Pile de combustie cu hidrogen aer. Cum funcționează un motor cu hidrogen? De la laborator la piață

Partea 1

Acest articol examinează mai detaliat principiul funcționării pilelor de combustie, designul, clasificarea lor, avantajele și dezavantajele, domeniul de aplicare, eficiența, istoria creației și perspectivele moderne de utilizare. În partea a doua a articolului, care va fi publicat în numărul următor al revistei ABOK, oferă exemple de facilități în care au fost utilizate surse de căldură și energie electrică (sau numai alimentare cu energie electrică). diverse tipuri pile de combustibil.

Introducere

Pilele de combustie sunt o modalitate foarte eficientă, fiabilă, durabilă și ecologică de a genera energie.

Folosite inițial doar în industria spațială, pilele de combustibil sunt acum din ce în ce mai utilizate într-o varietate de domenii - ca centrale electrice staționare, surse autonome de căldură și alimentare cu energie a clădirilor, motoare. vehicule, surse de alimentare pentru laptopuri si telefoane mobile. Unele dintre aceste dispozitive sunt prototipuri de laborator, altele sunt supuse unor teste de pre-producție sau sunt folosite în scopuri demonstrative, dar multe modele sunt produse în serie și utilizate în proiecte comerciale.

O celulă de combustie (generator electrochimic) este un dispozitiv care transformă direct energia chimică a combustibilului (hidrogen) în energie electrică printr-o reacție electrochimică, spre deosebire de tehnologiile tradiționale care folosesc arderea combustibililor solizi, lichizi și gazoși. Conversia electrochimică directă a combustibilului este foarte eficientă și atractivă din punct de vedere al mediului, deoarece procesul de funcționare produce o cantitate minimă de poluanți și nu există zgomot sau vibrații puternice.

Din punct de vedere practic, o pilă de combustie seamănă cu o baterie voltaică convențională. Diferența este că bateria este inițial încărcată, adică umplută cu „combustibil”. În timpul funcționării, „combustibil” este consumat și bateria este descărcată. Spre deosebire de o baterie, o celulă de combustibil pentru producție energie electrica

Pentru a produce energie electrică, se poate folosi nu numai hidrogen pur, ci și alte materii prime care conțin hidrogen, de exemplu, gaz natural, amoniac, metanol sau benzină. Aerul obișnuit este folosit ca sursă de oxigen, de asemenea necesară pentru reacție.

Atunci când se utilizează hidrogen pur ca combustibil, produșii de reacție, pe lângă energia electrică, sunt căldura și apa (sau vaporii de apă), adică gazele care provoacă poluarea aerului sau produc efectul de seră nu sunt emise în atmosferă. Dacă o materie primă care conține hidrogen, cum ar fi gazul natural, este utilizată ca combustibil, alte gaze, cum ar fi oxizii de carbon și de azot, vor fi un produs secundar al reacției, dar cantitatea va fi semnificativ mai mică decât dacă aceeași cantitate este arsă. gaz natural.

Procesul de conversie chimică a combustibilului pentru a produce hidrogen se numește reformare, iar dispozitivul corespunzător se numește reformator.

Avantajele și dezavantajele pilelor de combustie

Pilele de combustibil sunt mai eficiente din punct de vedere energetic decât motoarele cu ardere internă, deoarece nu există o limitare a eficienței energetice termodinamice pentru celulele de combustibil. Eficiența celulelor de combustie este de 50%, în timp ce randamentul motoarelor cu ardere internă este de 12-15%, iar eficiența centralelor cu turbine cu abur nu depășește 40%. Prin utilizarea căldurii și a apei, eficiența celulelor de combustie crește și mai mult.

Spre deosebire, de exemplu, de motoarele cu ardere internă, eficiența celulelor de combustie rămâne foarte ridicată chiar și atunci când acestea nu funcționează la putere maximă.

În plus, puterea celulelor de combustie poate fi mărită prin simpla adăugare de unități individuale, în timp ce eficiența nu se modifică, adică instalațiile mari sunt la fel de eficiente ca și cele mici. Aceste circumstanțe fac posibilă selectarea foarte flexibilă a compoziției echipamentelor în conformitate cu dorințele clientului și conduc în cele din urmă la o reducere a costurilor echipamentelor.

Pilele de combustie pot fi amplasate direct într-o clădire, reducând pierderile în timpul transportului de energie, iar căldura generată ca urmare a reacției poate fi folosită pentru a furniza căldură sau apă caldă clădirii. Sursele autonome de căldură și electricitate pot fi foarte benefice în zonele îndepărtate și în regiunile caracterizate de deficitul de energie electrică și costul ridicat al acesteia, dar în același timp există rezerve de materii prime care conțin hidrogen (petrol, gaze naturale).

Avantajele celulelor de combustie sunt, de asemenea, disponibilitatea combustibilului, fiabilitatea (nu există piese mobile într-o celulă de combustibil), durabilitatea și ușurința în exploatare.

Unul dintre principalele dezavantaje ale pilelor de combustie de astăzi este costul lor relativ ridicat, dar acest dezavantaj poate fi depășit în curând - tot mai multe companii produc mostre comerciale de celule de combustie, acestea sunt în mod constant îmbunătățite, iar costul lor este în scădere.

Cel mai eficient mod este utilizarea hidrogenului pur ca combustibil, dar aceasta va necesita crearea unei infrastructuri speciale pentru producerea și transportul acestuia.

În prezent, toate modelele comerciale folosesc gaz natural și combustibili similari. Autovehiculele pot folosi benzină obișnuită, ceea ce va permite menținerea rețelei dezvoltate de benzinării existente.

Cu toate acestea, utilizarea unui astfel de combustibil duce la emisii nocive în atmosferă (deși foarte scăzute) și complică (și, prin urmare, crește costul) celulei de combustie. În viitor, se ia în considerare posibilitatea utilizării surselor de energie regenerabilă ecologice (de exemplu, energia solară sau eoliană) pentru a descompune apa în hidrogen și oxigen prin electroliză și apoi a converti combustibilul rezultat într-o pilă de combustie. Astfel de centrale combinate, care funcționează într-un ciclu închis, pot reprezenta o sursă de energie complet ecologică, fiabilă, durabilă și eficientă.

Principiul de funcționare al celulelor de combustie a fost descoperit în 1839. Omul de știință englez William Robert Grove (1811-1896) a descoperit că procesul de electroliză - descompunerea apei în hidrogen și oxigen prin curent electric - este reversibil, adică hidrogenul și oxigenul pot fi combinați în molecule de apă fără ardere, dar cu eliberare. de căldură și curent electric. Grove a numit dispozitivul în care a fost posibilă o astfel de reacție „baterie cu gaz”, care a fost prima celulă de combustibil.

Dezvoltarea activă a tehnologiilor pentru utilizarea pilelor de combustie a început după cel de-al doilea război mondial și este asociată cu industria aerospațială. În acest moment, era în curs de căutare o sursă de energie eficientă și fiabilă, dar în același timp destul de compactă. În anii 1960, specialiștii NASA (National Aeronautics and Space Administration, NASA) au ales celulele de combustibil ca sursă de energie pentru navele spațiale ale programelor Apollo (zboruri cu echipaj către Lună), Apollo-Soyuz, Gemini și Skylab. Nava spațială Apollo a folosit trei centrale de 1,5 kW (2,2 kW de vârf) folosind hidrogen și oxigen criogenic pentru a produce electricitate, căldură și apă. Masa fiecărei instalații a fost de 113 kg. Aceste trei celule funcționau în paralel, dar energia generată de o unitate a fost suficientă pentru o întoarcere în siguranță.

Pe parcursul a 18 zboruri, pilele de combustie au funcționat un total de 10.000 de ore fără defecțiuni. În prezent, în naveta spațială sunt folosite celule de combustibil, care utilizează trei unități de 12 W pentru a genera toată energia electrică de la bordul navei spațiale (Fig. 2). Apa obținută în urma reacției electrochimice este folosită pentru apă potabilă și, de asemenea, pentru echipamente de răcire.

La noi s-au lucrat și la crearea pilelor de combustie pentru utilizare în astronautică. De exemplu, celulele de combustibil au fost folosite pentru a alimenta nava spațială reutilizabilă sovietică Buran.

În prezent, dezvoltarea tehnologiilor de utilizare a pilelor de combustie merge în mai multe direcții. Este vorba despre crearea de centrale electrice staționare pe pile de combustie (atât pentru alimentarea centralizată, cât și descentralizată de energie), de centrale electrice pentru vehicule (au fost create mostre de mașini și autobuze pe pile de combustie, inclusiv în țara noastră) (Fig. 3), și de asemenea surse de alimentare de diverse dispozitive mobile(computere portabile, telefoane mobile etc.) (Fig. 4).

Exemple de utilizare a pilelor de combustie în diferite domenii sunt date în tabel. 1.

Unul dintre primele modele comerciale de celule de combustie concepute pentru alimentarea autonomă cu energie termică și electrică a clădirilor a fost modelul PC25 A, produs de ONSI Corporation (acum United Technologies, Inc.).

Această pilă de combustie cu o putere nominală de 200 kW este un tip de celulă cu un electrolit pe bază de acid fosforic (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC). Numărul „25” din numele modelului înseamnă numărul de serie al designului.
Majoritatea modelelor anterioare erau unități experimentale sau de testare, cum ar fi modelul „PC11” de 12,5 kW introdus în anii 1970. Noile modele au crescut puterea extrasă dintr-o celulă de combustibil individuală și, de asemenea, au redus costul pe kilowatt de energie produsă. În prezent, unul dintre cele mai eficiente modele comerciale este celula de combustibil PC25 Model C. La fel ca modelul A, aceasta este o celulă de combustibil PAFC complet automată de 200 kW proiectată pentru instalarea la fața locului ca sursă autonomă de căldură și energie.

O astfel de pilă de combustibil poate fi instalată în afara unei clădiri. În exterior, este un paralelipiped de 5,5 m lungime, 3 m lățime și înălțime, cântărind 18.140 kg. Diferența față de modelele anterioare este un reformator îmbunătățit și o densitate de curent mai mare.	Tabelul 1 Domeniul de aplicare al pilelor de combustie	Regiune
aplicatii Nominal	putere Exemple de utilizare	Staţionar instalatii 5–250 kW și
superior Nominal	Surse autonome de alimentare cu energie termică și electrică pentru clădiri rezidențiale, publice și industriale, surse	alimentare neîntreruptibilă
, surse de alimentare de rezervă și de urgență Nominal	Portabil	Mașini (prototipurile au fost create, de exemplu, de DaimlerCrysler, FIAT, Ford, General Motors, Honda, Hyundai, Nissan, Toyota, Volkswagen, VAZ), autobuze (de exemplu, „MAN”, „Neoplan”, „Renault”) și alte vehicule , nave de război și submarine
Microdispozitive	1-500 W	Telefoane mobile, laptopuri, asistenți digitali personali (PDA), diverse dispozitive electronice de larg consum, dispozitive militare moderne

În unele tipuri de celule de combustie, procesul chimic poate fi inversat: prin aplicarea unei diferențe de potențial la electrozi, apa poate fi descompusă în hidrogen și oxigen, care se adună pe electrozii poroși. Când o sarcină este conectată, o astfel de pilă de combustibil regenerativă va începe să genereze energie electrică.

O direcție promițătoare pentru utilizarea pilelor de combustie este utilizarea lor împreună cu sursele de energie regenerabilă, de exemplu, panourile fotovoltaice sau centralele eoliene. Această tehnologie ne permite să evităm complet poluarea aerului. Un sistem similar este planificat să fie creat, de exemplu, la Centrul de pregătire Adam Joseph Lewis din Oberlin (vezi ABOK, 2002, nr. 5, p. 10). În prezent, panourile solare sunt folosite ca una dintre sursele de energie în această clădire. Împreună cu specialiștii NASA, a fost dezvoltat un proiect pentru utilizarea panourilor fotovoltaice pentru a produce hidrogen și oxigen din apă prin electroliză. Hidrogenul este apoi folosit în celulele de combustie pentru a produce energie electrică și apă fierbinte. Acest lucru va permite clădirii să mențină funcționalitatea tuturor sistemelor în timpul zilelor înnorate și pe timp de noapte.

Principiul de funcționare al pilelor de combustie

Să luăm în considerare principiul de funcționare al unei celule de combustibil folosind exemplul unui element simplu cu o membrană schimbătoare de protoni (Proton Exchange Membrane, PEM). O astfel de celulă constă dintr-o membrană polimerică plasată între un anod (electrod pozitiv) și un catod (electrod negativ) împreună cu catalizatori anod și catodic.

Membrana polimerică este folosită ca electrolit. Diagrama elementului PEM este prezentată în Fig. 5.

La anod are loc un proces de oxidare, iar la catod are loc un proces de reducere.

Anodul și catodul dintr-o celulă PEM sunt realizate dintr-un material poros, care este un amestec de particule de carbon și platină. Platina acționează ca un catalizator care promovează reacția de disociere. Anodul și catodul sunt făcute poroase pentru trecerea liberă a hidrogenului și, respectiv, oxigenului prin ele. Anodul și catodul sunt plasate între două plăci metalice

, care furnizează hidrogen și oxigen anodului și catodului și elimină căldura și apa, precum și energia electrică.

	Moleculele de hidrogen trec prin canalele din placă către anod, unde moleculele sunt descompuse în atomi individuali (Fig. 6). () Figura 5.
	Schema unei celule de combustibil cu o membrană schimbătoare de protoni (celulă PEM) () Figura 6.
	Moleculele de hidrogen trec prin canalele din placă către anod, unde moleculele se descompun în atomi individuali () Figura 7.
	Ca rezultat al chimisorbției în prezența unui catalizator, atomii de hidrogen sunt transformați în protoni () Figura 8.
	Ionii de hidrogen încărcați pozitiv difuzează prin membrană către catod, iar un flux de electroni este direcționat către catod printr-un circuit electric extern la care este conectată sarcina. () Figura 9. Oxigenul furnizat catodului, în prezența unui catalizator, intră într-o reacție chimică cu ionii de hidrogen din membrana schimbătoare de protoni și electronii din circuitul electric extern. Ca urmare reacție chimică

se formeaza apa

Apoi, ca urmare a chimisorbției în prezența unui catalizator, atomii de hidrogen, fiecare ce cedează un electron e –, sunt transformați în ioni de hidrogen H + încărcați pozitiv, adică protoni (Fig. 7).

Ionii de hidrogen încărcați pozitiv (protonii) difuzează prin membrană către catod, iar fluxul de electroni este direcționat către catod printr-un circuit electric extern la care este conectată sarcina (consumator de energie electrică) (Fig. 8).

Oxigenul furnizat catodului, în prezența unui catalizator, intră într-o reacție chimică cu ionii de hidrogen (protonii) din membrana schimbătoare de protoni și electronii din circuitul electric extern (Fig. 9). Ca rezultat al unei reacții chimice, se formează apă.

Reacția chimică din alte tipuri de pile de combustie (de exemplu, cu un electrolit acid, care folosește o soluție de acid ortofosforic H 3 PO 4) este absolut identică cu reacția chimică dintr-o pile de combustibil cu membrană schimbătoare de protoni.

Fluxul de electroni într-un circuit extern este un curent continuu care este utilizat pentru a lucra. Deschiderea circuitului extern sau oprirea mișcării ionilor de hidrogen oprește reacția chimică.

Cantitatea de energie electrică produsă de o pilă de combustie depinde de tipul celulei de combustie, dimensiunile geometrice, temperatură, presiunea gazului. O celulă de combustibil separată oferă un EMF mai mic de 1,16 V. Dimensiunea celulelor de combustibil poate fi mărită, dar în practică sunt utilizate mai multe elemente conectate la baterii (Fig. 10).

Design cu celule de combustibil

Să ne uităm la designul unei celule de combustibil folosind PC25 Model C ca exemplu.

Diagrama celulei de combustibil este prezentată în Fig. 11.

Celula de combustibil PC25 Model C constă din trei părți principale: procesorul de combustibil, secțiunea de generare a energiei efective și convertorul de tensiune. Partea principală a celulei de combustibil - secțiunea de generare a energiei - este o baterie formată din 256 de celule de combustibil individuale. Electrozii celulei de combustibil conțin un catalizator de platină. Prin aceste celule o constantă curent electric

1.400 de amperi la 155 de volți. Dimensiunile bateriei sunt de aproximativ 2,9 m lungime și 0,9 m lățime și înălțime.

Deoarece procesul electrochimic are loc la o temperatură de 177 °C, este necesară încălzirea bateriei în momentul pornirii și îndepărtarea căldurii din aceasta în timpul funcționării.

Pentru a realiza acest lucru, pila de combustibil include un circuit separat de apă, iar bateria este echipată cu plăci speciale de răcire.

Procesorul de combustibil transformă gazul natural în hidrogen necesar unei reacții electrochimice. Acest proces se numește reformare. Elementul principal al procesorului de combustibil este reformatorul. În reformator, gazul natural (sau alt combustibil care conține hidrogen) reacționează cu vaporii de apă la temperatură înaltă (900 °C) și presiune înaltă în prezența unui catalizator de nichel. În acest caz, apar următoarele reacții chimice:

CH4 (metan) + H2O3H2 + CO

(reacția este endotermă, cu absorbție de căldură);

CO + H20H2 + CO2

(reacția este exotermă, eliberând căldură).

Reacția globală este exprimată prin ecuația:

CH4 (metan) + 2H2O4H2 + CO2

Aburul necesar pentru reformare este generat din condensul generat în timpul funcționării celulei de combustie. Aceasta folosește căldura îndepărtată din bateria celulelor de combustie (Fig. 12).

Stiva de celule de combustibil produce un curent continuu intermitent, care este de joasă tensiune și de curent ridicat. Un convertor de tensiune este utilizat pentru a-l converti în curent alternativ standard industrial. În plus, unitatea de convertizor de tensiune include diverse dispozitive de control și circuite de interblocare de siguranță care permit oprirea celulei de combustibil în cazul diferitelor defecțiuni.

Într-o astfel de pilă de combustibil, aproximativ 40% din energia combustibilului poate fi convertită în energie electrică. Aproximativ aceeași cantitate, aproximativ 40% din energia combustibilului, poate fi convertită în energie termică, care este apoi folosită ca sursă de căldură pentru încălzire, alimentare cu apă caldă și în scopuri similare. Astfel, randamentul total al unei astfel de instalatii poate ajunge la 80%.

Un avantaj important al unei astfel de surse de alimentare cu energie termică și electrică este posibilitatea acesteia funcţionare automată. Pentru întreținere, proprietarii unității în care este instalată pila de combustibil nu trebuie să întrețină personal special instruit - întreținerea periodică poate fi efectuată de către angajații organizației de exploatare.

Tipuri de celule de combustibil

În prezent, sunt cunoscute mai multe tipuri de celule de combustie, care diferă prin compoziția electrolitului utilizat. Următoarele patru tipuri sunt cele mai răspândite (Tabelul 2):

1. Pile de combustie cu membrană schimbătoare de protoni (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC).

2. Pile de combustie pe bază de acid ortofosforic (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC).

3. Pile de combustie pe bază de carbonat topit (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).

4. Pile de combustie cu oxid solid (SOFC).

În prezent, cea mai mare flotă de pile de combustie se bazează pe tehnologia PAFC.

Pentru alimentarea autonomă cu energie electrică a clădirilor sunt necesare pile de combustie de putere mare instalată, iar în același timp există posibilitatea utilizării energiei termice, astfel încât în aceste scopuri pot fi utilizate și alte tipuri de celule de combustie.

Pile de combustibil cu membrană schimbătoare de protoni (PEMFC)

Aceste celule de combustibil funcționează la temperaturi de funcționare relativ scăzute (60-160 °C). Au o densitate mare de putere, vă permit să reglați rapid puterea de ieșire și pot fi pornite rapid. Dezavantajul acestui tip de element este cerințele ridicate pentru calitatea combustibilului, deoarece combustibilul contaminat poate deteriora membrana. Puterea nominală a acestui tip de celule de combustie este de 1-100 kW.

Pilele de combustibil cu membrană schimbătoare de protoni au fost dezvoltate inițial de General Electric în anii 1960 pentru NASA. Acest tip de celulă de combustibil utilizează un electrolit polimer în stare solidă numit Membrană de schimb de protoni (PEM). Protonii se pot deplasa prin membrana schimbătoare de protoni, dar electronii nu pot trece prin aceasta, rezultând o diferență de potențial între catod și anod. Datorită simplității și fiabilității lor, astfel de celule de combustibil au fost folosite ca sursă de energie pe nava spațială Gemini cu echipaj.

Acest tip de pile de combustibil este folosit ca sursă de energie pentru o gamă largă de dispozitive diferite, inclusiv prototipuri și prototipuri, de la telefoane mobile la autobuze și sisteme staţionare nutriţie. Temperatura scăzută de funcționare permite ca astfel de celule să fie utilizate pentru a alimenta diferite tipuri de dispozitive electronice complexe. Utilizarea lor este mai puțin eficientă ca sursă de alimentare cu energie termică și electrică a clădirilor publice și industriale, unde sunt necesare volume mari de energie termică. În același timp, astfel de elemente sunt promițătoare ca sursă autonomă de alimentare cu energie pentru clădiri rezidențiale mici, cum ar fi căsuțele construite în regiunile cu un climat cald.

Tabelul 2
Tipuri de celule de combustibil

Tipul articolului	Muncitori temperatură, °C	Ieșire de eficiență electric energie),%	Total Eficiență, %
Pile de combustie cu membrana schimbătoare de protoni (PEMFC)	60–160	30–35	50–70
Pile de combustie pe baza de fosfor acid (fosforic) (PAFC)	150–200	35	70–80
Pe bază de celule de combustie carbonat topit (MCFC)	600–700	45–50	70–80
Oxid solid celule de combustibil (SOFC)	700–1 000	50–60	70–80

Pile de combustie cu acid fosforic (PAFC)

Testele pilelor de combustie de acest tip au fost efectuate deja la începutul anilor 1970. Interval de temperatură de funcționare - 150-200 °C. Domeniul principal de aplicare este sursele autonome de alimentare cu energie termică și electrică de putere medie (aproximativ 200 kW).

Aceste celule de combustibil folosesc o soluție de acid fosforic ca electrolit. Electrozii sunt fabricați din hârtie acoperită cu carbon în care este dispersat un catalizator de platină.

Eficiența electrică a pilelor de combustibil PAFC este de 37-42%. Cu toate acestea, deoarece aceste celule de combustibil funcționează la o temperatură destul de ridicată, este posibil să se utilizeze aburul generat ca urmare a funcționării. În acest caz, eficiența totală poate ajunge la 80%.

Pentru a produce energie, materia primă care conține hidrogen trebuie convertită în hidrogen pur printr-un proces de reformare. De exemplu, dacă benzina este folosită drept combustibil, este necesar să se elimine compușii care conțin sulf, deoarece sulful poate deteriora catalizatorul de platină.

Pilele de combustie PAFC au fost primele pile de combustibil comerciale a căror utilizare a devenit fezabilă punct economic viziune. Cel mai comun model a fost celula de combustibil PC25 de 200 kW produsă de ONSI Corporation (acum United Technologies, Inc.) (Fig. 13). De exemplu, aceste elemente sunt folosite ca sursă de energie termică și electrică într-o secție de poliție din Parcul Central New York sau ca sursă suplimentară de energie pentru clădirea Conde Nast și Four Times Square.

Cea mai mare instalație de acest tip este testată ca centrală electrică de 11 MW situată în Japonia.

Pilele de combustibil cu acid fosforic sunt, de asemenea, folosite ca sursă de energie în vehicule. De exemplu, în 1994, H-Power Corp., Universitatea Georgetown și Departamentul de Energie din SUA au echipat un autobuz cu o centrală electrică de 50 kW.

Pile de combustibil cu carbonat topit (MCFC)

Pilele de combustie pe bază de carbonat topit necesită un timp semnificativ de pornire și nu permit ajustarea rapidă a puterii de ieșire, astfel încât principalul lor domeniu de aplicare este sursele staționare mari de energie termică și electrică. Cu toate acestea, ele se caracterizează printr-o eficiență ridicată de conversie a combustibilului - 60% eficiență electrică și până la 85% eficiență globală.

În acest tip de pile de combustie, electrolitul constă din carbonat de potasiu și săruri de carbonat de litiu încălzite la aproximativ 650 °C. În aceste condiții, sărurile sunt în stare topită, formând un electrolit. La anod, hidrogenul reacționează cu ionii de CO 3, formând apă, dioxid de carbon și eliberând electroni, care sunt trimiși către circuitul extern, iar la catod, oxigenul interacționează cu dioxidul de carbon și electronii din circuitul extern, formând din nou ioni de CO 3 .

Probele de laborator de celule de combustie de acest tip au fost create la sfârșitul anilor 1950 de oamenii de știință olandezi G. H. J. Broers și J. A. A. Ketelaar. În anii 1960, inginerul Francis T. Bacon, un descendent al celebrului scriitor și om de știință englez din secolul al XVII-lea, a lucrat cu aceste celule, motiv pentru care celulele de combustibil MCFC sunt uneori numite celule Bacon. În programele NASA Apollo, Apollo-Soyuz și Scylab, aceste celule de combustibil au fost folosite ca sursă de alimentare cu energie (Fig. 14). În aceiași ani, departamentul militar american a testat mai multe mostre de celule de combustibil MCFC produse de Texas Instruments, care foloseau benzină de calitate militară ca combustibil. La mijlocul anilor 1970, Departamentul de Energie al SUA a început cercetările pentru crearea unei pile de combustibil staționare pe bază de carbonat topit, potrivită pentru aplicare practică. În anii 1990, au fost introduse o serie de instalații comerciale cu putere nominală de până la 250 kW, de exemplu la US Naval Air Station Miramar din California. În 1996, FuelCell Energy, Inc.

a lansat o centrală de pre-producție de 2 MW în Santa Clara, California.

Pilele de combustie cu oxid de stare solidă au un design simplu și funcționează la temperaturi foarte ridicate - 700-1.000 °C. Astfel de temperaturi ridicate permit utilizarea combustibilului relativ „murdar”, nerafinat.

Aceleași caracteristici ca și ale pilelor de combustie pe bază de carbonat topit determină un domeniu de aplicare similar - surse staționare mari de energie termică și electrică.

Pilele de combustibil cu oxid solid sunt diferite din punct de vedere structural de celulele de combustibil bazate pe tehnologiile PAFC și MCFC. Anodul, catodul și electrolitul sunt fabricate din ceramică de clase speciale. Electrolitul cel mai des folosit este un amestec de oxid de zirconiu și oxid de calciu, dar pot fi utilizați și alți oxizi.

Electrolitul formează o rețea cristalină acoperită pe ambele părți cu material poros de electrod. Din punct de vedere structural, astfel de elemente sunt realizate sub formă de tuburi sau plăci plate, ceea ce face posibilă utilizarea tehnologiilor utilizate pe scară largă în industria electronică în producția lor. Ca rezultat, celulele de combustie cu oxid de stare solidă pot funcționa la temperaturi foarte ridicate, făcându-le avantajoase pentru producerea atât de energie electrică, cât și de energie termică.

Primele prototipuri ale unor astfel de celule de combustibil au fost create la sfârșitul anilor 1950 de o serie de companii americane și olandeze. Majoritatea acestor companii au abandonat curând cercetările ulterioare din cauza dificultăților tehnologice, dar una dintre ele, Westinghouse Electric Corp. (acum Siemens Westinghouse Power Corporation), a continuat munca. Compania acceptă în prezent precomenzi pentru un model comercial al unei celule de combustibil tubulare cu oxid de stare solidă, care se așteaptă să fie disponibilă în acest an (Figura 15). Segmentul de piață al acestor elemente îl reprezintă instalațiile staționare pentru producerea de energie termică și electrică cu o capacitate de 250 kW până la 5 MW.

Pilele de combustibil SOFC au demonstrat o fiabilitate foarte ridicată.

De exemplu, un prototip de celulă de combustie produs de Siemens Westinghouse a atins 16.600 de ore de funcționare și continuă să funcționeze, ceea ce o face cea mai lungă durată de viață continuă a celulei de combustibil din lume.

Modul de funcționare la temperatură înaltă și la presiune înaltă al celulelor de combustibil SOFC permite crearea de centrale hibride în care emisiile de celule de combustibil antrenează turbinele cu gaz utilizate pentru a genera energie electrică. Prima astfel de instalație hibridă funcționează în Irvine, California. Puterea nominală a acestei instalații este de 220 kW, din care 200 kW de la pila de combustie și 20 kW de la generatorul cu microturbină.

O pilă de combustie este un dispozitiv care produce eficient căldură și curent continuu printr-o reacție electrochimică și utilizează un combustibil bogat în hidrogen. Principiul său de funcționare este similar cu cel al unei baterii. Din punct de vedere structural, pila de combustibil este reprezentată de un electrolit. Ce este atât de special la asta? Spre deosebire de baterii, pilele de combustibil cu hidrogen nu stochează energie electrică, nu necesită electricitate pentru a se reîncărca și nu se descarcă. Celulele continuă să producă electricitate atâta timp cât au o sursă de aer și combustibil.

Particularități Diferența dintre celulele de combustie și alte generatoare de electricitate este că nu ard combustibil în timpul funcționării. Datorită acestei caracteristici, nu necesită rotoare presiune mare

, nu emit zgomot puternic sau vibrații. Electricitatea din celulele de combustibil este generată printr-o reacție electrochimică silentioasă. Energia chimică a combustibilului din astfel de dispozitive este transformată direct în apă, căldură și electricitate. cantitate mare gaze cu efect de sera. Produsul de emisie în timpul funcționării celulei este o cantitate mică de apă sub formă de abur și dioxid de carbon, care nu este eliberată dacă este folosit hidrogen pur drept combustibil.

Istoria apariției

În anii 1950 și 1960, nevoia emergentă a NASA de surse de energie pentru misiunile spațiale pe termen lung a provocat una dintre cele mai critice provocări pentru celulele de combustibil care existau la acea vreme. Celulele alcaline folosesc oxigenul și hidrogenul drept combustibil, care sunt transformate printr-o reacție electrochimică în produse secundare utile în timpul zborului în spațiu - electricitate, apă și căldură.

Pilele de combustibil au fost descoperite pentru prima dată la începutul secolului al XIX-lea - în 1838. În același timp, au apărut primele informații despre eficacitatea lor.

Lucrările la celulele de combustie folosind electroliți alcalini au început la sfârșitul anilor 1930. Celulele cu electrozi placați cu nichel la presiune ridicată nu au fost inventate până în 1939. În timpul celui de-al Doilea Război Mondial, pentru submarinele britanice au fost dezvoltate pile de combustie constând din celule alcaline cu un diametru de aproximativ 25 de centimetri.

Interesul pentru ele a crescut în anii 1950-80, caracterizați printr-o penurie de combustibil petrolier. Țările din întreaga lume au început să abordeze poluarea aerului și mediu, străduindu-se să dezvolte tehnologia de producție a celulelor de combustibil ecologice este în prezent în curs de dezvoltare activă.

Principiul de funcționare

Căldura și electricitatea sunt generate de celulele de combustie ca rezultat al unei reacții electrochimice care implică un catod, un anod și un electrolit.

Catodul și anodul sunt separate de un electrolit conducător de protoni. După ce oxigenul intră în catod și hidrogenul intră în anod, începe o reacție chimică, rezultând căldură, curent și apă.

Se disociază pe catalizatorul anod, ceea ce duce la pierderea de electroni. Ionii de hidrogen intră în catod prin electrolit și, în același timp, electronii trec prin exteriorul reteaua electricași creați curent continuu, care este utilizat pentru alimentarea echipamentelor. O moleculă de oxigen de pe catalizatorul catod se combină cu un electron și un proton care intră, formând în cele din urmă apă, care este singurul produs al reacției.

Tipuri

Alegerea unui anumit tip de pile de combustie depinde de aplicarea acestuia. Toate pilele de combustibil sunt împărțite în două categorii principale - temperatură ridicată și temperatură scăzută. Acestea din urmă folosesc hidrogen pur drept combustibil. Astfel de dispozitive necesită de obicei procesarea combustibilului primar în hidrogen pur. Procesul se realizează folosind echipamente speciale.

Pilele de combustie la temperaturi ridicate nu au nevoie de acest lucru deoarece convertesc combustibilul la temperaturi ridicate, ceea ce elimină necesitatea creării unei infrastructuri cu hidrogen.

Principiul de funcționare al pilelor de combustie cu hidrogen se bazează pe conversia energiei chimice în energie electrică fără procese de ardere ineficiente și pe transformarea energiei termice în energie mecanică.

Concepte generale

Pilele de combustibil cu hidrogen sunt dispozitive electrochimice care produc energie electrică prin arderea „la rece” extrem de eficientă a combustibilului. Există mai multe tipuri de astfel de dispozitive. Cea mai promițătoare tehnologie este considerată a fi pilele de combustie hidrogen-aer echipate cu o membrană de schimb de protoni PEMFC.

Membrana polimerică conducătoare de protoni este proiectată pentru a separa doi electrozi - catodul și anodul. Fiecare dintre ele este reprezentată de o matrice de carbon pe care este depus un catalizator. se disociază pe catalizatorul anod, donând electroni. Cationii sunt conduși către catod prin membrană, dar electronii sunt transferați către circuitul extern deoarece membrana nu este proiectată să transfere electroni.

O moleculă de oxigen de pe catalizatorul catod se combină cu un electron din circuitul electric și un proton care vine, formând în cele din urmă apă, care este singurul produs al reacției.

Pilele de combustie cu hidrogen sunt folosite pentru fabricarea unităților de electrozi cu membrană, care acționează ca principalele elemente generatoare ale sistemului energetic.

Avantajele pilelor de combustie cu hidrogen

Printre acestea se numără:

A crescut căldură specifică.
Gamă largă de temperatură de funcționare.
Fără vibrații, zgomot sau pete de căldură.
Fiabilitatea pornirii la rece.
Fără auto-descărcare, ceea ce asigură stocarea energiei pe termen lung.
Autonomie nelimitată datorită capacității de a regla intensitatea energiei prin schimbarea numărului de cartușe de combustibil.
Oferă practic orice intensitate energetică prin modificarea capacității de stocare a hidrogenului.
Durată lungă de viață.
Funcționare silențioasă și ecologică.
Nivel ridicat de intensitate energetică.
Toleranță la impuritățile străine din hidrogen.

Domeniul de aplicare

Datorită randament ridicat Pilele de combustibil cu hidrogen sunt utilizate în diferite domenii:

Încărcătoare portabile.
Sisteme de alimentare pentru UAV.
Surse de alimentare neîntreruptibile.
Alte dispozitive și echipamente.

Perspective pentru energia hidrogenului

Utilizarea pe scară largă a celulelor de combustie cu peroxid de hidrogen va fi posibilă numai după crearea mod eficient obţinerea hidrogenului. Sunt necesare idei noi pentru a aduce tehnologia în utilizare activă, cu mari speranțe puse pe conceptul de celule de biocombustibil și nanotehnologie. Unele companii au lansat relativ recent catalizatori eficienți bazați pe diferite metale, în același timp, au apărut informații despre crearea pilelor de combustie fără membrane, ceea ce a redus semnificativ costul de producție și a simplificat designul. dispozitive similare. Avantajele și caracteristicile pilelor de combustie cu hidrogen nu depășesc principalul lor dezavantaj - costul ridicat, mai ales în comparație cu dispozitivele cu hidrocarburi. Crearea unei centrale cu hidrogen necesită minim 500 de mii de dolari.

Cum se asamblează o pilă de combustibil cu hidrogen?

Puteți crea singur o celulă de combustibil de putere redusă într-un laborator obișnuit de acasă sau de la școală. Materialele folosite sunt o mască de gaz veche, bucăți de plexiglas, o soluție apoasă de alcool etilic și alcali.

Corpul unei celule de combustibil cu hidrogen este creat cu propriile mâini din plexiglas cu o grosime de cel puțin cinci milimetri. Pereții despărțitori dintre compartimente pot fi mai subțiri - aproximativ 3 milimetri. Plexiglasul este lipit împreună adeziv special, realizat din cloroform sau dicloroetan și așchii de plexiglas. Toate lucrările se efectuează numai cu capota în funcțiune.

ÎN perete exteriorÎn carcasă, este găurit un orificiu cu un diametru de 5-6 centimetri în care se introduc un dop de cauciuc și un tub de scurgere din sticlă. Cărbunele activ din masca de gaz este turnat în al doilea și al patrulea compartiment al carcasei celulei de combustibil - va fi folosit ca electrod.

Combustibilul va circula în prima cameră, în timp ce a cincea este umplută cu aer, din care va fi furnizat oxigen. Electrolitul, turnat între electrozi, este impregnat cu o soluție de parafină și benzină pentru a preveni intrarea în camera de aer. Pe stratul de cărbune se așează plăci de cupru cu fire lipite pe ele, prin care curentul va fi drenat.

Pila de combustibil cu hidrogen asamblată este încărcată cu vodcă diluată cu apă într-un raport de 1:1. Potasiul caustic este adăugat cu grijă la amestecul rezultat: 70 de grame de potasiu se dizolvă în 200 de grame de apă.

Înainte de testarea unei celule de combustibil cu hidrogen, combustibilul este turnat în prima cameră și electrolitul în a treia. Citirea unui voltmetru conectat la electrozi ar trebui să varieze de la 0,7 la 0,9 volți. Pentru a asigura funcționarea continuă a elementului, combustibilul uzat trebuie îndepărtat, iar combustibilul nou trebuie turnat printr-un tub de cauciuc. Prin strângerea tubului, debitul de alimentare cu combustibil este reglat. Astfel de celule de combustibil cu hidrogen, asamblate acasă, au putere mică.

Celulă de combustie este un dispozitiv electrochimic similar unei celule galvanice, dar diferă de acesta prin faptul că substanțele pentru reacția electrochimică îi sunt furnizate din exterior - în contrast cu cantitatea limitată de energie stocată în celulă galvanică sau baterie.

Orez. 1. Unele celule de combustibil

Pilele de combustie transformă energia chimică a combustibilului în electricitate, ocolind procesele de ardere ineficiente care au loc cu pierderi mari. Ele transformă hidrogenul și oxigenul în energie electrică printr-o reacție chimică. Ca rezultat al acestui proces, se formează apă și se eliberează o cantitate mare de căldură. O celulă de combustie este mult ca o baterie care poate fi încărcată și apoi poate folosi energia electrică stocată. Inventatorul celulei de combustibil este considerat a fi William R. Grove, care a inventat-o încă din 1839. Această pilă de combustibil a folosit o soluție de acid sulfuric ca electrolit și hidrogen ca combustibil, care a fost combinat cu oxigen într-un agent oxidant. Până de curând, celulele de combustie erau folosite doar în laboratoare și pe nave spațiale.

Orez. 2.

Spre deosebire de alte generatoare de energie, cum ar fi motoarele cu ardere internă sau turbinele alimentate cu gaz, cărbune, păcură etc., pilele de combustibil nu ard combustibil. Aceasta înseamnă că nu există rotoare zgomotoase de înaltă presiune, fără zgomot puternic de evacuare, fără vibrații. Pilele de combustie produc energie electrică printr-o reacție electrochimică silentioasă. O altă caracteristică a celulelor de combustie este că transformă energia chimică a combustibilului direct în electricitate, căldură și apă.

Pilele de combustie sunt foarte eficiente și nu produc cantități mari de gaze cu efect de seră, cum ar fi dioxidul de carbon, metanul și protoxidul de azot. Singurele emisii de la celulele de combustie sunt apa sub formă de abur și o cantitate mică de dioxid de carbon, care nu se eliberează deloc dacă se folosește hidrogen pur drept combustibil. Pilele de combustibil sunt asamblate în ansambluri și apoi în module funcționale individuale.

Pilele de combustie nu au părți mobile (cel puțin nu în interiorul celulei în sine) și, prin urmare, nu respectă legea lui Carnot. Adică vor avea o eficiență mai mare de 50% și sunt deosebit de eficiente la sarcini mici. Astfel, vehiculele cu celule de combustie pot deveni (și s-au dovedit deja a fi) mai eficiente din punct de vedere al consumului de combustibil decât vehiculele convenționale în condiții de condus din lumea reală.

Celula de combustie asigură generarea de curent electric cu tensiune continuă, care poate fi folosit pentru a conduce un motor electric, dispozitive ale sistemului de iluminat și alte sisteme electriceîn mașină.

Există mai multe tipuri de celule de combustibil, care diferă în procesele chimice utilizate. Pilele de combustie sunt de obicei clasificate în funcție de tipul de electrolit pe care îl folosesc.

Unele tipuri de celule de combustibil sunt promițătoare pentru propulsia centralelor electrice, în timp ce altele sunt promițătoare pentru dispozitive portabile sau pentru a conduce mașini.

1. Pile de combustibil alcaline (ALFC)

Pilă de combustibil alcalină- Acesta este unul dintre primele elemente dezvoltate. Pilele de combustibil alcaline (AFC) sunt una dintre cele mai studiate tehnologii, utilizate încă de la mijlocul anilor 60 ai secolului XX de NASA în programele Apollo și Space Shuttle. La bordul acestor nave spațiale, celulele de combustibil produc energie electrică și apă potabilă.

Orez. 3.

Pilele de combustie alcaline sunt una dintre cele mai eficiente celule folosite pentru a genera energie electrică, eficiența de generare a energiei ajungând până la 70%.

Pilele de combustibil alcaline folosesc un electrolit, o soluție apoasă de hidroxid de potasiu, conținută într-o matrice poroasă, stabilizată. Concentrația de hidroxid de potasiu poate varia în funcție de temperatura de funcționare a celulei de combustie, care variază de la 65°C la 220°C. Purtătorul de sarcină în SHTE este ionul hidroxil (OH-), care se deplasează de la catod la anod, unde reacţionează cu hidrogenul, producând apă şi electroni. Apa produsă la anod se deplasează înapoi la catod, generând din nou ioni de hidroxil acolo. Ca rezultat al acestei serii de reacții care au loc în celula de combustie, se produce electricitate și, ca produs secundar, căldură:

Reacția la anod: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e

Reacția la catod: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH

Reacția generală a sistemului: 2H2 + O2 => 2H2O

Avantajul SHTE este că aceste celule de combustie sunt cele mai ieftine de produs, deoarece catalizatorul necesar electrozilor poate fi oricare dintre substanțele care sunt mai ieftine decât cele utilizate ca catalizatori pentru alte celule de combustibil. În plus, SHTE-urile funcționează la temperaturi relativ scăzute și sunt printre cele mai eficiente.

Unul dintre trăsături caracteristice SHTE – sensibilitate ridicată la CO2, care poate fi conținut în combustibil sau aer. CO2 reacționează cu electrolitul, îl otrăvește rapid și reduce foarte mult eficiența celulei de combustie. Prin urmare, utilizarea SHTE este limitată la spații închise, cum ar fi vehiculele spațiale și subacvatice, acestea funcționează cu hidrogen și oxigen pur.

2. Pile de combustibil cu carbonat topit (MCFC)

Pile de combustie cu electrolit de carbonat topit sunt pile de combustie la temperaturi ridicate. Temperatura ridicată de funcționare permite utilizarea directă a gazului natural fără procesor de combustibil și a gazului combustibil cu putere calorică scăzută din procese industriale și din alte surse. Acest proces a fost dezvoltat la mijlocul anilor 60 ai secolului XX. De atunci, tehnologia de producție, performanța și fiabilitatea au fost îmbunătățite.

Orez. 4.

Funcționarea RCFC diferă de celelalte celule de combustibil. Aceste celule folosesc un electrolit format dintr-un amestec de săruri carbonatice topite. În prezent, se folosesc două tipuri de amestecuri: carbonat de litiu și carbonat de potasiu sau carbonat de litiu și carbonat de sodiu. Pentru a topi sărurile carbonatice și pentru a obține un grad ridicat de mobilitate ionică în electrolit, pilele de combustie cu electrolit de carbonat topit funcționează la temperaturi ridicate (650°C). Eficiența variază între 60-80%.

Când sunt încălzite la o temperatură de 650°C, sărurile devin conductor pentru ionii de carbonat (CO32-). Acești ioni trec de la catod la anod, unde se combină cu hidrogenul pentru a forma apă, dioxid de carbon și electroni liberi. Acești electroni sunt trimiși printr-un circuit electric extern înapoi la catod, generând curent electric și căldură ca produs secundar.

Reacția la anod: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e

Reacția la catod: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-

Reacția generală a elementului: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(catod) => H2O(g) + CO2(anod)

Temperaturile ridicate de funcționare ale celulelor de combustie cu electroliți cu carbonat topit au anumite avantaje. Avantajul este capacitatea de a utiliza materiale standard (foi de oțel inoxidabil și catalizator de nichel pe electrozi). Căldura reziduală poate fi folosită pentru a produce abur de înaltă presiune. Temperaturile ridicate de reacție în electrolit au și avantajele lor. Utilizarea temperaturilor ridicate necesită un timp îndelungat pentru a atinge condiții optime de funcționare, iar sistemul răspunde mai lent la modificările consumului de energie. Aceste caracteristici permit utilizarea instalațiilor de celule de combustie cu electrolit de carbonat topit în condiții de putere constantă. Temperaturile ridicate previn deteriorarea celulei de combustie prin monoxid de carbon, „otrăvire” etc.

Pilele de combustie cu electrolit de carbonat topit sunt potrivite pentru utilizare în instalații staționare mari. Centralele termice cu o putere electrică de ieșire de 2,8 MW sunt produse comercial. Sunt în curs de dezvoltare instalații cu putere de ieșire de până la 100 MW.

3. Pile de combustibil cu acid fosforic (PAFC)

Pile de combustie pe bază de acid fosforic (ortofosforic). au devenit primele celule de combustie pentru uz comercial. Acest proces a fost dezvoltat la mijlocul anilor 60 ai secolului XX, testele au fost efectuate încă din anii 70 ai secolului XX. Rezultatul a fost stabilitate și performanță crescute și costuri reduse.

Orez. 5.

Pilele de combustibil cu acid fosforic (ortofosforic) folosesc un electrolit pe bază de acid ortofosforic (H3PO4) la concentrații de până la 100%. Conductivitatea ionică a acidului ortofosforic este scăzută la temperaturi scăzute Prin urmare, aceste celule de combustibil sunt utilizate la temperaturi de până la 150-220 °C.

Purtătorul de sarcină în celulele de combustie de acest tip este hidrogenul (H+, proton). Un proces similar are loc în celulele de combustibil cu membrană schimbătoare de protoni (PEMFC), în care hidrogenul furnizat anodului este împărțit în protoni și electroni. Protonii călătoresc prin electrolit și se combină cu oxigenul din aer la catod pentru a forma apă. Electronii sunt trimiși printr-un circuit electric extern, generând astfel un curent electric. Mai jos sunt reacțiile care generează curent electric și căldură.

Reacția la anod: 2H2 => 4H+ + 4e

Reacția la catod: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O

Reacția generală a elementului: 2H2 + O2 => 2H2O

Eficiența pilelor de combustie pe bază de acid fosforic (ortofosforic) este de peste 40% atunci când se generează energie electrică. Cu producția combinată de căldură și electricitate, eficiența totală este de aproximativ 85%. În plus, având în vedere temperaturile de funcționare, căldura reziduală poate fi folosită pentru a încălzi apa și a genera abur la presiunea atmosferică.

Performanța ridicată a centralelor termice care utilizează pile de combustie pe bază de acid fosforic (ortofosforic) în producția combinată de energie termică și electrică este unul dintre avantajele acestui tip de pile de combustie. Unitățile folosesc monoxid de carbon cu o concentrație de aproximativ 1,5%, ceea ce extinde semnificativ alegerea combustibilului. Design simplu, gradul scăzut de volatilitate a electrolitului și stabilitatea crescută sunt, de asemenea, avantaje ale unor astfel de celule de combustie.

Centralele termice cu putere electrică de ieșire de până la 400 kW sunt produse comercial. Instalațiile cu o capacitate de 11 MW au trecut testele corespunzătoare. Sunt în curs de dezvoltare instalații cu putere de ieșire de până la 100 MW.

4. Pile de combustibil cu membrană cu schimb de protoni (PEMFC)

Pile de combustibil cu membrană schimbătoare de protoni sunt considerate cele mai multe cel mai bun tip celule de combustibil pentru a genera energie pentru vehicule, care pot înlocui motoarele cu combustie internă pe benzină și diesel. Aceste celule de combustibil au fost folosite pentru prima dată de NASA pentru programul Gemini. Au fost dezvoltate și demonstrate instalații bazate pe MOPFC cu putere de la 1 W la 2 kW.

Orez. 6.

Electrolitul din aceste celule de combustibil este o membrană polimerică solidă (o peliculă subțire de plastic). Când este saturat cu apă, acest polimer permite trecerea protonilor, dar nu conduce electronii.

Combustibilul este hidrogen, iar purtătorul de sarcină este un ion de hidrogen (proton). La anod, molecula de hidrogen este împărțită într-un ion de hidrogen (proton) și electroni. Ionii de hidrogen trec prin electrolit către catod, iar electronii se mișcă în jurul cercului exterior și produc energie electrică. Oxigenul, care este preluat din aer, este furnizat catodului și se combină cu electroni și ioni de hidrogen pentru a forma apă. La electrozi au loc următoarele reacții: Reacția la anod: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4eReacția la catod: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH Reacția globală a celulei: 2H2 + O2 => 2H2O Comparativ cu alte tipuri de celulele de combustie, celulele de combustibil cu o membrană de schimb de protoni produc mai multă energie pentru un anumit volum sau greutate al celulei de combustibil. Această caracteristică le permite să fie compacte și ușoare. În plus, temperatura de funcționare este mai mică de 100°C, ceea ce vă permite să începeți rapid funcționarea. Aceste caracteristici, precum și capacitatea de a modifica rapid producția de energie, sunt doar câteva care fac din aceste celule de combustibil un candidat principal pentru utilizare în vehicule.

Un alt avantaj este că electrolitul este solid și nu substanță lichidă. Este mai ușor să reținem gazele la catod și anod folosind un electrolit solid, astfel încât astfel de celule de combustibil sunt mai ieftine de produs. Cu un electrolit solid, nu există probleme de orientare și mai puține probleme de coroziune, crescând longevitatea celulei și a componentelor sale.

Orez. 7.

5. Pile de combustibil cu oxid solid (SOFC)

Pile de combustibil cu oxid solid sunt celulele de combustibil cu cea mai mare temperatură de funcționare. Temperatura de functionare poate varia de la 600°C la 1000°C, permițând utilizarea diferitelor tipuri de combustibil fără special pretratament. Pentru a face față unor astfel de temperaturi ridicate, electrolitul folosit este un oxid de metal solid subțire pe o bază ceramică, adesea un aliaj de ytriu și zirconiu, care este un conductor al ionilor de oxigen (O2-). Tehnologia utilizării pilelor de combustie cu oxid solid s-a dezvoltat de la sfârșitul anilor 50 ai secolului XX și are două configurații: plană și tubulară.

Electrolitul solid asigură o tranziție etanșă a gazului de la un electrod la altul, în timp ce electroliții lichizi sunt localizați într-un substrat poros. Purtătorul de sarcină în celulele de combustie de acest tip este ionul de oxigen (O2-). La catod, moleculele de oxigen din aer sunt separate într-un ion de oxigen și patru electroni. Ionii de oxigen trec prin electrolit și se combină cu hidrogenul, creând patru electroni liberi. Electronii sunt trimiși printr-un circuit electric extern, generând curent electric și căldură reziduală.

Orez. 8.

Reacția la anod: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e

Reacția la catod: O2 + 4e- => 2O2-

Reacția generală a elementului: 2H2 + O2 => 2H2O

Eficiența producției de energie electrică este cea mai mare dintre toate pilele de combustibil - aproximativ 60%. În plus, temperaturile ridicate de funcționare permit producția combinată de energie termică și electrică pentru a genera abur de înaltă presiune. Combinarea unei celule de combustibil de înaltă temperatură cu o turbină face posibilă crearea unei celule de combustibil hibride pentru a crește eficiența generării de energie electrică cu până la 70%.

Pilele de combustibil cu oxid solid funcționează la temperaturi foarte ridicate (600°C-1000°C), rezultând un timp semnificativ necesar pentru atingerea condițiilor optime de funcționare și un răspuns mai lent al sistemului la modificările consumului de energie. La temperaturi de funcționare atât de ridicate, nu este necesar niciun convertor pentru a recupera hidrogenul din combustibil, permițând centralei termice să funcționeze cu combustibili relativ impuri rezultati din gazeificarea cărbunelui sau a gazelor reziduale etc. Această celulă de combustibil este, de asemenea, excelentă pentru utilizare putere mare, inclusiv centrale industriale și mari centrale electrice. Modulele cu o putere electrică de ieșire de 100 kW sunt produse comercial.

6. Pile de combustibil cu oxidare directă a metanolului (DOMFC)

Pile de combustie cu oxidare directă a metanolului Ele sunt folosite cu succes în domeniul alimentării telefoanelor mobile, laptop-urilor, precum și pentru a crea surse de alimentare portabile, ceea ce vizează utilizarea viitoare a unor astfel de elemente.

Proiectarea pilelor de combustie cu oxidare directă a metanolului este similară cu proiectarea pilelor de combustibil cu membrană schimbătoare de protoni (MEPFC), adică Un polimer este folosit ca electrolit, iar un ion de hidrogen (proton) este folosit ca purtător de sarcină. Dar metanolul lichid (CH3OH) se oxidează în prezența apei la anod, eliberând CO2, ioni de hidrogen și electroni, care sunt trimiși printr-un circuit electric extern, generând astfel un curent electric. Ionii de hidrogen trec prin electrolit și reacționează cu oxigenul din aer și electronii din circuitul extern pentru a forma apă la anod.

Reacția la anod: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6eReacția la catod: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O Reacția generală a elementului: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O Dezvoltarea unui astfel de celulele de combustie au fost realizate de la începutul anilor 90 ai secolului XX și puterea și eficiența lor specifică au fost crescute la 40%.

Aceste elemente au fost testate în intervalul de temperatură de 50-120°C. Din cauza temperaturilor scăzute de funcționare și a absenței necesității unui convertor, astfel de celule de combustibil sunt un candidat principal pentru utilizarea în telefoanele mobile și alte produse de larg consum, precum și în motoarele auto. Avantajul lor este și dimensiunea lor mică.

7. Pile de combustibil cu electroliți polimerici (PEFC)

În cazul pilelor de combustie cu electroliți polimeri, membrana polimerică constă din fibre polimerice cu regiuni de apă în care ionii de apă de conducție H2O+ (proton, roșu) se atașează la o moleculă de apă. Moleculele de apă reprezintă o problemă din cauza schimbului lent de ioni. Prin urmare, este necesară o concentrație mare de apă atât în combustibil, cât și la electrozii de ieșire, ceea ce limitează temperatura de funcționare la 100°C.

8. Pile de combustibil acid solid (SFC)

În pilele cu combustibil acid solid, electrolitul (CsHSO4) nu conține apă. Temperatura de lucru este deci 100-300°C. Rotația oxianionilor SO42 permite protonilor (roșu) să se miște așa cum se arată în figură. De obicei, o pilă de combustie acidă solidă este un sandwich în care un strat foarte subțire de compus acid solid este intercalat între doi electrozi care sunt strâns presați împreună pentru a asigura un contact bun. Când este încălzită, componenta organică se evaporă, ieșind prin porii din electrozi, menținând capacitatea de contacte multiple între combustibil (sau oxigen la celălalt capăt al elementului), electrolit și electrozi.

Orez. 9.

9. Compararea celor mai importante caracteristici ale pilelor de combustie

Caracteristicile pilelor de combustie

Tipul de pile de combustibil	Temperatura de functionare	Eficienta generarii de energie	Tip de combustibil	Domeniul de aplicare
				Instalatii medii si mari
			Hidrogen pur	instalatii
			Hidrogen pur	Instalații mici
			Majoritatea combustibililor cu hidrocarburi	Instalatii mici, medii si mari
				Portabil instalatii
			Hidrogen pur	Spaţiu cercetat
			Hidrogen pur	Instalații mici

Orez. 10.

10. Utilizarea pilelor de combustie în mașini

Orez. 11.

Orez. 12.

Antreprenorul Danila Shaposhnikov spune că s-a angajat să scoată pe piață produsul din laborator. Startup-ul AT Energy produce pile de combustie cu hidrogen care vor permite dronelor să zboare de multe ori mai mult decât pot acum.

Antreprenorul Danila Shaposhnikov îi ajută pe oamenii de știință Yuri Dobrovolsky și Serghei Nefedkin să își comercializeze invenția - pile de combustibil compacte cu hidrogen care pot funcționa câteva ore fără teama de îngheț și umiditate. Compania creată de ei, AT Energy, a strâns deja aproximativ 100 de milioane de ruble. investiții și se pregătește să cucerească piața globală a aerului fără pilot aeronave volum de 7 miliarde de dolari, care până acum utilizează în principal baterii litiu-ion.

De la laborator la piață

Afacerea a fost începută de cunoștința lui Shaposhnikov cu doi doctori în științe în domeniul energiei și electrochimiei - Dobrovolsky de la Institutul de Probleme de Fizică Chimică al Academiei Ruse de Științe din Cernogolovka și Nefedkin, care conduce Centrul pentru Energie a Hidrogenului din Moscova. Institutul de Energie. Profesorii au avut o idee cum să facă pile de combustibil la temperatură joasă, dar nu au înțeles cum să-și aducă invenția pe piață. „Am acționat ca un antreprenor-investitor care și-a asumat riscul de a aduce un produs pe piață din laborator”, își amintește Shaposhnikov într-un interviu pentru RBC.

În august 2012, Shaposhnikov, Dobrovolsky și Nefedkin au înregistrat compania AT Energy (AT Energy LLC) și au început să pregătească prototipuri. Compania a depus o cerere și a devenit rezident în Skolkovo. Pe tot parcursul anului 2013, la baza închiriată a institutului din Cernogolovka, fondatorii AT Energy au lucrat pentru a crește radical durata de viață a bateriilor pe bază de celule de combustibil. „Chernogolovka este un oraș științific, este destul de ușor să găsești și să atragi acolo oameni de știință de laborator, ingineri și electrochimiști”, spune Shaposhnikov. Apoi AT Energy s-a mutat în parcul tehnologic Cernogolovsky. Acolo a apărut primul produs - o pilă de combustie pentru drone.

„Inima” celulei de combustie dezvoltată de AT Energy este o unitate membrană-electrod în care are loc o reacție electrochimică: aerul cu oxigen este furnizat pe de o parte, hidrogenul gazos comprimat este furnizat pe cealaltă și energia este generată ca rezultat a reacţiei chimice de oxidare a hidrogenului.

Pentru un produs real, AT Energy a reușit să primească două granturi Skolkovo (în valoare de aproape 47 de milioane de ruble) și să atragă, de asemenea, aproximativ 1 milion de dolari în investiții. Proiectul a fost crezut de fondul North Energy Ventures (a primit 13,8% din AT Energy, partenerul său este Shaposhnikov însuși), fondul de risc Phystech Ventures (13,8%), fondat de absolvenți ai Institutului de Fizică și Tehnologie din Moscova și dezvoltator Morton (10%); Shaposhnikov și Dobrovolsky dețin acum direct 26,7% din AT Energy, iar Nefedkin - 9% (toate conform Registrului de stat unificat al persoanelor juridice).

AT Energia în cifre
Aproximativ 1 00 de milioane de ruble.— valoarea totală a investițiilor atrase
3-30 kg- o mulțime de drone pentru care AT Energy face sisteme de alimentare
7 miliarde de dolari pe an - volumul pieței globale de drone în 2015
90 de milioane de dolari- volum piata ruseasca drone militare în 2014
5 milioane de dolari— volumul pieței ruse de drone civile în 2014
2,6 miliarde de dolari— volumul pieței globale de celule de combustibil în 2014
Sursa: date companie, Business Insider, Markets & Markets

Zboară mai mult, chiar mai mult

Astăzi, aproape 80% dintre dronele din lume folosesc motoare electrice, care sunt alimentate de baterii litiu-ion sau litiu-polimer. „Cea mai mare problemă cu bateriile este că au limitări ale capacității energetice din cauza dimensiunii lor. Daca vrei de doua ori mai multa energie, instaleaza o alta baterie, si alta, etc. Iar în drone, cel mai important parametru este masa sa”, explică Shaposhnikov.

Greutatea dronei determină sarcina utilă a acesteia - numărul de dispozitive care pot fi atârnate pe ea (de exemplu, camere, camere termice, dispozitive de scanare etc.), precum și timpul de zbor. Astăzi, dronele zboară în general între o jumătate de oră până la o oră și jumătate. „Nu este interesant timp de o jumătate de oră”, spune Shaposhnikov. „Se pare că, de îndată ce îl ridici în aer, este timpul să schimbi bateria.” În plus, bateriile litiu-ion se comportă capricios când temperaturi negative. Shaposhnikov susține că celulele de combustibil dezvoltate de AT Energy permit dronelor să zboare de până la cinci ori mai mult: de la două ore și jumătate până la patru ore și nu se tem de îngheț (până la minus 20 de grade).

AT Energy achiziționează consumabile și componente pentru bateriile sale atât în Rusia, cât și în străinătate. „Pentru evoluțiile științifice, sunt implicate serii mici, așa că nu putem încă să oferim potențial Producătorii ruși componentele de care avem nevoie au un orizont de planificare, astfel încât să își poată localiza producția”, explică Shaposhnikov.

În 2014, AT Energy și-a încheiat primele contracte: a furnizat armatei 20 de sisteme de baterii bazate pe celulele de combustibil (Shaposhnikov nu numește clientul). Au fost echipați și cu drone de la compania AFM-Servers, care le-a folosit la filmarea Jocurilor Olimpice de la Soci. „Unul dintre obiectivele companiei a fost să ne testeze sistemele pe drone și nu ne-a păsat dacă ne-au plătit sau nu pentru asta”, își amintește Shaposhnikov. Până în prezent, AT Energy a semnat o serie de contracte și precontracte, veniturile potențiale pentru care, conform lui Shaposhnikov, sunt de 100 de milioane de ruble. (în principal cu agențiile guvernamentale).

Shaposhnikov nu dezvăluie rezultatele financiare ale AT Energy. Potrivit Kontur.Focus, în 2014, compania a avut venituri de 12,4 milioane de ruble. și o pierdere netă de 1,2 milioane de ruble. Costul pilelor de combustie cu o putere de până la 0,5 kW produse de AT Energy, conform lui Shaposhnikov, variază între 10-25 mii USD, în funcție de tipul de dronă, sarcinile cu care se confruntă, durata zborului și alți parametri.

Devalorizarea rublei, potrivit lui Shaposhnikov, va facilita intrarea companiei pe piața mondială. „Ne-am propus să stabilim relații cu jucătorii occidentali în 2016, iar în 2017 să facem primele produse pentru principalele tipuri de drone străine”, spune el.

INVESTITOR

„AT Energy a reușit să creeze o pilă de combustie cu caracteristici unice”

Oleg Pertsovsky, director pentru operațiuni al Clusterului de tehnologii eficiente energetice al Fundației Skolkovo

„Au fost capabili să facă un dispozitiv care funcționează la temperaturi sub zero, fiind în același timp destul de compact și ieftin. Pentru proiectele intensive în știință, patru ani reprezintă o perioadă scurtă de timp, așa că se mișcă într-un ritm normal, în opinia noastră. Dronele sunt una dintre domeniile evidente și cele mai promițătoare pentru utilizarea pilelor de combustie. Prin înlocuirea sursei de energie, drona își va putea mări timpul de zbor de mai multe ori cu aceleași caracteristici dimensionale de masă. Există, de asemenea, o piață pentru alimentarea cu energie autonomă, de exemplu pentru rețelele celulare, unde există o mare nevoie de surse de alimentare cu energie redusă în zonele îndepărtate unde rețelele electrice nu sunt conectate.”

„Crearea unui produs competitiv și intrarea pe această piață prezintă riscuri de investiții semnificative”

Sergey Filimonov, șeful fondului de risc corporativ GS Venture (ca parte a GS Group)

„Piața pilelor de combustibil de mare capacitate este mult mai largă și mai complexă decât industria dronelor. Dar pilele de combustibil vor trebui să concureze cu o serie de surse de energie existente, atât în ceea ce privește eficiența, cât și costul. Crearea unui produs competitiv și intrarea pe această piață prezintă riscuri de investiții semnificative. Pentru GS Venture, domeniile UAV-urilor și pilelor de combustie sunt destul de interesante, dar fondul nu este pregătit să investească într-un startup doar pentru că această companie operează într-o zonă în curs de dezvoltare și vizează o piață în creștere activă.

CLIENȚI

"Acest cea mai buna tehnologie pe piata, dar prea scump"

Oleg Panfilenok, fondator și CEO al Copter Express

„AT Energy are o tehnologie foarte puternică. Combinația dintre „pile de combustie plus un cilindru de hidrogen” face posibilă obținerea unei intensități energetice fiabile, semnificativ mai mare decât în cazul bateriilor litiu-polimer sau litiu-ion. Am proiectat deja o dronă de cartografiere, de aproximativ 1 metru în diametru, pentru a zbura pe o suprafață mare - dacă puneți pe ea pile de combustie cu hidrogen, aceasta va zbura până la patru ore. Ar fi convenabil și eficient, nu ar trebui să puneți dispozitivul jos de mai multe ori pentru a reîncărca.

Momentan aceasta este cu siguranță cea mai bună tehnologie de pe piață, dar există o problemă: este prea scumpă pentru noi. O baterie de la AT Energy poate costa aproximativ 500 de mii de ruble. - un ordin de mărime mai mare decât o baterie cu litiu polimer. Da, este de o ori și jumătate mai ieftin decât analogii străini, dar avem nevoie de zece. Nu suntem militari care avem bugete, suntem o societate comercială și nu suntem pregătiți să plătim bani mari. Pentru militari, caracteristicile unei drone sunt mai importante decât costul ei, dar pentru comerț, dimpotrivă, este mai bine dacă este mai rău, dar mai ieftin.”

„Timpul de zbor al unei drone este cel mai important factor pentru multe misiuni.”

Maxim Shinkevich, CEO al grupului de companii Unmanned Systems

„Suntem foarte familiarizați cu AT Energy și am semnat un acord de cooperare cu ei. Am finalizat recent dezvoltarea unui nou multicopter mai mare, cu o sarcină utilă de până la 2 kg, care va fi echipat cu celule de combustie de la AT Energy și va zbura pe ele de la 2,5 la 4 ore. Pe baterii cu litiu o astfel de dronă ar zbura doar 30 de minute. Această dronă poate fi folosită atât în scopuri civile, cât și în scopuri militare - este un sistem de supraveghere video pentru căutarea și salvarea oamenilor, suntem deja pregătiți să o lansăm în serie. Avem deja primul client civil pentru el și, de îndată ce îl vom arăta în acțiune, vor apărea și alte contracte.

Una dintre principalele probleme în utilizarea în masă a pilelor de combustie este lipsa unei rețele de stații pentru încărcarea acestora. Sunt mai scumpe decât bateriile (ca urmare, costul unei drone care le folosește crește cu 15%), dar în schimb obțineți mai mult decât dublul duratei zborului. Timpul de zbor al dronei este cel mai important factor pentru multe aplicații.”

Natalia Suvorova

Avantajele celulelor/pilelor de combustie

O celulă de combustie este un dispozitiv care produce eficient curent continuu și căldură din combustibilul bogat în hidrogen printr-o reacție electrochimică.

O celulă de combustibil este similară cu o baterie prin faptul că produce curent continuu printr-o reacție chimică. Pila de combustibil include un anod, un catod și un electrolit. Cu toate acestea, spre deosebire de baterii, pilele de combustibil nu pot stoca energie electrică și nu se descarcă și nu necesită electricitate pentru a se reîncărca. Pilele/pilele de combustie pot produce în mod continuu energie electrică atâta timp cât au o sursă de combustibil și aer.

Spre deosebire de alte generatoare de energie, cum ar fi motoarele cu ardere internă sau turbinele alimentate cu gaz, cărbune, păcură etc., pilele/pilele de combustie nu ard combustibil. Aceasta înseamnă că nu există rotoare zgomotoase de înaltă presiune, fără zgomot puternic de evacuare, fără vibrații. Pilele/pilele de combustie produc energie electrică printr-o reacție electrochimică silentioasă. O altă caracteristică a celulelor/pilelor de combustie este că transformă energia chimică a combustibilului direct în electricitate, căldură și apă.

Pilele de combustie sunt foarte eficiente și nu produc cantități mari de gaze cu efect de seră, cum ar fi dioxidul de carbon, metanul și protoxidul de azot. Singurii produse de emisie în timpul funcționării sunt apa sub formă de abur și o cantitate mică de dioxid de carbon, care nu se eliberează deloc dacă se folosește hidrogen pur drept combustibil. Elementele/pilele de combustibil sunt asamblate în ansambluri și apoi în module funcționale individuale.

Istoricul dezvoltării pilelor/pilelor de combustie

În anii 1950 și 1960, una dintre cele mai presante provocări pentru celulele de combustibil a apărut din nevoia Administrației Naționale de Aeronautică și Spațiu (NASA) de surse de energie pentru misiunile spațiale de lungă durată. Pila de combustibil alcalină a NASA folosește hidrogen și oxigen ca combustibil, combinând cele două element chimicîntr-o reacție electrochimică. Rezultatele sunt trei produse secundare utile ale reacției în zborul spațial - electricitate pentru alimentarea navei spațiale, apă pentru sistemele de băut și răcire și căldură pentru a încălzi astronauții.

Descoperirea pilelor de combustie datează de la începutul secolului al XIX-lea. Prima dovadă a efectului pilelor de combustibil a fost obținută în 1838.

La sfârșitul anilor 1930, au început lucrările la pile de combustie cu un electrolit alcalin și până în 1939 a fost construită o celulă care folosea electrozi placați cu nichel de înaltă presiune. În timpul celui de-al Doilea Război Mondial au fost dezvoltate pile/pile de combustie pentru submarinele marinei britanice și în 1958 a fost introdus un ansamblu de combustibil format din pile/pile de combustie alcaline cu un diametru de puțin peste 25 cm.

Interesul a crescut în anii 1950 și 1960, precum și în anii 1980, când lumea industrială a cunoscut o penurie de combustibili petrolieri. În aceeași perioadă, țările lumii au devenit, de asemenea, preocupate de problema poluării aerului și au luat în considerare modalități de a proteja mediul chitanta neta electricitate. Tehnologia celulelor de combustie este în prezent în curs de dezvoltare rapidă.

Principiul de funcționare al celulelor/pilelor de combustie

Pilele/pilele de combustie produc energie electrică și căldură datorită unei reacții electrochimice care are loc folosind un electrolit, un catod și un anod.

Anodul și catodul sunt separate de un electrolit care conduce protonii. După ce hidrogenul curge către anod și oxigenul către catod, începe o reacție chimică, în urma căreia se generează curent electric, căldură și apă.

La catalizatorul anod, hidrogenul molecular se disociază și pierde electroni. Ionii de hidrogen (protonii) sunt conduși prin electrolit către catod, în timp ce electronii trec prin electrolit și călătoresc printr-un circuit electric extern, creând un curent continuu care poate fi utilizat pentru alimentarea echipamentelor. La catalizatorul catod, o moleculă de oxigen se combină cu un electron (care este furnizat din comunicațiile externe) și un proton care vine și formează apă, care este singurul produs de reacție (sub formă de vapori și/sau lichid).

Mai jos este reacția corespunzătoare:

Reacția la anod: 2H 2 => 4H+ + 4e -
Reacția la catod: O 2 + 4H+ + 4e - => 2H 2 O
Reacția generală a elementului: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Tipuri și varietate de elemente de combustibil/pile

Așa cum există diferite tipuri de motoare cu ardere internă, există diferite tipuri de pile de combustie - alegerea tipului potrivit de pile de combustie depinde de aplicarea acestuia.

Pilele de combustie sunt împărțite în temperatură ridicată și temperatură scăzută. Pilele de combustibil cu temperatură joasă necesită hidrogen relativ pur drept combustibil. Aceasta înseamnă adesea că procesarea combustibilului este necesară pentru a transforma combustibilul primar (cum ar fi gazul natural) în hidrogen pur. Acest proces consumă energie suplimentară și necesită echipamente speciale. Pilele de combustie cu temperaturi ridicate nu au nevoie de această procedură suplimentară, deoarece pot „conversia intern” combustibilul la temperaturi ridicate, ceea ce înseamnă că nu este nevoie să investiți în infrastructura cu hidrogen.

Pile/celule de combustibil cu carbonat topit (MCFC)

Pilele de combustie cu electroliți de carbonat topit sunt pile de combustie la temperaturi înalte. Temperatura ridicată de funcționare permite utilizarea directă a gazului natural fără procesor de combustibil și a gazului combustibil cu putere calorică scăzută din procese industriale și din alte surse.

Când sunt încălzite la o temperatură de 650°C, sărurile devin conductor pentru ionii carbonat (CO 3 2-). Acești ioni trec de la catod la anod, unde se combină cu hidrogenul pentru a forma apă, dioxid de carbon și electroni liberi. Acești electroni sunt trimiși printr-un circuit electric extern înapoi la catod, generând curent electric și căldură ca produs secundar.

Reacția la anod: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Reacția la catod: CO 2 + 1/2O 2 + 2e - => CO 3 2-
Reacția generală a elementului: H 2 (g) + 1/2O 2 (g) + CO 2 (catod) => H 2 O (g) + CO 2 (anod)

Temperaturile ridicate de funcționare ale celulelor de combustie cu electroliți cu carbonat topit au anumite avantaje. La temperaturi ridicate, gazul natural este reformat intern, eliminând necesitatea unui procesor de combustibil. În plus, avantajele includ capacitatea de a utiliza materiale de construcție standard, cum ar fi table de oțel inoxidabil și catalizator de nichel pe electrozi. Căldura reziduală poate fi utilizată pentru a genera abur de înaltă presiune pentru o varietate de scopuri industriale și comerciale.

Temperaturile ridicate de reacție în electrolit au și avantajele lor. Utilizarea temperaturilor ridicate necesită timp semnificativ pentru a atinge condiții optime de funcționare, iar sistemul răspunde mai lent la modificările consumului de energie. Aceste caracteristici permit utilizarea instalațiilor de celule de combustie cu electrolit de carbonat topit în condiții de putere constantă. Temperaturile ridicate împiedică monoxidul de carbon să deterioreze pila de combustibil.

Pilele de combustie cu electrolit de carbonat topit sunt potrivite pentru utilizare în instalații staționare mari. Centralele termice cu o putere electrică de ieșire de 3,0 MW sunt produse comercial. Sunt în curs de dezvoltare instalații cu putere de ieșire de până la 110 MW.

Pile/pile de combustibil cu acid fosforic (PAFC)

Pilele de combustie cu acid fosforic (ortofosforic) au fost primele celule de combustie destinate utilizării comerciale.

Pilele de combustibil cu acid fosforic (ortofosforic) folosesc un electrolit pe bază de acid ortofosforic (H3PO4) cu o concentrație de până la 100%. Conductivitatea ionică a acidului fosforic este scăzută la temperaturi scăzute, din acest motiv aceste pile de combustie sunt utilizate la temperaturi de până la 150–220°C.

Purtătorul de sarcină în celulele de combustie de acest tip este hidrogenul (H+, proton). Un proces similar are loc în celulele de combustibil cu membrană schimbătoare de protoni, în care hidrogenul furnizat anodului este împărțit în protoni și electroni. Protonii călătoresc prin electrolit și se combină cu oxigenul din aer la catod pentru a forma apă. Electronii sunt trimiși printr-un circuit electric extern, generând astfel un curent electric. Mai jos sunt reacțiile care generează curent electric și căldură.

Reacția la anod: 2H 2 => 4H ++ 4e -
Reacția la catod: O 2 (g) + 4H + + 4e - => 2 H 2 O
Reacția generală a elementului: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Performanța ridicată a centralelor termice care utilizează pile de combustie pe bază de acid fosforic (ortofosforic) în producția combinată de energie termică și electrică este unul dintre avantajele acestui tip de pile de combustie. Unitățile folosesc monoxid de carbon cu o concentrație de aproximativ 1,5%, ceea ce extinde semnificativ alegerea combustibilului. În plus, CO 2 nu afectează electrolitul și funcționarea celulei de combustie funcționează cu combustibil natural reformat. Designul simplu, gradul scăzut de volatilitate a electrolitului și stabilitatea sporită sunt, de asemenea, avantaje ale acestui tip de pile de combustie.

Centralele termice cu putere electrică de ieșire de până la 500 kW sunt produse comercial. Instalațiile de 11 MW au trecut testele corespunzătoare. Sunt în curs de dezvoltare instalații cu putere de ieșire de până la 100 MW.

Pile de combustie cu oxid solid (SOFC)

Pilele de combustibil cu oxid solid sunt celulele de combustibil cu cea mai ridicată temperatură de funcționare. Temperatura de funcționare poate varia de la 600°C la 1000°C, permițând utilizarea diferitelor tipuri de combustibil fără un pretratare special. Pentru a face față unor astfel de temperaturi ridicate, electrolitul folosit este un oxid de metal solid subțire pe o bază ceramică, adesea un aliaj de ytriu și zirconiu, care este un conductor al ionilor de oxigen (O2-).

Electrolitul solid asigură o tranziție etanșă a gazului de la un electrod la altul, în timp ce electroliții lichizi sunt localizați într-un substrat poros. Purtătorul de sarcină în celulele de combustie de acest tip este ionul de oxigen (O 2-). La catod, moleculele de oxigen din aer sunt separate într-un ion de oxigen și patru electroni. Ionii de oxigen trec prin electrolit și se combină cu hidrogenul, creând patru electroni liberi. Electronii sunt trimiși printr-un circuit electric extern, generând curent electric și căldură reziduală.

Reacția la anod: 2H 2 + 2O 2- => 2H 2 O + 4e -
Reacția la catod: O 2 + 4e - => 2O 2-
Reacția generală a elementului: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Eficiența energiei electrice produse este cea mai mare dintre toate celulele de combustie - aproximativ 60-70%. Temperaturile ridicate de funcționare permit producția combinată de energie termică și electrică pentru a genera abur de înaltă presiune. Combinarea unei celule de combustie de înaltă temperatură cu o turbină face posibilă crearea unei celule de combustibil hibride pentru a crește eficiența generării de energie electrică cu până la 75%.

Pilele de combustie cu oxid solid funcționează la temperaturi foarte ridicate (600°C–1000°C), rezultând un timp semnificativ pentru atingerea condițiilor optime de funcționare și un răspuns mai lent al sistemului la modificările consumului de energie. La temperaturi de funcționare atât de ridicate, nu este necesar niciun convertor pentru a recupera hidrogenul din combustibil, permițând centralei termice să funcționeze cu combustibili relativ impuri rezultati din gazeificarea cărbunelui sau a gazelor reziduale etc. Celula de combustie este, de asemenea, excelentă pentru aplicații de mare putere, inclusiv centrale industriale și centrale mari. Modulele cu o putere electrică de ieșire de 100 kW sunt produse comercial.

Pile de combustibil cu oxidare directă a metanolului (DOMFC)

Tehnologia utilizării pilelor de combustie cu oxidare directă a metanolului trece printr-o perioadă de dezvoltare activă. S-a dovedit cu succes în domeniul alimentării telefoanelor mobile, laptop-urilor, precum și în crearea de surse de alimentare portabile. Acesta este scopul utilizării viitoare a acestor elemente.

Proiectarea pilelor de combustie cu oxidare directă a metanolului este similară cu celulele de combustie cu membrană de schimb de protoni (MEPFC), adică Un polimer este folosit ca electrolit, iar un ion de hidrogen (proton) este folosit ca purtător de sarcină. Cu toate acestea, metanolul lichid (CH 3 OH) se oxidează în prezența apei la anod, eliberând CO 2, ioni de hidrogen și electroni, care sunt trimiși printr-un circuit electric extern, generând astfel un curent electric. Ionii de hidrogen trec prin electrolit și reacționează cu oxigenul din aer și electronii din circuitul extern pentru a forma apă la anod.

Reacția la anod: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Reacția la catod: 3/2O 2 + 6 H + + 6e - => 3H 2 O
Reacția generală a elementului: CH 3 OH + 3/2O 2 => CO 2 + 2H 2 O

Avantajul acestui tip de pile de combustie este dimensiunile reduse, datorita utilizarii combustibil lichid, și nu este nevoie să utilizați un convertor.

Pile/pile de combustibil alcaline (ALFC)

Pilele de combustie alcaline sunt una dintre cele mai eficiente celule folosite pentru a genera energie electrică, eficiența de generare a energiei ajungând până la 70%.

Pilele de combustibil alcaline folosesc un electrolit, o soluție apoasă de hidroxid de potasiu, conținută într-o matrice poroasă, stabilizată. Concentrația de hidroxid de potasiu poate varia în funcție de temperatura de funcționare a celulei de combustie, care variază de la 65°C la 220°C. Purtătorul de sarcină în SHTE este ionul hidroxil (OH -), care se deplasează de la catod la anod, unde reacţionează cu hidrogenul, producând apă şi electroni. Apa produsă la anod se deplasează înapoi la catod, generând din nou ioni de hidroxil acolo. Ca rezultat al acestei serii de reacții care au loc în celula de combustie, se produce electricitate și, ca produs secundar, căldură:

Reacția la anod: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reacția la catod: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4 OH -
Reacția generală a sistemului: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Avantajul SHTE este că aceste celule de combustie sunt cele mai ieftine de produs, deoarece catalizatorul necesar electrozilor poate fi oricare dintre substanțele care sunt mai ieftine decât cele utilizate ca catalizatori pentru alte celule de combustibil. SFC funcționează la temperaturi relativ scăzute și sunt printre cele mai eficiente celule de combustibil - astfel de caracteristici pot contribui, în consecință, la o generare mai rapidă de energie și la o eficiență ridicată a combustibilului.

Una dintre trăsăturile caracteristice ale SHTE este sensibilitatea sa ridicată la CO 2 , care poate fi conținut în combustibil sau aer. CO 2 reacționează cu electrolitul, îl otrăvește rapid și reduce foarte mult eficiența celulei de combustie. Prin urmare, utilizarea SHTE este limitată la spații închise, cum ar fi navele spațiale și vehiculele subacvatice, acestea trebuie să funcționeze cu hidrogen și oxigen pur. Mai mult decât atât, molecule precum CO, H2O și CH4, care sunt sigure pentru alte celule de combustibil și chiar acționează ca combustibil pentru unele dintre ele, sunt dăunătoare pentru SHFC.

Pile de combustibil cu electroliți polimerici (PEFC)

În cazul pilelor de combustie cu electrolit polimeric, membrana polimerică este formată din fibre polimerice cu regiuni de apă în care există o conducere a ionilor de apă H2O+ (proton, roșu) se atașează la o moleculă de apă). Moleculele de apă reprezintă o problemă din cauza schimbului lent de ioni. Prin urmare, este necesară o concentrație mare de apă atât în combustibil, cât și la electrozii de ieșire, limitând temperatura de funcționare la 100°C.

Pile/pile de combustibil acid solid (SFC)

În pilele cu combustibil acid solid, electrolitul (CsHSO 4) nu conține apă. Temperatura de lucru este deci 100-300°C. Rotația oxianionilor SO 4 2- permite protonilor (roșu) să se miște așa cum se arată în figură. De obicei, o pilă de combustie acidă solidă este un sandwich în care un strat foarte subțire de compus acid solid este intercalat între doi electrozi care sunt strâns presați împreună pentru a asigura un contact bun. Când este încălzită, componenta organică se evaporă, ieșind prin porii din electrozi, menținând capacitatea de contacte multiple între combustibil (sau oxigen la celălalt capăt al elementului), electrolit și electrozi.

Diverse module de celule de combustibil. Baterie cu pile de combustibil

Baterie cu pile de combustibil
Alte echipamente care funcționează la temperaturi ridicate (generator de abur integrat, cameră de ardere, schimbător de echilibru termic)
Izolatie rezistenta la caldura

Modul de pile de combustibil

Analiza comparativă a tipurilor și varietăților de celule de combustie

Centralele municipale inovatoare de energie termică și energetică sunt construite de obicei pe celule de combustibil cu oxid solid (SOFC), celule de combustibil cu electroliți polimerici (PEFC), celule de combustibil cu acid fosforic (PAFC), celule de combustibil cu membrană schimbătoare de protoni (PEMFC) și pile de combustibil alcaline ( ALFC). Au de obicei următoarele caracteristici:

Cele mai potrivite ar trebui considerate pile de combustibil cu oxid solid (SOFC), care:

funcționează la temperaturi mai ridicate, reducând nevoia de metale prețioase scumpe (cum ar fi platina)
poate lucra pentru diverse tipuri combustibili cu hidrocarburi, în principal gaze naturale
au un timp de pornire mai lung și, prin urmare, sunt mai potrivite pentru acțiuni pe termen lung
demonstrează o eficiență ridicată de generare a energiei (până la 70%)
Datorită temperaturilor ridicate de funcționare, unitățile pot fi combinate cu sisteme de transfer de căldură, aducând eficiența generală a sistemului până la 85%
au practic nivel zero emisii, operează silențios și au cerințe de funcționare scăzute în comparație cu tehnologiile existente de generare a energiei

Tipul de pile de combustibil	Temperatura de functionare	Eficienta generarii de energie	Tip de combustibil	Domeniul de aplicare
RKTE	550–700°C	50-70%		Instalatii medii si mari
FCTE	100–220°C	35-40%	Hidrogen pur	Instalatii mari
MOPTE	30-100°C	35-50%	Hidrogen pur	Instalații mici
SOFC	450–1000°C	45-70%	Majoritatea combustibililor cu hidrocarburi	Instalatii mici, medii si mari
PEMFC	20-90°C	20-30%	metanol	Portabil
SHTE	50–200°C	40-70%	Hidrogen pur	Cercetarea spațială
PETE	30-100°C	35-50%	Hidrogen pur	Instalații mici

Deoarece centralele termice mici pot fi conectate la o rețea convențională de alimentare cu gaz, celulele de combustibil nu necesită un sistem separat de alimentare cu hidrogen. Atunci când se folosesc centrale termice mici pe bază de celule de combustie cu oxid solid, căldura generată poate fi integrată în schimbătoare de căldură pentru a încălzi apa și aerul de ventilație, crescând eficiența generală a sistemului. Această tehnologie inovatoare în cel mai bun mod posibil potrivit pentru generarea eficientă de energie electrică fără a fi nevoie de infrastructură costisitoare și integrare complexă a instrumentelor.

Aplicarea pilelor/pilelor de combustie

Aplicarea pilelor/pilelor de combustie în sistemele de telecomunicații

Datorită proliferării rapide a sistemelor de comunicații fără fir în întreaga lume, precum și a beneficiilor socio-economice din ce în ce mai mari ale tehnologiei de telefonie mobilă, nevoia de alimentare de rezervă fiabilă și rentabilă a devenit critică. Pierderile rețelei de energie electrică pe tot parcursul anului din cauza condițiilor meteorologice nefavorabile, dezastrelor naturale sau capacității limitate ale rețelei reprezintă o provocare continuă pentru operatorii de rețea.

Soluțiile tradiționale de rezervă pentru energie de telecomunicații includ baterii (celula bateriei cu plumb-acid reglată prin supapă) pentru energie de rezervă pe termen scurt și generatoare diesel și propan pentru energie de rezervă pe termen lung. Bateriile sunt o sursă relativ ieftină de energie de rezervă pentru 1 - 2 ore. Cu toate acestea, bateriile nu sunt potrivite pentru alimentarea de rezervă pe termen lung, deoarece sunt costisitoare de întreținut, devin nefiabile după perioade lungi de utilizare, sunt sensibile la temperaturi și sunt periculoase pentru mediu după eliminare. Generatoarele diesel și propan pot oferi energie de rezervă pe termen lung. Cu toate acestea, generatoarele pot fi nefiabile, necesită întreținere extinsă și eliberează niveluri ridicate de poluanți și gaze cu efect de seră.

Pentru a depăși limitările soluțiilor tradiționale de rezervă a energiei, a fost dezvoltată tehnologia inovatoare a celulelor de combustibil verde. Pilele de combustie sunt fiabile, silențioase, conțin mai puține piese în mișcare decât un generator, au o gamă de temperatură de funcționare mai largă decât o baterie: de la -40°C la +50°C și, prin urmare, asigură un nivel extrem de ridicat de economii de energie. În plus, costurile pe durata de viață ale unei astfel de instalații sunt mai mici decât cele ale unui generator. Costurile mai mici ale celulelor de combustibil rezultă dintr-o singură vizită de întreținere pe an și o productivitate semnificativ mai mare a instalației. La sfârșitul zilei, pila de combustie este o soluție de tehnologie ecologică cu impact minim asupra mediului.

Unitățile de pile de combustie oferă energie de rezervă pentru infrastructurile critice de rețea de comunicații pentru comunicații wireless, permanente și în bandă largă în sistemul de telecomunicații, variind de la 250 W la 15 kW, oferind multe caracteristici inovatoare de neegalat:

FIABILITATE– puține părți în mișcare și nicio descărcare în modul de așteptare
ECONOMIREA ENERGIEI
TĂCERE– nivel scăzut de zgomot
DURABILITATE– domeniu de operare de la -40°C la +50°C
ADAPTABILITATE– instalare în exterior și în interior (container/container de protecție)
PUTERE MARE– până la 15 kW
CERINȚA DE ÎNTREȚINERE MICĂ– întreținere anuală minimă
ECONOMIC- cost total de proprietate atractiv
ENERGIE VERDE– emisii reduse cu impact minim asupra mediului

Sistemul detectează mereu tensiunea magistralei DC și acceptă fără probleme sarcinile critice dacă tensiunea magistralei DC scade sub un punct de referință definit de utilizator. Sistemul funcționează cu hidrogen, care este furnizat stivei de celule de combustie într-unul din două moduri - fie dintr-o sursă industrială de hidrogen, fie dintr-un combustibil lichid de metanol și apă, folosind un sistem integrat de reformare.

Electricitatea este produsă de stiva de celule de combustibil sub formă de curent continuu. Puterea de curent continuu este transferată la un convertor, care convertește puterea de curent continuu nereglată care vine de la stiva de celule de combustibil în putere de curent continuu reglată de înaltă calitate pentru sarcinile necesare. Instalațiile de celule de combustie pot furniza energie de rezervă timp de mai multe zile, deoarece durata este limitată doar de cantitatea de combustibil disponibilă de hidrogen sau metanol/apă.

Pilele de combustie oferă economii superioare de energie, fiabilitate îmbunătățită a sistemului, performanțe mai previzibile într-o gamă largă de climate și durabilitate operațională fiabilă în comparație cu acumulatorii standard cu supapă reglate cu plumb-acid. Costurile pe durata de viață sunt, de asemenea, mai mici datorită cerințelor semnificativ mai mici de întreținere și înlocuire. Pilele de combustie oferă beneficii de mediu pentru utilizatorul final, deoarece costurile de eliminare și riscurile de răspundere asociate cu celulele cu plumb-acid reprezintă o preocupare tot mai mare.

Pentru caracteristicile de performanță baterii electrice poate fi afectat negativ de o gamă largă de factori, cum ar fi nivelul de încărcare, temperatura, ciclurile, durata de viață și alte variabile. Energia furnizată va varia în funcție de acești factori și nu este ușor de prezis. Caracteristici de performanță Pilele de combustibil cu membrană schimbătoare de protoni (PEMFC) sunt relativ neafectate de acești factori și pot furniza o putere critică atâta timp cât combustibilul este disponibil. Previzibilitatea sporită este un beneficiu important atunci când treceți la celulele de combustie pentru aplicații critice de alimentare de rezervă.

Pilele de combustie generează energie numai atunci când este furnizat combustibil, similar unui generator cu turbină cu gaz, dar nu au părți mobile în zona de generare. Prin urmare, spre deosebire de un generator, acestea nu sunt supuse unei uzuri rapide și nu necesită întreținere și lubrifiere constantă.

Combustibilul folosit pentru a conduce convertizorul de combustibil cu durată extinsă este un amestec de combustibil de metanol și apă. Metanolul este un combustibil disponibil pe scară largă, produs comercial, care are în prezent multe utilizări, inclusiv spălarea parbrizului, sticle de plastic, aditivi pentru motor, vopsele în emulsie. Metanolul este ușor de transportat, poate fi amestecat cu apă, are o bună biodegradabilitate și nu conține sulf. Are un punct de îngheț scăzut (-71°C) și nu se descompune în timpul depozitării pe termen lung.

Aplicarea pilelor/pilelor de combustie în rețelele de comunicații

Rețelele de comunicații securizate necesită soluții de alimentare de rezervă fiabile, care pot funcționa ore sau zile în situații de urgență, dacă rețeaua electrică nu mai este disponibilă.

Cu puține piese în mișcare și fără pierderi de putere în standby, tehnologia inovatoare cu celule de combustibil oferă o soluție atractivă pentru sistemele actuale de alimentare de rezervă.

Cel mai convingător argument pentru utilizarea tehnologiei celulelor de combustie în rețelele de comunicații este fiabilitatea generală și siguranța crescută. În timpul unor evenimente precum întreruperile de curent, cutremure, furtuni și uragane, este important ca sistemele să continue să funcționeze și să fie furnizate cu energie de rezervă fiabilă pe o perioadă lungă de timp, indiferent de temperatură sau de vechimea sistemului de alimentare de rezervă.

Linia de dispozitive de alimentare bazate pe celule de combustibil este ideală pentru a susține rețelele de comunicații clasificate. Datorită principiilor lor de design de economisire a energiei, acestea oferă o putere de rezervă ecologică, fiabilă, cu o durată extinsă (până la câteva zile) pentru utilizare în domeniul de putere de la 250 W la 15 kW.

Aplicarea pilelor/pilelor de combustie în rețelele de date

Sursa de alimentare fiabilă pentru rețelele de date, cum ar fi rețelele de date de mare viteză și coloana vertebrală cu fibră optică, este de o importanță cheie în întreaga lume. Informațiile transmise prin astfel de rețele conțin date critice pentru instituții precum bănci, companii aeriene sau centre medicale. O întrerupere a curentului în astfel de rețele nu numai că reprezintă un pericol pentru informațiile transmise, ci și, de regulă, duce la pierderi financiare semnificative. Instalațiile fiabile și inovatoare de celule de combustibil care asigură alimentarea cu energie de rezervă oferă fiabilitatea necesară pentru a asigura o alimentare neîntreruptă.

Unitățile de celule de combustie, alimentate cu un amestec de combustibil lichid de metanol și apă, oferă o putere de rezervă fiabilă, cu o durată extinsă, de până la câteva zile. În plus, aceste unități au cerințe de întreținere reduse semnificativ în comparație cu generatoarele și bateriile, necesitând o singură vizită de întreținere pe an.

Caracteristici tipice ale locului de aplicare pentru utilizarea instalațiilor de celule de combustie în rețele de date:

Aplicații cu cantități consumate de la 100 W la 15 kW
Aplicații cu cerințe de viață a bateriei > 4 ore
Repetoare în sistemele cu fibră optică (ierarhia sincronelor sisteme digitale, Internet de mare viteză, comunicare vocală prin protocol IP...)
Noduri de rețea pentru transmisia de date de mare viteză
Noduri de transmisie WiMAX

Instalațiile de rezervă pentru alimentarea cu pile de combustibil oferă numeroase beneficii pentru infrastructurile de rețea de date critice în comparație cu generatoarele tradiționale de baterii sau diesel, permițând opțiuni sporite de implementare la fața locului:

Tehnologia combustibilului lichid rezolvă problema plasării hidrogenului și oferă putere de rezervă practic nelimitată.
Datorită funcționării lor silențioase, greutății reduse, rezistenței la schimbările de temperatură și funcționării practic fără vibrații, pilele de combustibil pot fi instalate în exteriorul clădirilor, în clădiri industriale/containere sau pe acoperișuri.
Pregătirile pentru utilizarea sistemului la fața locului sunt rapide și economice, iar costurile de operare sunt scăzute.
Combustibilul este biodegradabil și oferă o soluție ecologică pentru mediile urbane.

Aplicarea pilelor/pilelor de combustie în sistemele de securitate

Cele mai atent proiectate sisteme de securitate și comunicații ale clădirii sunt la fel de fiabile ca și sursa de alimentare care le susține. În timp ce majoritatea sistemelor includ un sistem de alimentare neîntreruptibil de rezervă pentru pierderi de energie pe termen scurt, ele nu găzduiesc întreruperile de curent pe termen lung care pot apărea după dezastre naturale sau atacuri teroriste. Acest lucru ar putea deveni critic problemă importantă pentru multe agenții corporative și guvernamentale.

Sisteme vitale, cum ar fi sistemele de monitorizare și control al accesului care utilizează CCTV (cititoare de cărți de identitate, dispozitive de blocare a ușilor, tehnologie de identificare biometrică etc.), automate alarma de incendiu iar sistemele de stingere a incendiilor, sistemele de control al lifturilor și rețelele de telecomunicații sunt în pericol în absența unei surse de alimentare fiabile, alternative și de lungă durată.

Generatoarele diesel fac mult zgomot, sunt dificil de amplasat și au probleme binecunoscute cu fiabilitatea și întreținere tehnică. În schimb, o instalație de celule de combustie care oferă energie de rezervă este silențioasă, fiabilă, produce emisii zero sau foarte scăzute și poate fi instalată cu ușurință pe un acoperiș sau în afara unei clădiri. Nu se descarcă și nu pierde energie în modul de așteptare. Acesta asigură funcționarea continuă a sistemelor critice, chiar și după ce instalația își încetează activitatea și clădirea este eliberată.

Instalațiile inovatoare de celule de combustibil protejează investițiile costisitoare în aplicații critice. Ele oferă o putere de rezervă ecologică, fiabilă, cu o durată extinsă (până la multe zile) pentru utilizare în intervalul de putere de la 250 W la 15 kW, combinată cu numeroase caracteristici de neegalat și, mai ales, nivel înalt economisirea energiei.

Instalațiile de rezervă pentru alimentarea cu pile de combustibil oferă numeroase avantaje pentru utilizare în aplicații critice, cum ar fi sistemele de securitate și controlul clădirilor, față de aplicațiile tradiționale alimentate cu baterii sau generatoare diesel. Tehnologia combustibilului lichid rezolvă problema plasării hidrogenului și oferă putere de rezervă practic nelimitată.

Aplicarea pilelor/pilelor de combustie în încălzirea municipală și generarea de energie

Pilele de combustibil cu oxid solid (SOFC) sunt folosite pentru a construi pile de combustibil fiabile, eficiente din punct de vedere energetic și fără energie. emisii nocive centrale termice pentru generarea de energie electrică și căldură din gaze naturale disponibile pe scară largă și surse regenerabile de combustibil. Aceste instalații inovatoare sunt utilizate pe o varietate de piețe, de la generarea de energie la domiciliu până la alimentarea de la distanță, precum și sursele de alimentare auxiliare.

Aplicarea pilelor/pilelor de combustie în rețelele de distribuție

Centralele termice mici sunt proiectate să funcționeze într-o rețea distribuită de generare a energiei constând dintr-un număr mare de mici grupuri electrogeneîn loc de o centrală electrică centralizată.

Figura de mai jos arată pierderea de eficiență a generării de energie electrică atunci când aceasta este generată la o centrală termică și transmisă către locuințe prin rețelele tradiționale de transport a energiei utilizate în în acest moment. Pierderile de eficiență în producția centralizată includ pierderi de la centrala electrică, transportul de joasă și înaltă tensiune și pierderi de distribuție.

Figura arată rezultatele integrării centralelor termice mici: electricitatea este generată cu o eficiență de generare de până la 60% la punctul de utilizare. În plus, o gospodărie poate folosi căldura generată de celulele de combustie pentru a încălzi apa și spațiul, ceea ce crește eficiența globală a procesării energiei combustibilului și crește economiile de energie.

Utilizarea pilelor de combustie pentru protejarea mediului - utilizarea gazelor petroliere asociate

Unul dintre cele mai importante sarciniîn industria petrolului este utilizarea gazelor petroliere asociate. Metode existente Utilizarea gazelor petroliere asociate are o mulțime de dezavantaje, principalul fiind că acestea nu sunt viabile din punct de vedere economic. Gazul petrolier asociat este ard, ceea ce dăunează enorm mediului și sănătății umane.

Centralele termice inovatoare care folosesc celule de combustie folosind gaz petrolier asociat ca combustibil deschid calea către radical și economic solutie profitabila probleme legate de utilizarea asociată a gazelor petroliere.

Unul dintre principalele avantaje ale instalațiilor de celule de combustie este că pot funcționa în mod fiabil și stabil pe gaz petrolier asociat cu compoziție variabilă. Datorită reacției chimice fără flacără care stă la baza funcționării celulei de combustie, o scădere a procentului, de exemplu, de metan provoacă doar o scădere corespunzătoare a puterii de ieșire.
Flexibilitate în raport cu sarcina electrică a consumatorilor, cădere, supratensiune de sarcină.
Pentru instalarea și conectarea centralelor termice pe pile de combustie, implementarea acestora nu necesită cheltuieli de capital, deoarece Unitățile pot fi instalate cu ușurință pe site-uri nepregătite în apropierea câmpurilor, sunt ușor de utilizat, fiabile și eficiente.
Automatizarea ridicată și telecomanda modernă nu necesită prezența permanentă a personalului la instalație.
Simplitatea și perfecțiunea tehnică a designului: absența pieselor în mișcare, a frecării și a sistemelor de lubrifiere oferă beneficii economice semnificative din funcționarea instalațiilor de celule de combustibil.
Consum de apă: niciunul la temperaturi ambientale de până la +30 °C și neglijabil la temperaturi mai ridicate.
Ieșire apă: niciuna.
În plus, centralele termice care utilizează celule de combustie nu fac zgomot, nu vibrează, nu produc emisii nocive în atmosferă