verdens første brenselcellebil som mottar statlig sertifisering i USA. Bilen er ZEV-sertifisert - Zero Emission Vehicle (zero pollution vehicle). Honda kommer ikke til å selge disse bilene ennå, men leaser rundt 30 biler per enhet. California og Tokyo, hvor hydrogenfyringsinfrastruktur allerede eksisterer.
General Motors' Hy Wire konseptbil har et brenselcellekraftverk
Stor forskning på utvikling og etablering av brenselcellekjøretøyer utføres av General Motors.
Hy Wire kjøretøychassis
Konseptbilen GM Hy Wire har mottatt 26 patenter. Grunnlaget for bilen er en funksjonell plattform med en tykkelse på 150 mm. Inne i plattformen er hydrogensylindre, et brenselcellekraftverk og kjøretøykontrollsystemer som bruker den nyeste elektroniske kontroll-by-wire-teknologien. Chassiset til Hy Wire-bilen er en tynn plattform som inneholder alle de viktigste strukturelle elementene i bilen: hydrogensylindre, brenselceller, batterier, elektriske motorer og kontrollsystemer. Denne tilnærmingen til design gjør det mulig å bytte bilkarosseri under drift.Bedriften tester også eksperimentelle Opel brenselcellekjøretøy og designer et brenselcelleproduksjonsanlegg.
Design av en "sikker" drivstofftank for flytende hydrogen:
1 - påfyllingsanordning;
2 - ytre tank;
3 - støtter;
4 - nivåsensor;
5 - intern tank;
6 - påfyllingslinje;
7 - isolasjon og vakuum;
8 - varmeapparat;
9 - monteringsboks
Problemet med å bruke hydrogen som drivstoff for biler er viet mye oppmerksomhet på av BMW. Sammen med Magna Steyer, kjent for sitt arbeid med bruk av flytende hydrogen i romforskning, har BMW utviklet en drivstofftank for flytende hydrogen som kan brukes i biler.
Tester har bekreftet sikkerheten ved å bruke en drivstofftank med flytende hydrogen
Selskapet gjennomførte en serie tester på sikkerheten til strukturen i henhold til standardmetoder og bekreftet dens pålitelighet.
I 2002, på Frankfurt Motor Show (Tyskland), ble Mini Cooper Hydrogen vist, som bruker flytende hydrogen som drivstoff. Drivstofftanken til denne bilen tar opp samme plass som en vanlig bensintank. Hydrogen i denne bilen brukes ikke til brenselceller, men som drivstoff til forbrenningsmotorer.
Verdens første masseproduserte bil med brenselcelle i stedet for batteri
I 2003 annonserte BMW lanseringen av det første masseproduserte brenselcellekjøretøyet, BMW 750 hL. Et brenselcellebatteri brukes i stedet for et tradisjonelt batteri. Denne bilen har en 12-sylindret forbrenningsmotor som går på hydrogen, og brenselcellen fungerer som et alternativ til et konvensjonelt batteri, slik at klimaanlegget og andre forbrukere kan fungere når bilen står lenge parkert med motoren av.
Hydrogenpåfylling utføres av en robot, sjåføren er ikke involvert i denne prosessen
Samme firma BMW har også utviklet robotdrivstoffdispensere som gir rask og sikker påfylling av biler med flytende hydrogen.
Fremveksten de siste årene av et stort antall utviklinger rettet mot å lage biler som bruker alternativt drivstoff og alternative fremdriftssystemer indikerer at forbrenningsmotorer, som dominerte biler det siste århundret, til slutt vil vike plass for renere, mer effektive og stillegående design. Deres utbredte bruk holdes for tiden ikke tilbake av tekniske, men snarere av økonomiske og sosiale problemer. For deres utbredte bruk er det nødvendig å skape en viss infrastruktur for utvikling av produksjon av alternative drivstoff, opprettelse og distribusjon av nye bensinstasjoner og for å overvinne en rekke psykologiske barrierer. Bruken av hydrogen som drivstoff til kjøretøy vil kreve lagring, levering og distribusjon, med alvorlige sikkerhetstiltak på plass.
Teoretisk sett er hydrogen tilgjengelig i ubegrensede mengder, men produksjonen er svært energikrevende. I tillegg, for å konvertere biler til å jobbe med hydrogendrivstoff, må det gjøres to store endringer i kraftsystemet: først, overføring av driften fra bensin til metanol, og deretter, i noen tid, til hydrogen. Det vil ta litt tid før dette problemet er løst.