Gorivne ćelije s vodikovim zrakom. Kako radi vodikov motor? Od laboratorija do tržišta

1. dio

Ovaj članak detaljnije govori o principu rada gorivih ćelija, njihovom dizajnu, klasifikaciji, prednostima i nedostacima, opsegu, učinkovitosti, povijesti stvaranja i modernim izgledima za upotrebu. U drugom dijelu članka, koji će biti objavljen u sljedećem broju časopisa ABOK, donosi primjere objekata u kojima su korištene različite vrste gorivih ćelija kao izvori toplinske i električne (ili samo električne) energije.

Uvod

Gorivne ćelije su vrlo učinkovit, pouzdan, izdržljiv i ekološki prihvatljiv način za proizvodnju energije.

U početku korištene samo u svemirskoj industriji, gorivne ćelije sada se sve više koriste u raznim područjima - kao stacionarne elektrane, autonomni izvori topline i napajanja zgrada, motori Vozilo, napajanja za prijenosna računala i mobitele. Neki od ovih uređaja su laboratorijski prototipovi, neki su podvrgnuti predserijskom testiranju ili se koriste u demonstracijske svrhe, ali mnogi modeli se masovno proizvode i koriste u komercijalnim projektima.

Gorivna ćelija (elektrokemijski generator) je uređaj koji pretvara kemijsku energiju goriva (vodika) u električnu energiju u procesu elektrokemijske reakcije izravno, za razliku od tradicionalnih tehnologija koje koriste izgaranje krutih, tekućih i plinovitih goriva. Izravna elektrokemijska pretvorba goriva vrlo je učinkovita i atraktivna s ekološkog gledišta, budući da se tijekom rada oslobađa minimalna količina zagađivača, a nema jakih zvukova i vibracija.

S praktičnog gledišta, gorive ćelije nalikuju konvencionalnim galvanskim baterijama. Razlika je u tome što je baterija u početku napunjena, tj. napunjena "gorivom". Tijekom rada troši se "gorivo", a baterija se prazni. Za razliku od baterije, za proizvodnju se koristi goriva ćelija električna energija koristi gorivo dobavljeno iz vanjskog izvora (slika 1).

Za proizvodnju električne energije ne može se koristiti samo čisti vodik, već i druge sirovine koje sadrže vodik, kao što su prirodni plin, amonijak, metanol ili benzin. Kao izvor kisika, koji je također neophodan za reakciju, koristi se obični zrak.

Kada se kao gorivo koristi čisti vodik, produkti reakcije su, osim električne energije, toplina i voda (ili vodena para), odnosno u atmosferu se ne ispuštaju plinovi koji zagađuju zrak ili izazivaju efekt staklenika. Ako se kao gorivo koristi sirovina koja sadrži vodik, poput prirodnog plina, drugi plinovi, poput oksida ugljika i dušika, bit će nusprodukt reakcije, ali njegova je količina puno manja nego pri izgaranju istog iznos. prirodni gas.

Proces kemijske pretvorbe goriva u svrhu dobivanja vodika naziva se reforming, a odgovarajući uređaj reformer.

Prednosti i nedostaci gorivih ćelija

Gorivne ćelije su energetski učinkovitije od motora s unutarnjim izgaranjem jer ne postoje termodinamička ograničenja energetske učinkovitosti za gorivne ćelije. Učinkovitost gorivih ćelija je 50%, dok je učinkovitost motora s unutarnjim izgaranjem 12-15%, a učinkovitost parnoturbinskih elektrana ne prelazi 40%. Korištenjem topline i vode dodatno se povećava učinkovitost gorivih ćelija.

Za razliku od, primjerice, motora s unutarnjim izgaranjem, učinkovitost gorivih ćelija ostaje vrlo visoka čak i kada ne rade punom snagom. Osim toga, snaga gorivih ćelija može se povećati jednostavnim dodavanjem zasebnih blokova, pri čemu se učinkovitost ne mijenja, tj. velike instalacije su jednako učinkovite kao i male. Ove okolnosti omogućuju vrlo fleksibilan odabir sastava opreme u skladu sa željama kupca i u konačnici dovode do smanjenja troškova opreme.

Važna prednost gorivih ćelija je njihova ekološka prihvatljivost. Emisije u zrak iz gorivih ćelija toliko su niske da u nekim dijelovima Sjedinjenih Država nisu potrebne posebne dozvole državnih agencija za kvalitetu zraka.

Gorivne ćelije mogu se postaviti izravno u zgradu čime se smanjuju gubici tijekom transporta energije, a toplina nastala reakcijom može se koristiti za opskrbu zgrade toplinom ili toplom vodom. Autonomni izvori toplinske i električne energije mogu biti vrlo korisni u udaljenim područjima i regijama koje karakterizira nedostatak električne energije i njezina visoka cijena, ali istovremeno postoje rezerve sirovina koje sadrže vodik (nafta, prirodni plin) .

Prednosti gorivih ćelija su i dostupnost goriva, pouzdanost (nema pokretnih dijelova u gorivim ćelijama), trajnost i jednostavnost rada.

Jedan od glavnih nedostataka gorivih ćelija danas je njihova relativno visoka cijena, no taj se nedostatak uskoro može prevladati - sve više tvrtki proizvodi komercijalne uzorke gorivih ćelija, one se stalno poboljšavaju, a cijena im se smanjuje.

Najučinkovitije korištenje čistog vodika kao goriva, međutim, to će zahtijevati stvaranje posebne infrastrukture za njegovu proizvodnju i transport. Trenutno svi komercijalni dizajni koriste prirodni plin i slična goriva. Motorna vozila mogu koristiti obični benzin, što će omogućiti održavanje postojeće razvijene mreže benzinskih postaja. Međutim, korištenje takvog goriva dovodi do štetnih emisija u atmosferu (iako vrlo niskih) i komplicira (a time i poskupljuje) gorive ćelije. U budućnosti se razmatra mogućnost korištenja ekološki prihvatljivih obnovljivih izvora energije (primjerice, sunčeve energije ili energije vjetra) za razgradnju vode na vodik i kisik elektrolizom, a zatim pretvaranje dobivenog goriva u gorivu ćeliju. Takva kombinirana postrojenja koja rade u zatvorenom ciklusu mogu biti potpuno ekološki prihvatljiv, pouzdan, trajan i učinkovit izvor energije.

Još jedna značajka gorivih ćelija je da su najučinkovitije kada koriste i električnu i toplinsku energiju u isto vrijeme. Međutim, mogućnost korištenja toplinske energije nije dostupna u svakom objektu. U slučaju korištenja gorivih ćelija samo za proizvodnju električne energije, njihova učinkovitost se smanjuje, iako premašuje učinkovitost “tradicionalnih” instalacija.

Povijest i suvremena uporaba gorivih ćelija

Princip rada gorivih ćelija otkriven je 1839. godine. Engleski znanstvenik William Robert Grove (1811.-1896.) otkrio je da je proces elektrolize - razgradnje vode na vodik i kisik pomoću električne struje - reverzibilan, tj. da se vodik i kisik mogu spojiti u molekule vode bez izgaranja, ali uz oslobađanje topline i električne struje. Grove je uređaj u kojem se provodila takva reakcija nazvao "plinska baterija", što je bila prva goriva ćelija.

Aktivan razvoj tehnologije gorivih ćelija započeo je nakon Drugog svjetskog rata, a povezan je sa zrakoplovnom industrijom. U to se vrijeme tragalo za učinkovitim i pouzdanim, ali u isto vrijeme prilično kompaktnim izvorom energije. Šezdesetih godina prošlog stoljeća stručnjaci NASA-e (National Aeronautics and Space Administration, NASA) odabrali su gorivne ćelije kao izvor energije za svemirske letjelice programa Apollo (letovi s posadom na Mjesec), Apollo-Soyuz, Gemini i Skylab. Apollo je koristio tri jedinice od 1,5 kW (2,2 kW vršne snage) koristeći kriogeni vodik i kisik za proizvodnju električne energije, topline i vode. Masa svake instalacije bila je 113 kg. Ove tri ćelije radile su paralelno, ali je energija koju je generirala jedna jedinica bila dovoljna za siguran povratak. Tijekom 18 letova, gorivne ćelije su skupile ukupno 10.000 sati bez ikakvih kvarova. Trenutačno se gorivne ćelije koriste u Space Shuttleu, gdje se koriste tri jedinice od 12 W, koje generiraju svu električnu energiju na brodu (slika 2). Voda dobivena kao rezultat elektrokemijske reakcije koristi se kao voda za piće, kao i za rashladnu opremu.

I kod nas se radilo na stvaranju gorivih ćelija za uporabu u astronautici. Na primjer, gorivne ćelije korištene su za pogon sovjetskog svemirskog broda Buran.

Razvoj metoda za komercijalnu upotrebu gorivih ćelija započeo je sredinom 1960-ih. Ovaj razvoj djelomično su financirale vladine organizacije.

Trenutno razvoj tehnologija za korištenje gorivih ćelija ide u nekoliko smjerova. To je stvaranje stacionarnih elektrana na gorivim ćelijama (i za centraliziranu i decentraliziranu opskrbu energijom), elektrana vozila (stvoreni su uzorci automobila i autobusa na gorivim ćelijama, uključujući i našu zemlju) (slika 3), i također i napajanja za razne mobilne uređaje (prijenosna računala, mobiteli i sl.) (slika 4).

Primjeri uporabe gorivih ćelija u raznim područjima dati su u tablici. jedan.

Jedan od prvih komercijalnih modela gorivih ćelija dizajniranih za autonomnu opskrbu zgrada toplinom i električnom energijom bio je PC25 Model A kojeg je proizvela ONSI Corporation (sada United Technologies, Inc.). Ova gorivna ćelija nazivne snage 200 kW pripada vrsti ćelija s elektrolitom na bazi fosforne kiseline (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC). Broj "25" u nazivu modela označava serijski broj dizajna. Većina prethodnih modela bili su eksperimentalni ili testni primjerci, poput modela "PC11" od 12,5 kW koji se pojavio 1970-ih. Novi modeli povećali su snagu preuzetu iz jedne gorive ćelije, a također su smanjili cijenu po kilovatu proizvedene energije. Trenutačno jedan od najučinkovitijih komercijalnih modela je PC25 Model C gorive ćelije. Kao i model “A”, ovo je potpuno automatizirana gorivna ćelija tipa PAFC od 200 kW dizajnirana za ugradnju izravno na servisirani objekt kao neovisni izvor topline i napajanja. Takva goriva ćelija može se postaviti izvan zgrade. Izvana je to paralelopiped dužine 5,5 m, širine 3 m i visine 3 m, težine 18.140 kg. Razlika od prethodnih modela je poboljšani reformer i veća gustoća struje.

stol 1
Opseg gorivih ćelija

Regija aplikacije	Ocijenjen vlast	Primjeri korištenja
Stacionarni instalacije	5–250 kW i iznad	Autonomni izvori toplinske i električne energije za stambene, javne i industrijske objekte, besprekidni izvori napajanja, rezervni i hitni izvori napajanja
Prijenosni instalacije	1–50 kW	Prometni znakovi, kamioni hladnjače i željeznice, invalidska kolica, kolica za golf, svemirske letjelice i sateliti
Mobilni instalacije	25–150 kW	Automobili (prototipove su izradili npr. DaimlerCrysler, FIAT, Ford, General Motors, Honda, Hyundai, Nissan, Toyota, Volkswagen, VAZ), autobusi (npr. MAN, Neoplan, Renault) i druga vozila, ratni brodovi i podmornice
Mikrouređaji	1-500 W	Mobilni telefoni, prijenosna računala, dlanovnici, razni potrošački elektronički uređaji, moderni vojni uređaji

U nekim vrstama gorivih ćelija kemijski proces može biti obrnut: primjenom razlike potencijala na elektrode, voda se može razgraditi na vodik i kisik, koji se skupljaju na poroznim elektrodama. Kada se priključi opterećenje, takva regenerativna goriva ćelija počet će generirati električnu energiju.

Obećavajući smjer za korištenje gorivih ćelija je njihova uporaba u kombinaciji s obnovljivim izvorima energije, kao što su fotonaponski paneli ili vjetroturbine. Ova tehnologija omogućuje potpuno izbjegavanje onečišćenja zraka. Sličan sustav planira se stvoriti, primjerice, u Centru za obuku Adam Joseph Lewis u Oberlinu (vidi ABOK, 2002., br. 5, str. 10). Trenutno se solarni paneli koriste kao jedan od izvora energije u ovoj zgradi. Zajedno sa stručnjacima NASA-e razvijen je projekt korištenja fotonaponskih panela za proizvodnju vodika i kisika iz vode elektrolizom. Vodik se zatim koristi u gorivim ćelijama za proizvodnju električne energije i Vruća voda. To će omogućiti da zgrada održi performanse svih sustava tijekom oblačnih dana i noću.

Princip rada gorivih ćelija

Razmotrimo princip rada gorive ćelije na primjeru najjednostavnijeg elementa s membranom za izmjenu protona (Proton Exchange Membrane, PEM). Takav element sastoji se od polimerne membrane postavljene između anode (pozitivne elektrode) i katode (negativne elektrode) zajedno s anodnim i katodnim katalizatorima. Kao elektrolit koristi se polimerna membrana. Dijagram PEM elementa prikazan je na sl. 5.

Membrana protonske izmjene (PEM) je tanki (otprilike 2-7 listova običnog papira debljine) čvrsti organski spoj. Ova membrana djeluje kao elektrolit: ona razdvaja materiju na pozitivno i negativno nabijene ione u prisutnosti vode.

Na anodi se odvija oksidacijski proces, a na katodi redukcijski proces. Anoda i katoda u PEM ćeliji izrađene su od poroznog materijala, koji je mješavina čestica ugljika i platine. Platina djeluje kao katalizator koji potiče reakciju disocijacije. Anoda i katoda su porozne za slobodan prolaz vodika i kisika kroz njih.

Anoda i katoda nalaze se između dvije metalne ploče, koji dovode vodik i kisik do anode i katode, a odvode toplinu i vodu, kao i električnu energiju.

Molekule vodika prolaze kroz kanale u ploči do anode, gdje se molekule razlažu na pojedinačne atome (slika 6).

	Slika 5 () Shematski dijagram gorive ćelije s membranom za izmjenu protona (PEM).
	Slika 6 () Molekule vodika kroz kanale u ploči ulaze u anodu, gdje se molekule razgrađuju na pojedinačne atome
	Slika 7 () Kao rezultat kemisorpcije u prisutnosti katalizatora atomi vodika se pretvaraju u protone
	Slika 8 () Pozitivno nabijeni ioni vodika difundiraju kroz membranu do katode, a tok elektrona usmjerava se na katodu kroz vanjski električni krug na koji je priključeno opterećenje.
	Slika 9 () Kisik doveden na katodu, u prisutnosti katalizatora, ulazi u kemijsku reakciju s vodikovim ionima iz membrane za izmjenu protona i elektronima iz vanjskog električnog kruga. Kao rezultat kemijska reakcija nastaje voda

Zatim se, kao rezultat kemisorpcije u prisutnosti katalizatora, atomi vodika, od kojih svaki preda jedan elektron e - , pretvaraju u pozitivno nabijene ione vodika H +, tj. protone (slika 7).

Pozitivno nabijeni ioni vodika (protoni) difundiraju kroz membranu do katode, a tok elektrona usmjerava se prema katodi vanjskim električnim krugom na koji je priključeno trošilo (potrošač električne energije) (slika 8).

Kisik doveden na katodu, u prisutnosti katalizatora, ulazi u kemijsku reakciju s vodikovim ionima (protonima) iz membrane za izmjenu protona i elektronima iz vanjskog električnog kruga (slika 9). Kao rezultat kemijske reakcije nastaje voda.

Kemijska reakcija u gorivim ćelijama drugih tipova (na primjer, s kiselim elektrolitom, koji je otopina fosforne kiseline H 3 PO 4) potpuno je identična kemijskoj reakciji u gorivim ćelijama s membranom za izmjenu protona.

U svakoj gorivnoj ćeliji dio energije kemijske reakcije oslobađa se kao toplina.

Protok elektrona u vanjskom krugu je istosmjerna struja koja se koristi za obavljanje rada. Otvaranje vanjskog kruga ili zaustavljanje kretanja vodikovih iona zaustavlja kemijsku reakciju.

Količina električne energije koju proizvodi gorivna ćelija ovisi o vrsti gorivne ćelije, geometrijskim dimenzijama, temperaturi, tlaku plina. Jedna gorivna ćelija daje EMF manji od 1,16 V. Moguće je povećati veličinu gorivih ćelija, ali u praksi se koristi nekoliko ćelija povezanih u baterije (slika 10).

Uređaj s gorivnim ćelijama

Razmotrimo uređaj gorive ćelije na primjeru modela PC25 Model C. Shema gorive ćelije prikazana je na sl. jedanaest.

Gorivna ćelija "PC25 Model C" sastoji se od tri glavna dijela: procesora goriva, sekcije za proizvodnju električne energije i pretvarača napona.

Glavni dio gorivne ćelije - dio za proizvodnju električne energije - je dimnjak sastavljen od 256 pojedinačnih gorivih ćelija. Sastav elektroda gorive ćelije uključuje platinasti katalizator. Kroz ove stanice, konstanta struja 1400 ampera na 155 volti. Dimenzije baterije su cca 2,9 m duljine i 0,9 m širine i visine.

Budući da se elektrokemijski proces odvija na temperaturi od 177 ° C, potrebno je zagrijati bateriju u trenutku pokretanja i ukloniti toplinu iz nje tijekom rada. Da bi se to postiglo, gorivna ćelija uključuje zasebni krug vode, a baterija je opremljena posebnim pločama za hlađenje.

Procesor goriva omogućuje pretvaranje prirodnog plina u vodik, koji je neophodan za elektrokemijsku reakciju. Taj se proces naziva reformiranje. Glavni element procesora goriva je reformator. U reformeru, prirodni plin (ili drugo gorivo koje sadrži vodik) reagira s parom na visokoj temperaturi (900 °C) i visokom tlaku u prisutnosti katalizatora nikla. Događaju se sljedeće kemijske reakcije:

CH4 (metan) + H2O3H2 + CO

(reakcija endotermna, s apsorpcijom topline);

CO + H 2 O H 2 + CO 2

(reakcija je egzotermna, uz oslobađanje topline).

Ukupna reakcija je izražena jednadžbom:

CH 4 (metan) + 2H 2 O 4H 2 + CO 2

(reakcija endotermna, s apsorpcijom topline).

Kako bi se osigurala visoka temperatura potrebna za pretvorbu prirodnog plina, dio istrošenog goriva iz dimnjaka gorivih ćelija šalje se u plamenik koji održava reformer na željenoj temperaturi.

Para potrebna za reforming se stvara iz kondenzata koji nastaje tijekom rada gorive ćelije. U ovom slučaju koristi se toplina uklonjena iz sklopa gorivih ćelija (Sl. 12).

Snop gorivih ćelija stvara isprekidanu istosmjernu struju koju karakteriziraju niski napon i visoka struja. Pretvarač napona koristi se za pretvaranje u industrijski standard AC. Osim toga, jedinica pretvarača napona uključuje različite upravljačke uređaje i sigurnosne sklopove za blokiranje koji omogućuju isključivanje gorive ćelije u slučaju raznih kvarova.

U takvoj gorivnoj ćeliji približno 40% energije u gorivu može se pretvoriti u električnu energiju. Otprilike u istu količinu, oko 40% energije goriva, može se pretvoriti Termalna energija, koja se potom koristi kao izvor topline za grijanje, opskrbu toplom vodom i slične svrhe. Dakle, ukupna učinkovitost takvog postrojenja može doseći 80%.

Važna prednost takvog izvora topline i električne energije je mogućnost njegovog automatski rad. Za održavanje, vlasnici objekta na kojem je ugrađena goriva ćelija ne moraju održavati posebno obučeno osoblje - periodično održavanje mogu provoditi zaposlenici operativne organizacije.

Vrste gorivih ćelija

Trenutno je poznato nekoliko vrsta gorivih ćelija koje se razlikuju po sastavu korištenog elektrolita. Sljedeća četiri tipa su najraširenija (tablica 2):

1. Gorivne ćelije s membranom za izmjenu protona (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC).

2. Gorivne ćelije na bazi ortofosforne (fosforne) kiseline (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC).

3. Gorivne ćelije na bazi rastaljenog karbonata (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).

4. Gorivne ćelije s čvrstim oksidom (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC). Trenutno je najveća flota gorivih ćelija izgrađena na temelju PAFC tehnologije.

Jedna od ključnih karakteristika različitih vrsta gorivih ćelija je radna temperatura. Na mnogo načina, temperatura je ta koja određuje opseg gorivih ćelija. Na primjer, visoke temperature su kritične za prijenosna računala, pa se za ovaj tržišni segment razvijaju gorive ćelije s membranom za izmjenu protona s niskim radnim temperaturama.

Za autonomno napajanje zgrada potrebne su gorivne ćelije velikog instaliranog kapaciteta, a pritom je moguće koristiti i toplinsku energiju, stoga se u te svrhe mogu koristiti i gorivne ćelije drugih vrsta.

Gorive ćelije s membranom za izmjenu protona (PEMFC)

Ove gorive ćelije rade na relativno niskim radnim temperaturama (60-160°C). Odlikuju se velikom gustoćom snage, omogućuju brzo podešavanje izlazne snage i mogu se brzo uključiti. Nedostatak ove vrste elemenata su visoki zahtjevi za kvalitetu goriva, budući da kontaminirano gorivo može oštetiti membranu. Nazivna snaga gorivih ćelija ovog tipa je 1-100 kW.

Gorive ćelije s membranom za izmjenu protona izvorno je razvila tvrtka General Electric Corporation 1960-ih za NASA-u. Ova vrsta gorive ćelije koristi polimerni elektrolit u čvrstom stanju koji se naziva membrana za izmjenu protona (PEM). Protoni se mogu kretati kroz membranu za izmjenu protona, ali elektroni ne mogu proći kroz nju, što rezultira razlikom potencijala između katode i anode. Zbog svoje jednostavnosti i pouzdanosti, takve gorivne ćelije korištene su kao izvor energije na letjelici Gemini s ljudskom posadom.

Ova vrsta gorivnih ćelija koristi se kao izvor energije za širok raspon različitih uređaja, uključujući prototipove i prototipove, od mobilnih telefona do autobusa i stacionarni sustavi prehrana. Niska radna temperatura omogućuje korištenje takvih ćelija za napajanje raznih vrsta složenih elektroničkih uređaja. Manje je učinkovito njihovo korištenje kao izvora topline i električne energije za javne i industrijske zgrade, gdje su potrebne velike količine toplinske energije. U isto vrijeme, takvi elementi obećavaju kao autonomni izvor napajanja za male stambene zgrade kao što su vikendice izgrađene u regijama s vrućom klimom.

tablica 2
Vrste gorivih ćelija

Vrsta stavke	radnika temperatura, °C	izlaz učinkovitosti električni energija), %	Ukupno Učinkovitost, %
Gorivne ćelije sa membrana za izmjenu protona (PEMFC)	60–160	30–35	50–70
gorive ćelije na bazi ortofosforne (fosforna) kiselina (PAFC)	150–200	35	70–80
Na bazi gorivih ćelija rastaljeni karbonat (MCFC)	600–700	45–50	70–80
Oksid u čvrstom stanju gorive ćelije (SOFC)	700–1 000	50–60	70–80

Gorivne ćelije s fosfornom kiselinom (PAFC)

Ispitivanja gorivih ćelija ove vrste već su provedena u ranim 1970-ima. Raspon radne temperature - 150-200 °C. Glavno područje primjene su autonomni izvori topline i napajanja srednje snage (oko 200 kW).

Elektrolit koji se koristi u ovim gorivim ćelijama je otopina fosforne kiseline. Elektrode su izrađene od papira presvučenog ugljikom, u kojem je raspršen platinasti katalizator.

Električna učinkovitost PAFC gorivih ćelija je 37-42%. Međutim, budući da ove gorive ćelije rade na dovoljno visokoj temperaturi, moguće je koristiti paru koja nastaje kao rezultat rada. U ovom slučaju, ukupna učinkovitost može doseći 80%.

Za proizvodnju energije, sirovina koja sadrži vodik mora se pretvoriti u čisti vodik kroz proces reformiranja. Na primjer, ako se benzin koristi kao gorivo, tada se sumporni spojevi moraju ukloniti, budući da sumpor može oštetiti platinasti katalizator.

PAFC gorivne ćelije bile su prve komercijalne gorivne ćelije koje su opravdane ekonomska točka vizija. Najčešći model bila je gorivna ćelija PC25 od 200 kW proizvedena od strane ONSI Corporation (sada United Technologies, Inc.) (slika 13). Na primjer, ti se elementi koriste kao izvor topline i električne energije u policijskoj postaji u Central Park New York ili kao dodatni izvor energije za neboder Conde Nast Building & Four Times Square. Najveća elektrana ovog tipa testira se kao elektrana od 11 MW koja se nalazi u Japanu.

Gorivne ćelije na bazi fosforne kiseline također se koriste kao izvor energije u vozilima. Na primjer, 1994. H-Power Corp., Sveučilište Georgetown i Ministarstvo energetike SAD-a opremili su autobus s elektranom od 50 kW.

Gorivne ćelije rastaljenog karbonata (MCFC)

Gorivne ćelije ove vrste rade na vrlo visokim temperaturama - 600-700 °C. Ove radne temperature omogućuju da se gorivo koristi izravno u samoj ćeliji, bez potrebe za posebnim reformatorom. Taj se proces naziva "unutarnje reformiranje". Omogućuje značajno pojednostavljenje dizajna gorive ćelije.

Gorivne ćelije na bazi rastaljenog karbonata zahtijevaju značajno vrijeme pokretanja i ne dopuštaju brzo podešavanje izlazne snage, tako da su njihovo glavno područje primjene veliki stacionarni izvori topline i električne energije. Međutim, odlikuje ih visoka učinkovitost pretvorbe goriva - 60% električne učinkovitosti i do 85% ukupne učinkovitosti.

U ovoj vrsti gorivnih ćelija elektrolit se sastoji od soli kalijevog karbonata i litij karbonata zagrijanih na oko 650 °C. Pod tim uvjetima, soli su u rastaljenom stanju, tvoreći elektrolit. Na anodi vodik stupa u interakciju s CO 3 ionima, stvarajući vodu, ugljični dioksid i oslobađajući elektrone koji se šalju u vanjski krug, a na katodi kisik stupa u interakciju s ugljičnim dioksidom i elektronima iz vanjskog kruga, ponovno stvarajući CO 3 ione.

Laboratorijske uzorke gorivih ćelija ovog tipa izradili su kasnih 1950-ih nizozemski znanstvenici G. H. J. Broers i J. A. A. Ketelaar. Šezdesetih godina prošlog stoljeća inženjer Francis T. Bacon, potomak poznatog engleskog pisca i znanstvenika iz 17. stoljeća, radio je s ovim elementima, zbog čega se MCFC gorivne ćelije ponekad nazivaju Baconovim elementima. NASA-ini programi Apollo, Apollo-Soyuz i Scylab koristili su upravo takve gorive ćelije kao izvor energije (slika 14). Istih godina američki vojni odjel testirao je nekoliko uzoraka MCFC gorivih ćelija koje je proizveo Texas Instruments, u kojima je kao gorivo korišten vojni benzin. Sredinom 1970-ih, Ministarstvo energetike SAD-a započelo je istraživanje za razvoj stacionarne gorivne ćelije od rastaljenog karbonata prikladne za praktična aplikacija. U 1990-ima, niz komercijalnih jedinica nazivne snage do 250 kW pušteno je u rad, poput američke mornaričke zračne postaje Miramar u Kaliforniji. Godine 1996. FuelCell Energy, Inc. pustio u pogon predserijsko postrojenje od 2 MW u Santa Clari u Kaliforniji.

Oksidne gorive ćelije čvrstog stanja (SOFC)

Čvrste oksidne gorive ćelije su jednostavne konstrukcije i rade na vrlo visokim temperaturama - 700-1000 °C. Tako visoke temperature omogućuju korištenje relativno "prljavog", nerafiniranog goriva. Iste značajke kao u gorivim ćelijama na bazi rastaljenog karbonata određuju slično područje primjene - veliki stacionarni izvori topline i električne energije.

Gorive ćelije s krutim oksidom strukturno se razlikuju od gorivih ćelija temeljenih na PAFC i MCFC tehnologijama. Anoda, katoda i elektrolit izrađeni su od posebnih vrsta keramike. Najčešće se kao elektrolit koristi mješavina cirkonijevog oksida i kalcijevog oksida, ali se mogu koristiti i drugi oksidi. Elektrolit tvori kristalnu rešetku obloženu s obje strane poroznim materijalom elektrode. Strukturno, takvi elementi izrađeni su u obliku cijevi ili ravnih ploča, što omogućuje korištenje tehnologija koje se široko koriste u elektroničkoj industriji u njihovoj proizvodnji. Kao rezultat toga, čvrste oksidne gorive ćelije mogu raditi na vrlo visokim temperaturama, tako da se mogu koristiti za proizvodnju električne i toplinske energije.

Pri visokim radnim temperaturama na katodi se stvaraju ioni kisika koji migriraju kroz kristalnu rešetku do anode, gdje stupaju u interakciju s ionima vodika, stvarajući vodu i oslobađajući slobodne elektrone. U ovom slučaju, vodik se oslobađa iz prirodnog plina izravno u ćeliji, tj. nema potrebe za posebnim reformatorom.

Teorijski temelji za stvaranje čvrstih oksidnih gorivih ćelija postavljeni su još u kasnim 1930-ima, kada su švicarski znanstvenici Bauer (Emil Bauer) i Preis (H. Preis) eksperimentirali s cirkonijem, itrijem, cerijem, lantanom i volframom, koristeći ih kao elektroliti.

Prve prototipove takvih gorivih ćelija izradile su kasnih 1950-ih brojne američke i nizozemske tvrtke. Većina tih tvrtki ubrzo je odustala od daljnjih istraživanja zbog tehnoloških poteškoća, no jedna od njih, Westinghouse Electric Corp. (sada "Siemens Westinghouse Power Corporation"), nastavak rada. Tvrtka trenutačno prima prednarudžbe za komercijalni model gorivih ćelija s krutim oksidom cjevaste topologije koji se očekuje ove godine (Slika 15). Tržišni segment takvih elemenata su stacionarna postrojenja za proizvodnju toplinske i električne energije snage od 250 kW do 5 MW.

Gorive ćelije tipa SOFC pokazale su vrlo visoku pouzdanost. Na primjer, prototip gorivih ćelija tvrtke Siemens Westinghouse zabilježio je 16.600 sati rada i nastavlja raditi, što ga čini najduljim neprekidnim životnim vijekom gorivih ćelija na svijetu.

Visokotemperaturni i visokotlačni način rada SOFC gorivih ćelija omogućuje stvaranje hibridnih postrojenja u kojima emisije gorivih ćelija pokreću plinske turbine koje se koriste za proizvodnju električne energije. Prva takva hibridna tvornica radi u Irvineu u Kaliforniji. Nazivna snaga ovog postrojenja je 220 kW, od čega 200 kW iz gorive ćelije i 20 kW iz mikroturbinskog generatora.

Gorivna ćelija je uređaj koji učinkovito stvara toplinu i istosmjernu struju putem elektrokemijske reakcije i koristi gorivo bogato vodikom. Po principu rada sličan je bateriji. Strukturno, gorivu ćeliju predstavlja elektrolit. Zašto je on izuzetan? Za razliku od baterija, vodikove gorivne ćelije ne pohranjuju električnu energiju, ne trebaju električnu energiju za ponovno punjenje i ne prazne se. Ćelije nastavljaju proizvoditi električnu energiju sve dok imaju dovod zraka i goriva.

Osobitosti

Razlika između gorivih ćelija i ostalih generatora energije je u tome što ne sagorijevaju gorivo tijekom rada. Zbog ove značajke ne trebaju rotore. visokotlačni, nemojte emitirati glasnu buku i vibracije. Električna energija u gorivim ćelijama nastaje tihom elektrokemijskom reakcijom. Kemijska energija goriva u takvim se uređajima izravno pretvara u vodu, toplinu i električnu energiju.

Gorivne ćelije su vrlo učinkovite i ne proizvode veliki broj staklenički plinovi. Izlaz ćelija tijekom rada je mala količina vode u obliku pare i ugljičnog dioksida, koja se ne oslobađa ako se kao gorivo koristi čisti vodik.

Povijest izgleda

Pedesetih i šezdesetih godina prošlog stoljeća NASA-ina potreba za izvorima energije za dugoročne svemirske misije izazvala je jedan od najzahtjevnijih zadataka za gorivne ćelije koji su postojali u to vrijeme. Alkalne ćelije kao gorivo koriste kisik i vodik, koji se tijekom elektrokemijske reakcije pretvaraju u nusproizvode korisne tijekom svemirskih letova - struju, vodu i toplinu.

Gorive ćelije su prvi put otkrivene početkom 19. stoljeća - 1838. godine. Istovremeno su se pojavile prve informacije o njihovoj učinkovitosti.

Rad na gorivim ćelijama koje koriste alkalne elektrolite započeo je kasnih 1930-ih. Visokotlačne poniklane elektrodne ćelije izumljene su tek 1939. godine. Tijekom Drugog svjetskog rata za britanske podmornice razvijene su gorivne ćelije koje su se sastojale od alkalnih ćelija promjera oko 25 centimetara.

Zanimanje za njih poraslo je 1950-80-ih, koje je karakterizirao nedostatak naftnog goriva. Zemlje svijeta počele su se baviti problemima zagađenja zraka i okoliš Težnja za razvojem ekološki prihvatljive tehnologije gorivih ćelija danas je u aktivnom razvoju.

Princip rada

Gorive ćelije proizvode toplinu i električnu energiju kao rezultat elektrokemijske reakcije koja se odvija pomoću katode, anode i elektrolita.

Katoda i anoda odvojene su elektrolitom koji vodi proton. Nakon dovođenja kisika na katodu i vodika na anodu, započinje kemijska reakcija koja rezultira toplinom, strujom i vodom.

Disocira na anodnom katalizatoru, što dovodi do gubitka elektrona. Ioni vodika ulaze u katodu kroz elektrolit, dok elektroni prolaze kroz vanjsku električna mreža i stvoriti istosmjernu struju koja se koristi za napajanje opreme. Molekula kisika na katodnom katalizatoru spaja se s elektronom i nadolazećim protonom, na kraju stvarajući vodu, koja je jedini proizvod reakcije.

Vrste

Odabir određene vrste gorive ćelije ovisi o području njezine primjene. Sve gorive ćelije dijele se u dvije glavne kategorije - visokotemperaturne i niskotemperaturne. Potonji kao gorivo koriste čisti vodik. Takvi uređaji u pravilu zahtijevaju preradu primarnog goriva u čisti vodik. Postupak se provodi pomoću posebne opreme.

Visokotemperaturne gorive ćelije to ne trebaju jer pretvaraju gorivo u povišene temperature, što eliminira potrebu za stvaranjem vodikove infrastrukture.

Princip rada vodikovih gorivih ćelija temelji se na pretvorbi kemijske energije u električnu bez neučinkovitih procesa izgaranja i transformacije toplinske energije u mehaničku.

Opći pojmovi

Vodikove gorive ćelije su elektrokemijski uređaji koji proizvode električnu energiju visoko učinkovitim "hladnim" izgaranjem goriva. Postoji nekoliko vrsta takvih uređaja. Tehnologija koja najviše obećava smatra se gorivim ćelijama vodik-zrak opremljenim membranom za izmjenu protona PEMFC.

Polimerna membrana koja vodi proton dizajnirana je za odvajanje dvije elektrode - katode i anode. Svaki od njih predstavljen je ugljičnom matricom obloženom katalizatorom. disocira na anodnom katalizatoru, donirajući elektrone. Kationi se vode do katode kroz membranu, međutim elektroni se prenose u vanjski krug jer membrana nije dizajnirana za prijenos elektrona.

Molekula kisika na katodnom katalizatoru spaja se s elektronom iz električnog kruga i nadolazećim protonom, na kraju stvarajući vodu, koja je jedini proizvod reakcije.

Vodikove gorivne ćelije koriste se za proizvodnju blokova membranskih elektroda, koji djeluju kao glavni generatorski elementi energetskog sustava.

Prednosti vodikovih gorivih ćelija

Među njima treba istaknuti:

Povećani specifični toplinski kapacitet.
Širok raspon radnih temperatura.
Bez vibracija, buke i toplinskih točaka.
pouzdanost hladnog starta.
Nedostatak samopražnjenja, što osigurava dug vijek trajanja pohrane energije.
Neograničena autonomija zahvaljujući mogućnosti podešavanja intenziteta energije promjenom broja uložaka goriva.
Osiguravanje gotovo bilo kojeg energetskog intenziteta promjenom kapaciteta spremnika vodika.
Dugi vijek trajanja.
Bešuman i ekološki prihvatljiv rad.
Visoka razina energetskog intenziteta.
Tolerancija na strane nečistoće u vodiku.

Područje primjene

Zahvaljujući visoka efikasnost Vodikove gorive ćelije koriste se u raznim područjima:

Prijenosni punjači.
Sustavi napajanja za UAV.
Neprekidni izvori napajanja.
Ostali uređaji i oprema.

Izgledi za vodikovu energiju

Široka uporaba gorivih ćelija s vodikovim peroksidom bit će moguća tek nakon stvaranja učinkovite metode za proizvodnju vodika. Potrebne su nove ideje kako bi se tehnologija aktivno koristila, s velikim nadama položenim u koncept biogorivnih ćelija i nanotehnologiju. Neke su tvrtke relativno nedavno izdale učinkovite katalizatore na bazi različitih metala, a istodobno su se pojavile informacije o stvaranju gorivih ćelija bez membrana, što je omogućilo značajno smanjenje troškova proizvodnje i pojednostavljenje dizajna takvih uređaja. Prednosti i karakteristike vodikovih gorivih ćelija ne nadmašuju njihov glavni nedostatak - visoku cijenu, posebno u usporedbi s ugljikovodičnim uređajima. Stvaranje jedne vodikove elektrane zahtijeva minimalno 500 tisuća dolara.

Kako izgraditi vodikovu gorivnu ćeliju?

Gorivna ćelija male snage može se stvoriti samostalno u uvjetima običnog kućnog ili školskog laboratorija. Korišteni materijali su stara plinska maska, komadići pleksiglasa, vodena otopina etilnog alkohola i lužine.

Tijelo vodikove gorivne ćelije "uradi sam" izrađeno je od pleksiglasa debljine najmanje pet milimetara. Pregrade između odjeljaka mogu biti tanje - oko 3 milimetra. Pleksiglas zalijepljen zajedno posebno ljepilo napravljen od kloroforma ili dikloroetana i komadića pleksiglasa. Svi radovi se izvode samo kada napa radi.

NA vanjski zid slučaju se izbuši rupa promjera 5-6 centimetara u koju se umetnu gumeni čep i odvodna staklena cijev. Aktivni ugljen iz plinske maske ulijeva se u drugi i četvrti odjeljak tijela gorive ćelije - koristit će se kao elektroda.

Gorivo će cirkulirati u prvoj komori, dok je peta ispunjena zrakom iz kojeg će se dovoditi kisik. Elektrolit, izliven između elektroda, impregniran je otopinom parafina i benzina kako bi se spriječio ulazak u zračnu komoru. Bakrene ploče postavljene su na sloj ugljena na koji su zalemljene žice kroz koje će struja biti preusmjerena.

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

Prije ispitivanja gorivne ćelije na vodik, u prvu komoru se ulije gorivo, a u treću komoru elektrolit. Voltmetar spojen na elektrode trebao bi očitati između 0,7 i 0,9 volti. Da bi se osigurao neprekidan rad elementa potrebno je ukloniti istrošeno gorivo, a kroz gumenu cijev uliti novo gorivo. Stiskanjem cijevi kontrolira se količina goriva. Takve vodikove gorivne ćelije, sastavljene kod kuće, imaju malu snagu.

gorive ćelije je elektrokemijski uređaj sličan galvanskom članku, ali se od njega razlikuje po tome što se u njega tvari za elektrokemijsku reakciju unose izvana – za razliku od ograničene količine energije pohranjene u galvanski članak ili baterija.

Riža. jedan. Neke gorivne ćelije

Gorivne ćelije pretvaraju kemijsku energiju goriva u električnu, zaobilazeći neučinkovite procese izgaranja koji se odvijaju uz velike gubitke. Kao rezultat kemijske reakcije pretvaraju vodik i kisik u električnu energiju. Kao rezultat ovog procesa nastaje voda i oslobađa se velika količina topline. Gorivna ćelija vrlo je slična bateriji koja se može puniti i zatim koristiti za pohranu električne energije. Izumitelj gorive ćelije je William R. Grove, koji ju je izumio davne 1839. godine. U ovoj gorivnoj ćeliji kao elektrolit je korištena otopina sumporne kiseline, a kao gorivo vodik koji se spaja s kisikom u oksidacijskom mediju. Donedavno su se gorivne ćelije koristile samo u laboratorijima i na svemirskim letjelicama.

Riža. 2.

Za razliku od drugih generatora energije kao što su motori s unutarnjim izgaranjem ili turbine koje pokreću plin, ugljen, nafta itd., gorive ćelije ne izgaraju gorivo. To znači da nema bučnih visokotlačnih rotora, nema glasne buke ispušnih plinova, nema vibracija. Gorivne ćelije stvaraju električnu energiju putem tihe elektrokemijske reakcije. Još jedna značajka gorivih ćelija je da pretvaraju kemijsku energiju goriva izravno u električnu energiju, toplinu i vodu.

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

Gorivne ćelije nemaju pokretne dijelove (barem ne unutar same ćelije), pa se ne pokoravaju Carnotovom zakonu. Odnosno, imat će više od 50% učinkovitosti i posebno su učinkoviti pri malim opterećenjima. Stoga vozila s gorivnim ćelijama mogu biti (i već je dokazano) učinkovitija u potrošnji goriva od konvencionalnih vozila u stvarnim uvjetima vožnje.

Gorivna ćelija stvara istosmjernu električnu struju koja se može koristiti za pogon elektromotora, rasvjetnih tijela i drugih električnih sustava u vozilu.

Postoji nekoliko vrsta gorivih ćelija koje se razlikuju po korištenim kemijskim procesima. Gorivne ćelije obično se klasificiraju prema vrsti elektrolita koji koriste.

Neke vrste gorivih ćelija obećavaju za korištenje kao pogonske jedinice u elektranama, dok su druge za prijenosne uređaje ili za pogon automobila.

1. Alkalne gorivne ćelije (AFC)

Alkalna goriva ćelija- Ovo je jedan od prvih razvijenih elemenata. Alkalne gorivne ćelije (ALFC) jedna su od najproučavanijih tehnologija koje koristi NASA od sredine 1960-ih u programima Apollo i Space Shuttle. U tim letjelicama gorivne ćelije proizvode električnu energiju i pitku vodu.

Riža. 3.

Alkalne gorivne ćelije jedan su od najučinkovitijih elemenata koji se koriste za proizvodnju električne energije, s učinkovitošću proizvodnje električne energije koja doseže do 70%.

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

Anodna reakcija: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e

Reakcija na katodi: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH

Opća reakcija sustava: 2H2 + O2 => 2H2O

Prednost SFC-a je u tome što su ove gorivne ćelije najjeftinije za proizvodnju, budući da katalizator potreban na elektrodama može biti bilo koja od tvari koje su jeftinije od onih koje se koriste kao katalizatori za druge gorivne ćelije. Osim toga, SFC rade na relativno niskim temperaturama i među najučinkovitijima su.

Jedan od karakteristične značajke SHTE - visoka osjetljivost na CO2, koji se može nalaziti u gorivu ili zraku. CO2 reagira s elektrolitom, brzo ga truje i uvelike smanjuje učinkovitost gorivne ćelije. Stoga je uporaba SFC-a ograničena na zatvorene prostore kao što su svemirska i podvodna vozila, rade na čistom vodiku i kisiku.

2. Karbonatne gorive ćelije (MCFC)

Gorivne ćelije s rastaljenim karbonatnim elektrolitom su visokotemperaturne gorive ćelije. Visoka radna temperatura omogućuje izravnu upotrebu prirodnog plina bez procesora goriva i gorivog plina niske kalorične vrijednosti iz procesnih goriva i drugih izvora. Ovaj proces razvijen je sredinom 1960-ih. Od tog vremena, tehnologija proizvodnje, performanse i pouzdanost su poboljšani.

Riža. četiri.

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

Kada se zagriju na temperaturu od 650°C, soli postaju vodič za karbonatne ione (CO32-). Ti ioni putuju od katode do anode gdje se spajaju s vodikom u vodu, ugljični dioksid i slobodne elektrone. Ti se elektroni šalju kroz vanjski električni krug natrag na katodu, generirajući električnu struju i toplinu kao nusproizvod.

Anodna reakcija: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e

Reakcija na katodi: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-

Opća reakcija elementa: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(katoda) => H2O(g) + CO2(anoda)

Visoke radne temperature gorivih ćelija s rastaljenim karbonatnim elektrolitom imaju određene prednosti. Prednost je mogućnost korištenja standardnih materijala (inox lim i nikl katalizator na elektrodama). Otpadna toplina može se koristiti za proizvodnju pare pod visokim pritiskom. Visoke reakcijske temperature u elektrolitu također imaju svoje prednosti. Korištenjem visokih temperatura potrebno je dosta vremena da se postignu optimalni radni uvjeti, a sustav sporije reagira na promjene u potrošnji energije. Ove karakteristike omogućuju korištenje sustava gorivih ćelija s rastaljenim karbonatnim elektrolitom u uvjetima konstantne snage. Visoke temperature sprječavaju oštećenje gorive ćelije ugljičnim monoksidom, "trovanjem" itd.

Otopljene karbonatne gorive ćelije prikladne su za korištenje u velikim stacionarnim instalacijama. Termoelektrane izlazne električne snage 2,8 MW su industrijski proizvedene. Razvijaju se postrojenja izlazne snage do 100 MW.

3. Gorivne ćelije na bazi fosforne kiseline (PFC)

Gorivne ćelije na bazi fosforne (ortofosforne) kiseline postala prva goriva ćelija za komercijalnu upotrebu. Ovaj proces razvijen je sredinom 60-ih godina XX. stoljeća, testovi se provode od 70-ih godina XX. stoljeća. Kao rezultat toga, stabilnost i performanse su povećane, a trošak smanjen.

Riža. 5.

Gorivne ćelije na bazi fosforne (ortofosforne) kiseline koriste elektrolit na bazi ortofosforne kiseline (H3PO4) koncentracije do 100%. Ionska vodljivost fosforne kiseline je niska na niskim temperaturama, pa se ove gorive ćelije koriste na temperaturama do 150-220°C.

Nositelj naboja u gorivim ćelijama ove vrste je vodik (H+, proton). Sličan proces događa se u gorivim ćelijama s membranom za izmjenu protona (MEFC), u kojima se vodik koji se dovodi na anodu dijeli na protone i elektrone. Protoni prolaze kroz elektrolit i spajaju se s kisikom iz zraka na katodi stvarajući vodu. Elektroni se usmjeravaju duž vanjskog električnog kruga i stvara se električna struja. Ispod su reakcije koje stvaraju električnu energiju i toplinu.

Anodna reakcija: 2H2 => 4H+ + 4e

Reakcija na katodi: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O

Opća reakcija elementa: 2H2 + O2 => 2H2O

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

Visoki učinak termoelektrana na gorivne ćelije na bazi fosforne (ortofosforne) kiseline u kombiniranoj proizvodnji topline i električne energije jedna je od prednosti ove vrste gorivih ćelija. Biljke koriste ugljični monoksid u koncentraciji od oko 1,5%, što uvelike proširuje izbor goriva. Jednostavan dizajn, niska volatilnost elektrolita i povećana stabilnost također su prednosti takvih gorivih ćelija.

Industrijski se proizvode termoelektrane izlazne električne snage do 400 kW. Postrojenja snage 11 MW prošla su odgovarajuća ispitivanja. Razvijaju se postrojenja izlazne snage do 100 MW.

4. Gorivne ćelije s membranom za izmjenu protona (MOFEC)

Gorivne ćelije s membranom za izmjenu protona smatra najviše najbolji tip gorivne ćelije za proizvodnju snage vozila koja može zamijeniti benzinske i dizel motore s unutarnjim izgaranjem. Ove gorivne ćelije prvi put je upotrijebila NASA za program Gemini. Razvijene su i prikazane instalacije na MOPFC snage od 1 W do 2 kW.

Riža. 6.

Elektrolit u ovim gorivim ćelijama je čvrsta polimerna membrana (tanki plastični film). Kada je impregniran vodom, ovaj polimer propušta protone, ali ne provodi elektrone.

Gorivo je vodik, a nositelj naboja je vodikov ion (proton). Na anodi se molekula vodika razdvaja na vodikov ion (proton) i elektrone. Ioni vodika prolaze kroz elektrolit do katode, dok se elektroni kreću po vanjskom krugu i proizvode električnu energiju. Kisik, koji se uzima iz zraka, dovodi se do katode i spaja se s elektronima i vodikovim ionima u vodu. Sljedeće reakcije se događaju na elektrodama: Reakcija anode: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4eReakcija katode: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH Ukupna reakcija ćelije: 2H2 + O2 => 2H2O U usporedbi s drugim vrstama gorivih ćelija, gorivne ćelije s membranom za izmjenu protona proizvode više energije za određeni volumen ili težinu gorive ćelije. Ova značajka im omogućuje da budu kompaktni i lagani. Osim toga, radna temperatura je manja od 100°C, što vam omogućuje brz početak rada. Ove karakteristike, kao i sposobnost brze promjene izlazne energije, samo su neke od značajki koje ove gorivne ćelije čine glavnim kandidatima za upotrebu u vozilima.

Još jedna prednost je što je elektrolit krutina, a ne tekućina. Čvrstim elektrolitom lakše je zadržati plinove na katodi i anodi, pa su takve gorivne ćelije jeftinije za proizvodnju. Kod korištenja krutog elektrolita nema poteškoća poput orijentacije, a manje problema zbog pojave korozije, čime se povećava trajnost ćelije i njezinih komponenti.

Riža. 7.

5. Gorivne ćelije s čvrstim oksidom (SOFC)

Gorivne ćelije s čvrstim oksidom su gorivne ćelije s najvišom radnom temperaturom. Radna temperatura može varirati od 600°C do 1000°C, što omogućuje korištenje raznih vrsta goriva bez posebnih prethodna obrada. Za podnošenje ovih visokih temperatura korišteni elektrolit je tanki čvrsti metalni oksid na bazi keramike, često legura itrija i cirkonija, koji je vodič iona kisika (O2-). Tehnologija korištenja gorivih ćelija s čvrstim oksidom razvija se od kasnih 1950-ih i ima dvije konfiguracije: planarnu i cjevastu.

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

Riža. osam.

Anodna reakcija: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e

Reakcija na katodi: O2 + 4e- => 2O2-

Opća reakcija elementa: 2H2 + O2 => 2H2O

Učinkovitost proizvodnje električne energije najveća je od svih gorivih ćelija - oko 60%. Osim toga, visoke radne temperature omogućuju kombiniranu proizvodnju topline i električne energije za stvaranje pare pod visokim pritiskom. Kombinacija visokotemperaturne gorivne ćelije s turbinom stvara hibridnu gorivu ćeliju za povećanje učinkovitosti proizvodnje električne energije do 70%.

Gorivne ćelije s krutim oksidom rade na vrlo visokim temperaturama (600°C-1000°C), što rezultira značajnim vremenom za postizanje optimalnih radnih uvjeta, dok sustav sporije reagira na promjene u potrošnji energije. Na tako visokim radnim temperaturama nije potreban pretvarač za regeneraciju vodika iz goriva, što omogućuje termoelektrani da radi s relativno nečistim gorivima iz rasplinjavanja ugljena ili otpadnih plinova i slično. Također, ova goriva ćelija je izvrsna za rad visoka snaga, visoki napon, uključujući industrijske i velike centralne elektrane. Industrijski proizvedeni moduli izlazne električne snage 100 kW.

6. Gorivne ćelije s izravnom oksidacijom metanola (DOMTE)

Gorivne ćelije s izravnom oksidacijom metanola uspješno koriste u području napajanja mobilnih telefona, prijenosnih računala, kao i za izradu prijenosnih izvora električne energije, čemu je i cilj buduća primjena ovakvih elemenata.

Dizajn gorivih ćelija s izravnom oksidacijom metanola sličan je dizajnu gorivih ćelija s membranom za izmjenu protona (MOFEC), tj. kao elektrolit se koristi polimer, a kao nositelj naboja vodikov ion (proton). Ali tekući metanol (CH3OH) se oksidira u prisutnosti vode na anodi, oslobađajući CO2, ione vodika i elektrone, koji se šalju kroz vanjski električni krug, te se stvara električna struja. Vodikovi ioni prolaze kroz elektrolit i reagiraju s kisikom iz zraka i elektronima iz vanjskog kruga stvarajući vodu na anodi.

Anodna reakcija: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6eKatodna reakcija: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O Ukupna reakcija elementa: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O 1990-ih i njihova specifična snaga i učinkovitost povećani su do 40%.

Ovi elementi su ispitani u temperaturnom rasponu od 50-120°C. Zbog niskih radnih temperatura i nepotrebnog pretvarača, ove gorivne ćelije najbolji su kandidati za primjenu u mobilnim telefonima i drugim potrošačkim proizvodima, kao iu automobilskim motorima. Njihova prednost su i male dimenzije.

7. Gorivne ćelije s polimernim elektrolitom (PETE)

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

8. Gorivne ćelije s čvrstom kiselinom (SCFC)

U gorivnim ćelijama s čvrstim kiselinama elektrolit (CsHSO4) ne sadrži vodu. Radna temperatura je dakle 100-300°C. Rotacija SO42-oksianiona omogućuje protonima (crveno) da se kreću kao što je prikazano na slici. Tipično, gorivna ćelija s čvrstom kiselinom je sendvič u kojem je vrlo tanak sloj čvrstog kiselog spoja umetnut između dvije čvrsto stisnute elektrode kako bi se osigurao dobar kontakt. Zagrijavanjem organska komponenta isparava, izlazi kroz pore u elektrodama, zadržavajući mogućnost brojnih kontakata između goriva (ili kisika na drugom kraju ćelije), elektrolita i elektroda.

Riža. 9.

9. Usporedba najvažnijih karakteristika gorivih ćelija

Karakteristike gorivih ćelija

Vrsta gorive ćelije	Radna temperatura	Učinkovitost proizvodnje električne energije	Vrsta goriva	Opseg
				Srednje i velike instalacije
			čisti vodik	instalacije
			čisti vodik	Male instalacije
			Većina ugljikovodičnih goriva	Male, srednje i velike instalacije
				prijenosni instalacije
			čisti vodik	Prostor istraživao
			čisti vodik	Male instalacije

Riža. deset.

10. Korištenje gorivih ćelija u automobilima

Riža. jedanaest.

Riža. 12.

Poduzetnik Danila Shaposhnikov kaže da se obvezao iz laboratorija iznijeti proizvod na tržište. Startup AT Energy proizvodi vodikove gorivne ćelije koje će omogućiti bespilotnim letjelicama da lete mnogo puta dulje nego sada.

Poduzetnik Danila Shaposhnikov pomaže znanstvenicima Yuriju Dobrovolskom i Sergeju Nefedkinu komercijalizirati njihov izum - kompaktne vodikove gorivne ćelije koje mogu raditi nekoliko sati bez straha od mraza i vlage. Tvrtka AT Energy koju su stvorili već je privukla oko 100 milijuna rubalja. ulaganja i sprema se osvojiti globalno tržište bespilotnih vozila zrakoplov 7 milijardi dolara, koji do sada uglavnom koristi litij-ionske baterije.

Od laboratorija do tržišta

Posao je započeo Šapošnjikovljevim poznanstvom s dvojicom doktora znanosti iz područja energetike i elektrokemije - Dobrovolskim s Instituta za probleme kemijske fizike Ruske akademije znanosti u Černogolovki i Nefedkinom, koji vodi Centar za vodikovu energiju u Moskvi. Institut za elektroenergetiku. Profesori su imali ideju kako napraviti niskotemperaturne gorive ćelije, ali nisu razumjeli kako svoj izum plasirati na tržište. “Djelovao sam kao poduzetnik-investitor koji je preuzeo rizik iznošenja proizvoda na tržište iz laboratorija”, prisjeća se Shaposhnikov u intervjuu za RBC.

U kolovozu 2012. Shaposhnikov, Dobrovolsky i Nefedkin registrirali su AT Energy (AT Energy LLC) i počeli pripremati prototipove. Tvrtka se prijavila i postala rezident Skolkova. Tijekom 2013. godine, u iznajmljenoj bazi instituta u Černogolovki, osnivači AT Energy radili su na radikalnom produljenju vijeka trajanja baterija gorivnih ćelija. “Černogolovka je znanstveni grad, tamo je prilično lako pronaći i uključiti laborante, inženjere i elektrokemičare”, kaže Šapošnjikov. Zatim se AT Energy preselio u industrijski park Chernogolovsky. Tamo se pojavio i prvi proizvod – gorivna ćelija za dronove.

"Srce" gorivne ćelije koju je razvio AT Energy je jedinica membrana-elektroda u kojoj se odvija elektrokemijska reakcija: s jedne strane dovodi se zrak s kisikom, s druge strane komprimirani plinoviti vodik, kao rezultat kemijskom reakcijom oksidacije vodika stvara se energija.

Za pravi proizvod, AT Energy je uspjela dobiti dvije potpore od Skolkova (ukupno gotovo 47 milijuna rubalja), kao i privući oko milijun dolara ulaganja. Fond North Energy Ventures vjerovao je u projekt (dobio 13,8% AT Energy, njegov partner je sam Shaposhnikov), venture fond Phystech Ventures (13,8%), koji su osnovali diplomanti Moskovskog instituta za fiziku i tehnologiju, i Morton programer (10% ); izravno Shaposhnikov i Dobrovolsky sada posjeduju 26,7% AT Energy, a Nefedkin - 9% (sve - prema Jedinstvenom državnom registru pravnih osoba).

AT Energija u brojkama
oko 1 00 milijuna rubalja— ukupan iznos privučenih ulaganja
3-30 kg- masa dronova za koje AT Energy izrađuje sustave napajanja
7 milijardi dolara godišnje - obujam globalnog tržišta dronova u 2015
90 milijuna dolara- volumen rusko tržište vojne bespilotne letjelice 2014
5 milijuna dolara— obujam ruskog civilnog tržišta dronova u 2014
2,6 milijardi dolara— obujam svjetskog tržišta gorivih ćelija u 2014
Izvor: Podaci tvrtke, Business Insider, Markets & Markets

Leteći duže, još duže

Danas gotovo 80% svjetskih dronova koristi električne motore koji se napajaju iz litij-ionskih ili litij-polimerskih baterija. “Najveći problem s baterijama je to što imaju ograničenja veličine. Ako želite duplo više energije, stavite još jednu bateriju, pa još jednu i tako dalje. A kod dronova je najvažniji parametar njihova masa”, objašnjava Šapošnjikov.

Masa drona određuje njegovu nosivost – broj uređaja koji se na nju mogu objesiti (primjerice, kamere, termovizije, uređaji za skeniranje itd.), kao i vrijeme leta. Do danas dronovi lete uglavnom od pola sata do sat i pol. “Pola sata nije zanimljivo”, kaže Šapošnjikov. "Ispostavilo se da čim ga podignete u zrak, već je vrijeme da promijenite bateriju." Osim toga, litij-ionske baterije ponašaju se kapriciozno kada negativne temperature. Šapošnjikov tvrdi da gorivne ćelije razvijene u AT Energy dronovima omogućuju let do pet puta dulje: od dva i pol do četiri sata, a ne boje se ni mraza (do minus 20 stupnjeva).

AT Energy kupuje potrošni materijal i komponente za svoje baterije u Rusiji i inozemstvu. “Za znanstveni razvoj podrazumijevaju se male serije, tako da još ne možemo dati potencijal Ruski proizvođači horizont planiranja komponenti koje su nam potrebne kako bi mogli lokalizirati svoju proizvodnju,” objašnjava Shaposhnikov.

U 2014. AT Energy ispunio je prve ugovore: isporučio je vojsci 20 baterijskih sustava temeljenih na vlastitim gorivim ćelijama (Shaposhnikov ne imenuje kupca). Opremljeni su i dronovima tvrtke AFM-Servers koji su ih koristili prilikom snimanja Olimpijskih igara u Sočiju. “Jedan od ciljeva tvrtke bio je testirati naše sustave na dronovima i nije nas bilo briga hoćemo li za to biti plaćeni ili ne”, prisjeća se Shaposhnikov. Do danas je AT Energy potpisao niz ugovora i predugovora, čiji je potencijalni prihod, prema Shaposhnikovu, 100 milijuna rubalja. (uglavnom s vladinim agencijama).

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

Devalvacija rublje, prema Shaposhnikovu, olakšat će tvrtki izlazak na svjetsko tržište. “Postavili smo si cilj 2016. uspostaviti odnose sa zapadnim igračima, a 2017. napraviti prve proizvode za glavne tipove stranih dronova”, kaže.

INVESTITOR

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

Oleg Pertsovsky, direktor operacija Klastera energetski učinkovitih tehnologija Zaklade Skolkovo

“Uspjeli su napraviti uređaj koji radi na negativnim temperaturama, a pritom je prilično kompaktan i jeftin. Za projekte koji zahtijevaju veliko znanje, četiri godine su malo vrijeme, tako da se oni, po našem mišljenju, odvijaju normalnim tempom. Dronovi su jedna od očitih i najperspektivnijih primjena gorivih ćelija. Zamjenom izvora napajanja, dron će moći nekoliko puta povećati vrijeme leta uz iste maseno-dimenzionalne karakteristike. Postoji i tržište za autonomno napajanje, primjerice za mobilne mreže, gdje postoji velika potreba za izvorima male snage u udaljenim područjima gdje nema električne mreže.”

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

Sergey Filimonov, voditelj GS Venture Corporate Venture Fund (dio GS Grupe)

„Tržište gorivih ćelija velikog kapaciteta puno je šire i složenije od prostora bespilotnih letjelica. Ali gorivne ćelije morat će se natjecati s brojnim postojećim izvorima energije, kako u pogledu učinkovitosti tako i u smislu cijene. Stvaranje konkurentnog proizvoda i ulazak na ovo tržište nosi značajne investicijske rizike. Za GS Venture područja bespilotnih letjelica i gorivih ćelija prilično su zanimljiva, no fond nije spreman ulagati u startup samo zato što ova tvrtka djeluje u području u razvoju i cilja na brzo rastuće tržište.

KLIJENTI

"To najbolja tehnologija na tržištu, ali preskupo

Oleg Panfilenok, osnivač i izvršni direktor Copter Expressa

“AT Energy ima vrlo snažnu tehnologiju. Kombinacija "gorivne ćelije i spremnika vodika" omogućuje postizanje pouzdanog energetskog kapaciteta, znatno većeg nego kod litij-polimerskih ili litij-ionskih baterija. Već smo dizajnirali dron za mapiranje, promjera oko 1 metar, za let iznad velikog područja - ako na njega stavite vodikove gorive ćelije, letjet će do četiri sata. Bilo bi praktično i učinkovito, ne biste morali postavljati uređaj nekoliko puta za ponovno punjenje.

Trenutno je to definitivno najbolja tehnologija na tržištu, ali postoji jedan problem: za nas je preskupa. Jedna baterija iz AT Energy može koštati oko 500 tisuća rubalja. - red veličine veći od litij-polimerske baterije. Da, to je jedan i pol puta jeftinije od stranih analoga, ali trebamo deset. Mi nismo vojska koja ima proračune, mi smo komercijalna tvrtka i nismo spremni platiti velike novce. Za vojsku su karakteristike drona važnije od njegove cijene, ali za trgovinu, naprotiv, bolje je pustiti da bude lošiji, ali jeftiniji.”

“Vrijeme leta drona za mnoge zadatke je najvažniji faktor”

Maxim Shinkevich, izvršni direktor grupe tvrtki Unmanned Systems

“Vrlo smo upoznati s tvrtkom AT Energy i s njima smo potpisali ugovor o suradnji. Nedavno smo dovršili razvoj novog ogromnog multikoptera nosivosti do 2 kg, koji će biti opremljen gorivnim ćelijama iz AT Energyja i letjet će od 2,5 do 4 sata. Na litijske baterije takav bi dron letio samo 30 minuta. Ovaj dron može se koristiti i u civilne i u vojne svrhe - to je sustav videonadzora za potragu i spašavanje ljudi, već smo spremni da ga pustimo u seriju. Za njega već imamo prvog civilnog kupca, čim ga pokažemo na djelu, pojavit će se i drugi ugovori.

Jedan od glavnih problema u masovnoj uporabi gorivih ćelija je nepostojanje mreže stanica za njihovo punjenje. Skuplje su od baterija (što rezultira povećanjem cijene drona koji ih koristi za 15%), ali zauzvrat dobivate više od dvostruko duže trajanje leta. Vrijeme leta drona za mnoge je zadatke najvažniji faktor.”

Natalija Suvorova

Prednosti gorivih ćelija/ćelija

Gorivna ćelija/ćelija je uređaj koji elektrokemijskom reakcijom učinkovito stvara istosmjernu struju i toplinu iz goriva bogatog vodikom.

Gorivna ćelija slična je bateriji po tome što stvara istosmjernu struju putem kemijske reakcije. Gorivna ćelija uključuje anodu, katodu i elektrolit. Međutim, za razliku od baterija, gorivne ćelije/ćelije ne mogu pohraniti električnu energiju, ne prazne se i ne zahtijevaju ponovno punjenje električne energije. Gorivne ćelije/ćelije mogu neprekidno stvarati električnu energiju sve dok imaju opskrbu gorivom i zrakom.

Za razliku od drugih generatora energije kao što su motori s unutarnjim izgaranjem ili turbine na plin, ugljen, naftu itd., gorivne ćelije/ćelije ne izgaraju gorivo. To znači da nema bučnih visokotlačnih rotora, nema glasne buke ispušnih plinova, nema vibracija. Gorivne ćelije/ćelije stvaraju električnu energiju tihom elektrokemijskom reakcijom. Još jedna značajka gorivih ćelija/ćelija je da pretvaraju kemijsku energiju goriva izravno u električnu energiju, toplinu i vodu.

Gorivne ćelije su vrlo učinkovite i ne proizvode velike količine stakleničkih plinova kao što su ugljikov dioksid, metan i dušikov oksid. Jedini proizvodi koji se emitiraju tijekom rada su voda u obliku pare i mala količina ugljičnog dioksida, koji se uopće ne emitira ako se kao gorivo koristi čisti vodik. Gorivne ćelije/ćelije sklapaju se u sklopove, a zatim u pojedinačne funkcionalne module.

Povijest razvoja gorive ćelije/ćelije

U 1950-ima i 1960-ima, jedan od najvećih izazova za gorive ćelije nastao je iz potrebe Nacionalne uprave za zrakoplovstvo i svemir (NASA) za izvorima energije za dugotrajne svemirske misije. NASA-ina alkalna gorivna ćelija/ćelija koristi vodik i kisik kao gorivo kombinirajući to dvoje kemijski element u elektrokemijskoj reakciji. Rezultat su tri nusproizvoda reakcije koji su korisni u svemirskim letovima - struja za pogon svemirske letjelice, voda za piće i rashladne sustave te toplina za grijanje astronauta.

Otkriće gorivih ćelija seže u početak 19. stoljeća. Prvi dokaz o učinku gorivih ćelija dobiven je 1838. godine.

U kasnim 1930-ima počeo je rad na alkalnim gorivim ćelijama, a do 1939. izgrađena je ćelija koja koristi visokotlačne poniklane elektrode. Tijekom Drugog svjetskog rata razvijene su gorivne ćelije/ćelije za podmornice britanske mornarice, a 1958. uveden je sklop goriva koji se sastojao od alkalnih gorivih ćelija/ćelija promjera nešto više od 25 cm.

Interes je porastao 1950-ih i 1960-ih, a također i 1980-ih kada je industrijski svijet iskusio nestašicu loživog ulja. U istom razdoblju i zemlje svijeta su se zabrinule zbog problema zagađenja zraka i razmatrale načine zaštite okoliša neto primanje struja. Trenutačno se tehnologija gorivih ćelija/ćelija ubrzano razvija.

Kako rade gorivne ćelije/ćelije

Gorivne ćelije/ćelije stvaraju električnu energiju i toplinu kroz stalnu elektrokemijsku reakciju pomoću elektrolita, katode i anode.

Anoda i katoda odvojene su elektrolitom koji provodi protone. Nakon što vodik uđe u anodu, a kisik u katodu, počinje kemijska reakcija, uslijed koje nastaju električna struja, toplina i voda.

Na anodnom katalizatoru molekularni vodik disocira i gubi elektrone. Ioni vodika (protoni) provode se kroz elektrolit do katode, dok elektroni prolaze kroz elektrolit i kroz vanjski električni krug, stvarajući istosmjernu struju koja se može koristiti za napajanje opreme. Na katodnom katalizatoru molekula kisika spaja se s elektronom (koji se dovodi iz vanjskih komunikacija) i nadolazećim protonom, te tvori vodu, koja je jedini produkt reakcije (u obliku pare i/ili tekućine).

Ispod je odgovarajuća reakcija:

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

Vrste i raznolikost gorivih ćelija/ćelija

Slično kao što postoje različiti tipovi motora s unutarnjim izgaranjem, postoje i različiti tipovi gorivih ćelija - odabir odgovarajuće vrste gorivih ćelija ovisi o njihovoj primjeni.

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

Gorivne ćelije/ćelije na rastaljenom karbonatu (MCFC)

Gorive ćelije s rastaljenim karbonatnim elektrolitom su visokotemperaturne gorive ćelije. Visoka radna temperatura omogućuje izravnu upotrebu prirodnog plina bez procesora goriva i gorivog plina niske kalorične vrijednosti iz procesnih goriva i drugih izvora.

Zagrijavanjem na temperaturu od 650°C soli postaju vodič za karbonatne ione (CO 3 2-). Ti ioni prelaze s katode na anodu gdje se spajaju s vodikom u vodu, ugljični dioksid i slobodne elektrone. Ti se elektroni šalju kroz vanjski električni krug natrag na katodu, generirajući električnu struju i toplinu kao nusproizvod.

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

Visoke radne temperature gorivih ćelija s rastaljenim karbonatnim elektrolitom imaju određene prednosti. Na visokim temperaturama, prirodni plin se interno reformira, eliminirajući potrebu za procesorom goriva. Dodatno, prednosti uključuju mogućnost korištenja standardnih materijala za izradu, kao što su lim od nehrđajućeg čelika i katalizator od nikla na elektrodama. Otpadna toplina može se koristiti za stvaranje visokotlačne pare za razne industrijske i komercijalne primjene.

Visoke reakcijske temperature u elektrolitu također imaju svoje prednosti. Primjenom visokih temperatura potrebno je dosta vremena da se postignu optimalni radni uvjeti, a sustav sporije reagira na promjene u potrošnji energije. Ove karakteristike omogućuju korištenje sustava gorivih ćelija s rastaljenim karbonatnim elektrolitom u uvjetima konstantne snage. Visoke temperature sprječavaju oštećenje gorive ćelije ugljičnim monoksidom.

Otopljene karbonatne gorive ćelije prikladne su za korištenje u velikim stacionarnim instalacijama. Termoelektrane izlazne električne snage 3,0 MW su industrijski proizvedene. Razvijaju se postrojenja izlazne snage do 110 MW.

Gorivne ćelije/ćelije na bazi fosforne kiseline (PFC)

Gorivne ćelije na bazi fosforne (ortofosforne) kiseline bile su prve gorivne ćelije za komercijalnu upotrebu.

Gorivne ćelije na bazi fosforne (ortofosforne) kiseline koriste elektrolit na bazi ortofosforne kiseline (H 3 PO 4) koncentracije do 100%. Ionska vodljivost fosforne kiseline je niska na niskim temperaturama, zbog toga se ove gorive ćelije koriste na temperaturama do 150-220°C.

Nositelj naboja u gorivim ćelijama ove vrste je vodik (H+, proton). Sličan proces događa se u gorivim ćelijama membrane za izmjenu protona, u kojima se vodik koji se dovodi na anodu dijeli na protone i elektrone. Protoni prolaze kroz elektrolit i spajaju se s kisikom iz zraka na katodi stvarajući vodu. Elektroni se usmjeravaju duž vanjskog električnog kruga i stvara se električna struja. Ispod su reakcije koje stvaraju električnu energiju i toplinu.

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

Visoki učinak termoelektrana na gorivne ćelije na bazi fosforne (ortofosforne) kiseline u kombiniranoj proizvodnji topline i električne energije jedna je od prednosti ove vrste gorivih ćelija. Biljke koriste ugljični monoksid u koncentraciji od oko 1,5%, što uvelike proširuje izbor goriva. Osim toga, CO 2 ne utječe na elektrolit i rad gorive ćelije, ova vrsta ćelije radi s reformiranim prirodnim gorivom. Jednostavna konstrukcija, niska isparljivost elektrolita i povećana stabilnost također su prednosti ove vrste gorivnih ćelija.

Industrijski se proizvode termoelektrane izlazne električne snage do 500 kW. Instalacije za 11 MW su prošle odgovarajuće testove. Razvijaju se postrojenja izlazne snage do 100 MW.

Gorivne ćelije/ćelije s čvrstim oksidom (SOFC)

Gorivne ćelije s krutim oksidom su gorivne ćelije s najvišom radnom temperaturom. Radna temperatura može varirati od 600°C do 1000°C, što omogućuje korištenje raznih vrsta goriva bez posebne predtretmane. Za podnošenje ovih visokih temperatura, elektrolit koji se koristi je tanki čvrsti metalni oksid na bazi keramike, često legura itrija i cirkonija, koji je vodič iona kisika (O 2-).

Čvrsti elektrolit osigurava hermetički prijelaz plina s jedne elektrode na drugu, dok se tekući elektroliti nalaze u poroznoj podlozi. Nositelj naboja u gorivim ćelijama ovog tipa je ion kisika (O 2-). Na katodi se molekule kisika odvajaju od zraka na ion kisika i četiri elektrona. Ioni kisika prolaze kroz elektrolit i spajaju se s vodikom u četiri slobodna elektrona. Elektroni se usmjeravaju kroz vanjski električni krug, generirajući električnu struju i otpadnu toplinu.

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

Učinkovitost proizvedene električne energije je najveća od svih gorivih ćelija - oko 60-70%. Visoke radne temperature omogućuju kombiniranu proizvodnju topline i električne energije za stvaranje pare pod visokim pritiskom. Kombinacija visokotemperaturne gorivne ćelije s turbinom stvara hibridnu gorivu ćeliju za povećanje učinkovitosti proizvodnje električne energije do 75%.

Gorivne ćelije s krutim oksidom rade na vrlo visokim temperaturama (600°C–1000°C), što rezultira dugotrajnim postizanjem optimalnih radnih uvjeta, a sustav sporije reagira na promjene u potrošnji energije. Na tako visokim radnim temperaturama nije potreban pretvarač za regeneraciju vodika iz goriva, što omogućuje termoelektrani da radi s relativno nečistim gorivima iz rasplinjavanja ugljena ili otpadnih plinova i slično. Također, ova goriva ćelija je izvrsna za aplikacije velike snage, uključujući industrijske i velike centralne elektrane. Industrijski proizvedeni moduli izlazne električne snage 100 kW.

Gorivne ćelije/ćelije s izravnom oksidacijom metanola (DOMTE)

Tehnologija korištenja gorivih ćelija s izravnom oksidacijom metanola prolazi kroz razdoblje aktivnog razvoja. Uspješno se etablirao u području napajanja mobilnih telefona, prijenosnih računala, kao i za izradu prijenosnih izvora napajanja. čemu je usmjerena buduća primjena ovih elemenata.

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

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

Prednost ove vrste gorivih ćelija je njihova mala veličina zbog upotrebe tekuće gorivo, i nema potrebe za korištenjem pretvarača.

Alkalne gorive ćelije/ćelije (AFC)

Alkalne gorivne ćelije jedan su od najučinkovitijih elemenata koji se koriste za proizvodnju električne energije, s učinkovitošću proizvodnje električne energije koja doseže do 70%.

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

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

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

Jedna od karakterističnih značajki SHTE je njegova visoka osjetljivost na CO 2 , koji se može nalaziti u gorivu ili zraku. CO 2 reagira s elektrolitom, brzo ga truje i uvelike smanjuje učinkovitost gorivne ćelije. Stoga je uporaba SFC-a ograničena na zatvorene prostore kao što su svemirska i podvodna vozila, moraju raditi na čistom vodiku i kisiku. Štoviše, molekule kao što su CO, H 2 O i CH4, koje su sigurne za druge gorive ćelije, pa čak i gorivo za neke od njih, štetne su za SFC.

Gorivne ćelije/ćelije s polimernim elektrolitom (PETE)

U slučaju gorivih ćelija s polimernim elektrolitom, polimerna membrana sastoji se od polimernih vlakana s vodenim područjima u kojima postoji vodljivost iona vode (H 2 O + (proton, crveni) vezan za molekulu vode). Molekule vode predstavljaju problem zbog spore izmjene iona. Stoga je potrebna visoka koncentracija vode iu gorivu i na ispušnim elektrodama, što ograničava radnu temperaturu na 100°C.

Gorivne ćelije/ćelije s čvrstom kiselinom (SCFC)

U gorivnim ćelijama s čvrstim kiselinama elektrolit (CsHSO 4 ) ne sadrži vodu. Radna temperatura je dakle 100-300°C. Rotacija SO 4 2-oksi aniona omogućuje protonima (crveno) da se kreću kao što je prikazano na slici. Tipično, gorivna ćelija s čvrstom kiselinom je sendvič u kojem je vrlo tanak sloj čvrstog kiselog spoja umetnut između dvije čvrsto stisnute elektrode kako bi se osigurao dobar kontakt. Zagrijavanjem organska komponenta isparava, izlazi kroz pore u elektrodama, zadržavajući mogućnost brojnih kontakata između goriva (ili kisika na drugom kraju ćelije), elektrolita i elektroda.

Razni moduli gorivih ćelija. baterija gorivih ćelija

Baterija gorivih ćelija
Ostala oprema za visoke temperature (integrirani generator pare, komora za izgaranje, izmjenjivač toplinske ravnoteže)
Izolacija otporna na toplinu

modul gorivih ćelija

Usporedna analiza vrsta i vrsta gorivih ćelija

Inovativne gradske toplinske i elektrane koje štede energiju obično se grade na gorivim ćelijama s čvrstim oksidom (SOFC), gorivim ćelijama s polimernim elektrolitom (PETE), gorivim ćelijama s fosfornom kiselinom (PFC), gorivim ćelijama s membranom za izmjenu protona (PMEFC) i alkalnim gorivim ćelijama ( AFC) . Obično imaju sljedeće karakteristike:

Gorivne ćelije s čvrstim oksidom (SOFC) treba prepoznati kao najprikladnije, koje:

rade na višoj temperaturi, što smanjuje potrebu za skupim plemenitim metalima (kao što je platina)
može raditi za različite vrste ugljikovodična goriva, uglavnom prirodni plin
imaju dulje vrijeme pokretanja i stoga su prikladniji za dugotrajni rad
pokazuju visoku učinkovitost proizvodnje električne energije (do 70%)
zbog visokih radnih temperatura, jedinice se mogu kombinirati sa sustavima za povrat topline, čime se ukupna učinkovitost sustava povećava do 85%
imati praktički nulta razina emisije, rade tiho i imaju niske radne zahtjeve u usporedbi s postojećim tehnologijama za proizvodnju električne energije

Vrsta gorive ćelije	Radna temperatura	Učinkovitost proizvodnje električne energije	Vrsta goriva	Područje primjene
RKTE	550-700°C	50-70%		Srednje i velike instalacije
FKTE	100-220°C	35-40%	čisti vodik	Velike instalacije
MOPTE	30-100°C	35-50%	čisti vodik	Male instalacije
SOFC	450-1000°C	45-70%	Većina ugljikovodičnih goriva	Male, srednje i velike instalacije
POMTE	20-90°C	20-30%	metanol	prijenosni
SHTE	50-200°C	40-70%	čisti vodik	istraživanja svemira
PETE	30-100°C	35-50%	čisti vodik	Male instalacije

Budući da se male termoelektrane mogu spojiti na konvencionalnu plinsku mrežu, gorivne ćelije ne zahtijevaju poseban sustav opskrbe vodikom. Pri korištenju malih termoelektrana na gorivim ćelijama s krutim oksidom, proizvedena toplina može se integrirati u izmjenjivače topline za grijanje vode i ventilacijski zrak, čime se povećava ukupna učinkovitost sustava. Ova inovativna tehnologija najbolji način pogodan za učinkovitu proizvodnju električne energije bez potrebe za skupom infrastrukturom i složenom integracijom instrumenata.

Primjene gorivih ćelija/ćelija

Primjena gorivih ćelija/ćelija u telekomunikacijskim sustavima

S brzim širenjem bežičnih komunikacijskih sustava diljem svijeta i rastućim društvenim i ekonomskim prednostima tehnologije mobilnih telefona, potreba za pouzdanim i isplativim rezervnim napajanjem postala je kritična. Gubici u mreži tijekom cijele godine zbog lošeg vremena, prirodnih katastrofa ili ograničenog kapaciteta mreže stalni su izazov za operatere mreže.

Tradicionalna rješenja za rezervno napajanje telekomunikacija uključuju baterije (ventilski regulirane olovne baterije) za kratkoročno rezervno napajanje i generatore na dizel i propan za dulje rezervno napajanje. Baterije su relativno jeftin izvor rezervne energije za 1 do 2 sata. Međutim, baterije nisu prikladne za duža pričuvna razdoblja jer su skupe za održavanje, postaju nepouzdane nakon dugih razdoblja korištenja, osjetljive su na temperature i opasne su za okoliš nakon odlaganja. Dizelski i propan generatori mogu osigurati kontinuirano rezervno napajanje. Međutim, generatori mogu biti nepouzdani, zahtijevaju opsežno održavanje i ispuštaju visoke razine zagađivača i stakleničkih plinova u atmosferu.

Kako bi se uklonila ograničenja tradicionalnih rješenja za pomoćno napajanje, razvijena je inovativna zelena tehnologija gorivih ćelija. Gorivne ćelije su pouzdane, tihe, sadrže manje pokretnih dijelova od generatora, imaju širi raspon radnih temperatura od -40°C do +50°C od baterije i, kao rezultat toga, pružaju iznimno visoke razine uštede energije. Osim toga, životni vijek takvog postrojenja manji je od troška generatora. Niži trošak po gorivnoj ćeliji rezultat je samo jednog posjeta održavanju godišnje i znatno veće produktivnosti postrojenja. Uostalom, gorive ćelije su ekološki prihvatljivo tehnološko rješenje s minimalnim utjecajem na okoliš.

Jedinice gorivih ćelija osiguravaju rezervno napajanje za kritične komunikacijske mrežne infrastrukture za bežične, trajne i širokopojasne komunikacije u telekomunikacijskom sustavu, u rasponu od 250 W do 15 kW, nude mnoge inovativne značajke bez premca:

POUZDANOST– Malo pokretnih dijelova i bez pražnjenja u stanju pripravnosti
UŠTEDA ENERGIJE
TIŠINA– niska razina buke
STABILNOST– područje rada od -40°C do +50°C
PRILAGODLJIVOST– vanjska i unutarnja montaža (kontejner/zaštitna posuda)
VISOKA SNAGA, VISOKI NAPON– do 15 kW
MALO POTREBA ODRŽAVANJA– minimalno godišnje održavanje
EKONOMIJA- atraktivan ukupni trošak vlasništva
ČISTA ENERGIJA– niske emisije uz minimalan utjecaj na okoliš

Sustav u svakom trenutku osjeća napon istosmjerne sabirnice i glatko prihvaća kritična opterećenja ako napon istosmjerne sabirnice padne ispod korisnički definirane zadane vrijednosti. Sustav radi na vodiku, koji ulazi u sklop gorivih ćelija na jedan od dva načina - ili iz komercijalnog izvora vodika ili iz tekućeg goriva od metanola i vode, korištenjem ugrađenog reformer sustava.

Električnu energiju proizvodi niz gorivih ćelija u obliku istosmjerne struje. Istosmjerna snaga se šalje u pretvarač koji pretvara nereguliranu istosmjernu struju iz sklopa gorivih ćelija u visokokvalitetnu, reguliranu istosmjernu struju za potrebna opterećenja. Instalacija gorivih ćelija može osigurati rezervno napajanje za mnogo dana, budući da je trajanje ograničeno samo količinom vodika ili goriva metanol/voda dostupnog na zalihama.

Gorivne ćelije nude visoku razinu uštede energije, povećanu pouzdanost sustava, predvidljiviju izvedbu u širokom rasponu klimatskih uvjeta i pouzdan radni vijek u usporedbi sa industrijskim standardnim olovnim baterijama s reguliranim ventilom. Troškovi životnog ciklusa također su niži zbog znatno manje zahtjeva za održavanjem i zamjenom. Gorive ćelije krajnjem korisniku nude prednosti za okoliš budući da su troškovi zbrinjavanja i rizici odgovornosti povezani s olovno kiselim ćelijama sve veća briga.

Za izvedbu električne baterije može negativno utjecati širok raspon čimbenika kao što su razina napunjenosti, temperatura, ciklusi, životni vijek i druge varijable. Dobivena energija varirat će ovisno o ovim čimbenicima i nije je lako predvidjeti. Ti čimbenici relativno ne utječu na izvedbu gorivne ćelije s membranom za izmjenu protona (PEMFC) i može osigurati kritičnu snagu sve dok je gorivo dostupno. Povećana predvidljivost važna je prednost pri prelasku na gorive ćelije za kritične aplikacije rezervnog napajanja.

Gorivne ćelije stvaraju energiju samo kada se dovodi gorivo, poput generatora plinske turbine, ali nemaju pokretne dijelove u zoni proizvodnje. Stoga, za razliku od generatora, nisu podložni brzom trošenju i ne zahtijevaju stalno održavanje i podmazivanje.

Gorivo koje se koristi za pogon pretvarača goriva s produljenim trajanjem je mješavina metanola i vode. Metanol je široko dostupno, komercijalno proizvedeno gorivo koje trenutno ima mnoge primjene, uključujući pranje vjetrobranskog stakla, plastične boce, aditivi za motore, emulzijske boje. Metanol se lako transportira, miješa se s vodom, ima dobru biorazgradivost i ne sadrži sumpor. Ima nisku točku smrzavanja (-71°C) i ne raspada se tijekom dugog skladištenja.

Primjena gorivih ćelija/ćelija u komunikacijskim mrežama

Sigurnosne mreže zahtijevaju pouzdana rješenja za rezervno napajanje koja mogu trajati satima ili danima u hitnim slučajevima ako električna mreža postane nedostupna.

S malo pokretnih dijelova i bez smanjenja snage u stanju pripravnosti, inovativna tehnologija gorivih ćelija nudi privlačno rješenje u usporedbi s trenutnim sustavima rezervnog napajanja.

Najuvjerljiviji razlog za korištenje tehnologije gorivih ćelija u komunikacijskim mrežama je povećana ukupna pouzdanost i sigurnost. Tijekom događaja kao što su nestanci struje, potresi, oluje i uragani, važno je da sustavi nastave raditi i imaju pouzdano rezervno napajanje tijekom duljeg vremenskog razdoblja, bez obzira na temperaturu ili starost rezervnog sustava napajanja.

Asortiman izvora napajanja s gorivim ćelijama idealan je za podršku sigurnim komunikacijskim mrežama. Zahvaljujući svojim načelima dizajna za uštedu energije, oni pružaju ekološki prihvatljivo, pouzdano rezervno napajanje s produženim trajanjem (do nekoliko dana) za upotrebu u rasponu snage od 250 W do 15 kW.

Primjena gorivih ćelija/ćelija u podatkovnim mrežama

Pouzdano napajanje podatkovnih mreža, kao što su podatkovne mreže velike brzine i optičke okosnice, od ključne je važnosti u cijelom svijetu. Informacije koje se prenose preko takvih mreža sadrže ključne podatke za institucije kao što su banke, zrakoplovne tvrtke ili medicinski centri. Nestanak struje u takvim mrežama ne samo da predstavlja opasnost za informacije koje se prenose, već, u pravilu, dovodi i do značajnih financijskih gubitaka. Pouzdane, inovativne instalacije gorivih ćelija koje osiguravaju napajanje u stanju pripravnosti pružaju pouzdanost koja vam je potrebna za osiguranje neprekinutog napajanja.

Jedinice gorivih ćelija koje rade na mješavinu tekućeg goriva metanola i vode pružaju pouzdano rezervno napajanje s produljenim trajanjem, do nekoliko dana. Osim toga, ove jedinice imaju značajno smanjene zahtjeve za održavanjem u usporedbi s generatorima i baterijama, zahtijevajući samo jedan posjet održavanju godišnje.

Tipične karakteristike primjene za korištenje sustava gorivih ćelija u podatkovnim mrežama:

Prijave s ulaznom snagom od 100 W do 15 kW
Aplikacije sa zahtjevima trajanja baterije > 4 sata
Repetitori u optičkim sustavima (hijerarhija sinkronih digitalni sustavi, brzi Internet, Voice over IP…)
Mrežni čvorovi prijenosa podataka velike brzine
WiMAX prijenosni čvorovi

Instalacije rezervnog napajanja gorivih ćelija nude brojne prednosti za kritične podatkovne mrežne infrastrukture u odnosu na tradicionalne samostalne baterije ili dizel generatori, što vam omogućuje povećanje mogućnosti korištenja na mjestu:

Tehnologija tekućeg goriva rješava problem skladištenja vodika i pruža gotovo neograničenu pomoćnu snagu.
Zahvaljujući njihovom tihom radu, maloj težini, otpornosti na ekstremne temperature i radu gotovo bez vibracija, gorivne ćelije mogu se instalirati na otvorenom, u industrijskim zgradama/kontejnerima ili na krovovima.
Pripreme za korištenje sustava na licu mjesta su brze i ekonomične, a cijena rada niska.
Gorivo je biorazgradivo i predstavlja ekološki prihvatljivo rješenje za urbanu sredinu.

Primjena gorivih ćelija/ćelija u sigurnosnim sustavima

Najpažljivije dizajnirani sigurnosni i komunikacijski sustavi zgrada pouzdani su onoliko koliko je pouzdana snaga koja ih pokreće. Dok većina sustava uključuje neku vrstu pričuvnog sustava neprekidnog napajanja za kratkotrajne gubitke struje, oni ne osiguravaju duže prekide napajanja do kojih može doći nakon prirodnih katastrofa ili terorističkih napada. Može postati kritično važno pitanje za mnoge korporativne i državne agencije.

Vitalni sustavi kao što su CCTV nadzor i sustavi kontrole pristupa (čitači osobnih iskaznica, uređaji za zatvaranje vrata, biometrijska identifikacijska tehnologija itd.), automatski protupožarni alarm i gašenje požara, sustavi upravljanja dizalima i telekomunikacijske mreže ugroženi su u nedostatku pouzdanog alternativnog izvora kontinuiranog napajanja.

Diesel generatori su bučni, teško ih je locirati i dobro su poznati po svojoj pouzdanosti i održavanje. Nasuprot tome, pripravna instalacija gorivih ćelija je tiha, pouzdana, ima nulte ili vrlo niske emisije i lako se postavlja na krov ili izvan zgrade. Ne prazni se niti gubi snagu u stanju pripravnosti. Osigurava nastavak rada kritičnih sustava, čak i nakon što ustanova prestane s radom i ljudi napuste zgradu.

Inovativne instalacije gorivih ćelija štite skupa ulaganja u kritične primjene. Oni pružaju ekološki prihvatljivo, pouzdano, dugotrajno rezervno napajanje (do mnogo dana) za korištenje u rasponu snage od 250 W do 15 kW, u kombinaciji s brojnim nenadmašnim značajkama i, posebno, visoka razina Ušteda energije.

Rezervne elektrane na gorive ćelije nude brojne prednosti za kritične primjene kao što su sustavi sigurnosti i upravljanja zgradama u odnosu na tradicionalne baterijske ili dizel generatore. Tehnologija tekućeg goriva rješava problem skladištenja vodika i pruža gotovo neograničenu pomoćnu snagu.

Primjena gorivih ćelija/ćelija u grijanju kućanstava i proizvodnji električne energije

Gorivne ćelije s čvrstim oksidom (SOFC) koriste se za izradu pouzdanih, energetski učinkovitih i štetne emisije termoelektrane za proizvodnju električne i toplinske energije iz široko dostupnog prirodnog plina i obnovljivih goriva. Ove inovativne jedinice koriste se na raznim tržištima, od domaće proizvodnje električne energije do opskrbe električnom energijom udaljenih područja, kao i pomoćnih izvora energije.

Primjena gorivih ćelija/ćelija u distribucijskim mrežama

Male termoelektrane projektirane su za rad u distribuiranoj mreži za proizvodnju električne energije koja se sastoji od velikog broja malih agregata umjesto jedne centralizirane elektrane.

Donja slika prikazuje gubitak u učinkovitosti proizvodnje električne energije kada se ona proizvodi u kogeneracijskim postrojenjima i prenosi u domove putem tradicionalnih prijenosnih mreža koje se koriste u ovaj trenutak. Gubici učinkovitosti u daljinskoj proizvodnji uključuju gubitke iz elektrane, niskog i visokog napona u prijenosu i distribucijske gubitke.

Na slici su prikazani rezultati integracije malih termoelektrana: električna energija se proizvodi uz proizvodnu učinkovitost do 60% na mjestu korištenja. Osim toga, kućanstvo može koristiti toplinu koju generiraju gorivne ćelije za grijanje vode i prostora, čime se povećava ukupna učinkovitost prerade energije goriva i poboljšava ušteda energije.

Korištenje gorivih ćelija za zaštitu okoliša - Iskorištavanje pratećeg naftnog plina

Jedan od kritične zadatke u naftnoj industriji je iskorištavanje pratećeg naftnog plina. Postojeće metode Korištenje pratećeg naftnog plina ima dosta nedostataka, od kojih je glavni taj što nisu ekonomski isplativi. Spaljuje se popratni naftni plin, što uzrokuje veliku štetu okolišu i zdravlju ljudi.

Inovativne toplinske i elektrane na gorivne ćelije koje kao gorivo koriste prateći naftni plin otvaraju put radikalnom i ekonomičnom rješenju problema iskorištavanja pratećeg naftnog plina.

Jedna od glavnih prednosti instalacija gorivih ćelija je da mogu raditi pouzdano i održivo na naftnom plinu promjenjivog sastava. Zbog kemijske reakcije bez plamena koja je u osnovi rada gorive ćelije, smanjenje postotka, na primjer, metana uzrokuje samo odgovarajuće smanjenje izlazne snage.
Fleksibilnost u odnosu na električno opterećenje potrošača, diferencijal, udar opterećenja.
Za ugradnju i priključak termoelektrana na gorivne ćelije njihova izvedba ne zahtijeva kapitalne izdatke jer Jedinice se lako montiraju na nepripremljenim mjestima u blizini polja, jednostavne su za rukovanje, pouzdane su i učinkovite.
Visoka automatizacija i moderno daljinsko upravljanje ne zahtijevaju stalnu prisutnost osoblja u postrojenju.
Jednostavnost i tehnička savršenost dizajna: odsutnost pokretnih dijelova, trenja, sustava podmazivanja pruža značajne ekonomske koristi od rada instalacija gorivih ćelija.
Potrošnja vode: nikakva pri temperaturama okoline do +30 °C i zanemariva pri višim temperaturama.
Izlaz vode: nema.
Osim toga, termoelektrane na gorive ćelije ne stvaraju buku, ne vibriraju, ne ispuštaju štetne emisije u atmosferu