Beillesztem a betöltő tömlő csatlakozóját az üzemanyagtöltő nyakba és fél fordulattal elfordítom, hogy tömítsem a csatlakozást. A váltókapcsoló kattanása - és a benzinszivattyún villogó LED hatalmas h3 felirattal jelzi, hogy megkezdődött a tankolás. Egy perc – és megtelt a tank, mehet!
Elegáns karosszériakontúrok, ultraalacsony felfüggesztés, alacsony profilú slickek igazi versenysportot adnak. Az átlátszó burkolaton keresztül csővezetékek és kábelek bonyolult hálózata látható. Valahol láttam már hasonló megoldást... Na igen, az Audi R8-on a motor is látszik a hátsó ablakon keresztül. Az Audi azonban hagyományos benzines, és ez az autó hidrogénnel működik. A BMW Hydrogen 7-hez hasonlóan, de utóbbival ellentétben nincs belső égésű motor. Az egyetlen mozgó alkatrész a kormánymű és az elektromos motor forgórésze. Az energiát pedig egy üzemanyagcella biztosítja. Ezt az autót a szingapúri Horizon Fuel Cell Technologies cég gyártotta, amely üzemanyagcellák fejlesztésére és gyártására szakosodott. 2009-ben a brit Riversimple cég már bemutatott egy városi hidrogén-autót, amelyet Horizon Fuel Cell Technologies üzemanyagcellás hajt. Az oxfordi és a cranfieldi egyetemekkel együttműködésben fejlesztették ki. A Horizon H-racer 2.0 azonban egyéni fejlesztés.
Az üzemanyagcella két porózus elektródából áll, amelyek katalizátorréteggel vannak bevonva, és protoncserélő membránnal vannak elválasztva. Az anódkatalizátorban lévő hidrogén protonokká és elektronokká alakul, amelyek az anódon és egy külső elektromos áramkörön keresztül jutnak el a katódra, ahol a hidrogén és az oxigén újraegyesülve vizet képez.
"Megy!" - bökte meg könyökével a főszerkesztő Gagarin stílusban. De nem olyan gyorsan: először „fel kell melegíteni” az üzemanyagcellát részterhelésnél. A váltókapcsolót „bemelegítés” módba kapcsolom, és megvárom a megadott időt. Aztán minden esetre feltöltöm a tankot, amíg megtelik. Most pedig menjünk: az autó simán zümmögő motorral halad előre. Lenyűgöző a dinamika, bár mellesleg mi mást is várhatnánk egy elektromos autótól - a nyomaték minden sebességnél állandó. Bár nem sokáig - egy teli hidrogéntartály csak néhány percig tart (a Horizon azt ígéri, hogy a közeljövőben kiad egy új verziót, amelyben a hidrogént nem gázként tárolják nyomás alatt, hanem egy porózus anyag tartja vissza az adszorberben ). És őszintén szólva, nem nagyon irányítható - csak két gomb van a távirányítón. De mindenesetre kár, hogy ez csak egy rádióvezérlésű játék, ami 150 dollárba került. Nem bánnánk, ha egy igazi üzemanyagcellás autót vezetnénk a teljesítményért.
A tank, egy merev burkolatban elasztikus gumitartály, tankoláskor megnyúlik, és üzemanyag-szivattyúként működik, „préseli” a hidrogént az üzemanyagcellába. A tartály „túltöltése” elkerülése érdekében az egyik szerelvény egy műanyag csővel csatlakozik a vészhelyzeti nyomáscsökkentő szelephez.
Benzinkút
Csináld magad
A Horizon H-racer 2.0 gépet készletként szállítjuk nagyméretű összeszereléshez (csináld magad), megvásárolhatod például az Amazonon. Összeszerelése azonban nem nehéz - csak helyezze a helyére az üzemanyagcellát és rögzítse csavarokkal, csatlakoztassa a tömlőket a hidrogéntartályhoz, az üzemanyagcellához, a töltőcsonkhoz és a vészszelephez, és már csak a felső része marad. karosszéria a helyén, nem feledkezve meg az első és a hátsó lökhárítóról sem. A készlet tartalmaz egy töltőállomást, amely víz elektrolízisével hidrogént állít elő. Két AA elemmel működik, ha pedig teljesen „tiszta” energiát akarunk, akkor napelemekkel (ezek is benne vannak a készletben).
www.popmech.ru
Hogyan készítsünk üzemanyagcellát saját kezűleg?
Természetesen a tüzelőanyag-mentes rendszerek folyamatos működésének biztosításának problémájára a legegyszerűbb megoldás egy kész másodlagos energiaforrás beszerzése hidraulikus vagy bármilyen más alapon, de ebben az esetben biztosan nem lehet elkerülni a további kiegészítőket. költségekkel jár, és ebben a folyamatban meglehetősen nehéz bármilyen ötletet figyelembe venni a kreatív gondolatok repülésére. Ezenkívül az üzemanyagcella saját kezű készítése egyáltalán nem olyan nehéz, mint első pillantásra gondolná, és még a legtapasztalatlanabb mesterember is megbirkózik a feladattal, ha kívánja. Ezen túlmenően, több mint kellemes bónusz lesz ennek az elemnek az alacsony költsége, mert minden előnye és jelentősége ellenére teljesen könnyen beérheti a már kéznél lévő eszközöket.
Ebben az esetben az egyetlen árnyalat, amelyet a feladat elvégzése előtt figyelembe kell venni, az az, hogy rendkívül alacsony fogyasztású készüléket készíthet saját kezűleg, és a fejlettebb és összetettebb telepítések kivitelezését továbbra is képzett szakemberekre kell bízni. Ami a munkarendet és a műveletek sorrendjét illeti, az első lépés a test befejezése, amelyhez a legjobb vastag falú plexi (legalább 5 centiméteres) használata. A ház falainak ragasztásához és belső válaszfalak beépítéséhez, amelyhez a legjobb vékonyabb plexi (3 milliméter elegendő), ideális esetben használjon kétkompozit ragasztót, bár ha nagyon akarja, maga is elvégezheti a kiváló minőségű forrasztást, a következő arányokkal: 100 gramm kloroformra - 6 gramm forgács ugyanabból a plexiből.
Ebben az esetben a folyamatot kizárólag burkolat alatt kell végrehajtani. Ahhoz, hogy a házat úgynevezett lefolyórendszerrel felszereljük, óvatosan kell fúrni egy átmenő lyukat az elülső falába, amelynek átmérője pontosan megegyezik a gumidugó méreteivel, amely egyfajta tömítésként szolgál a tokot és az üveg leeresztő csövet. Ami magának a csőnek a méretét illeti, ideális esetben a szélessége öt-hat milliméter legyen, bár minden a tervezett szerkezet típusától függ. Valószínűbb, hogy az üzemanyagcella készítéséhez szükséges elemek listájában felsorolt régi gázálarc némi meglepetést okoz a cikk potenciális olvasói körében. Eközben ennek a készüléknek a teljes előnye a légzésvédő rekeszeiben található aktív szénben rejlik, amely később elektródaként is használható.
Mivel púderes állagról beszélünk, a dizájn javításához nylon harisnyára lesz szükség, amiből könnyedén készíthetsz zacskót és beleteheted a szenet, különben egyszerűen kiborul a lyukból. Ami az elosztási funkciót illeti, az üzemanyag koncentrációja az első kamrában történik, míg az üzemanyagcella normál működéséhez szükséges oxigén éppen ellenkezőleg, az utolsó, ötödik rekeszben kering. Magát az elektrolitot, amely az elektródák között helyezkedik el, speciális oldatba kell áztatni (125-2 milliliter paraffinos benzin), és ezt meg kell tenni, mielőtt a levegő elektrolitot a negyedik rekeszbe helyezné. A megfelelő vezetőképesség biztosítása érdekében a szén tetejére előforrasztott vezetékekkel ellátott rézlemezeket helyeznek, amelyeken keresztül az elektródákról áramot továbbítanak.
Ez a tervezési szakasz biztonságosan tekinthető a végső szakasznak, amely után a kész készüléket feltöltik, amelyhez elektrolitra lesz szükség. Az elkészítéséhez egyenlő arányban össze kell keverni az etil-alkoholt desztillált vízzel, és fokozatosan el kell kezdeni a maró kálium bevezetését pohár folyadékonként 70 grammos arányban. A legyártott készülék első tesztje a plexi ház első (üzemanyag-folyadék) és harmadik (etil-alkoholból és maró káliumból készült elektrolit) tartályának egyidejű feltöltését jelenti.
uznay-kak.ru
Hidrogén üzemanyagcellák | LEVENT
Régóta szerettem volna mesélni az Alfaintek cég másik irányáról. Ez a hidrogén üzemanyagcellák fejlesztése, értékesítése és szervizelése. Azonnal szeretném elmagyarázni az oroszországi üzemanyagcellák helyzetét.
A meglehetősen magas költségek és az üzemanyagcellák töltésére szolgáló hidrogénállomások teljes hiánya miatt Oroszországban nem várható értékesítésük. Ennek ellenére Európában, különösen Finnországban, ezek az üzemanyagcellák évről évre egyre népszerűbbek. mi a titok? Nézzük meg. 
Ez a készülék környezetbarát, könnyen használható és hatékony. Ott jön a segítség az embernek, ahol elektromos energiára van szüksége. Magával viheti útra, kirándulásra, vagy használhatja vidéki házában vagy lakásában autonóm áramforrásként.
Az üzemanyagcellában az elektromosságot a tartályból származó hidrogén fém-hidriddel és a levegő oxigénjével történő kémiai reakciójával állítják elő. A henger nem robbanásveszélyes, és évekig tárolható a szekrényben, a szárnyakban várva. Talán ez az egyik fő előnye ennek a hidrogéntárolási technológiának. A hidrogén tárolása az egyik fő probléma a hidrogénüzemanyag fejlesztésében. Egyedülálló új, könnyű üzemanyagcellák, amelyek biztonságosan, csendesen és károsanyag-kibocsátás nélkül alakítják át a hidrogént hagyományos elektromos árammá.
Ez a fajta áram olyan helyeken használható, ahol nincs központi áram, vagy vészáramforrásként.
A hagyományos akkumulátoroktól eltérően, amelyeket a töltési folyamat során fel kell tölteni és le kell választani az elektromos fogyasztóról, az üzemanyagcella „okos” eszközként működik. Ez a technológia megszakítás nélküli áramellátást biztosít a teljes használati idő alatt, köszönhetően az üzemanyagtartály cseréjekor működő egyedülálló energiatakarékos funkciónak, amely lehetővé teszi a felhasználó számára, hogy soha ne kapcsolja ki a fogyasztót. Zárt tokban az üzemanyagcellák több évig tárolhatók anélkül, hogy elveszítenék a hidrogén térfogatát és csökkentenék a teljesítményüket.
Az üzemanyagcellát tudósoknak és kutatóknak, rendfenntartóknak, katasztrófavédelemnek, hajó- és kikötőtulajdonosoknak, valamint bárki másnak tervezték, akinek vészhelyzet esetén megbízható áramforrásra van szüksége. 
Kaphat 12 voltot vagy 220 voltot, és akkor lesz elegendő energiája a tévé, a hifi, a hűtőszekrény, a kávéfőző, a vízforraló, a porszívó, a fúró, a mikrotűzhely és egyéb elektromos készülékek működtetésére.
A hidrocellás üzemanyagcellák egy egységben vagy 2-4 cellás akkumulátorokban is értékesíthetők. Két vagy négy elem kombinálható a teljesítmény vagy az áramerősség növelése érdekében. 
ÜZEMANYAGCELLÁS HÁZTARTÁSI KÉSZÜLÉKEK ÜZEMIDŐJE
| Elektromos készülékek | Napi üzemidő (perc) | Kívánt napi teljesítmény (Wh) | Üzemidő üzemanyagcellákkal |
|||
| Elektromos vízforraló | ||||||
| Kávéfőző | ||||||
| Microslab | ||||||
| tévé | ||||||
| 1db 60W izzó | ||||||
| 1db 75W izzó | ||||||
| 3db 60W izzó | ||||||
| Számítógépes laptop | ||||||
| Hűtő | ||||||
| Energiatakarékos lámpa | ||||||
* - folyamatos működés
Az üzemanyagcellákat speciális hidrogénállomásokon töltik fel teljesen. De mi van akkor, ha messze utazik tőlük, és nincs mód a feltöltődésre? Az Alfaintek szakemberei különösen ilyen esetekre fejlesztettek ki hidrogén tárolására szolgáló hengereket, amelyekkel az üzemanyagcellák sokkal tovább működnek.
Kétféle henger kapható: NS-MN200 és NS-MN1200 Az összeszerelt NS-MN200 valamivel nagyobb, mint egy Coca-Cola doboz, 230 liter hidrogén fér el benne, ami 40Ah-nak (12V) felel meg, súlya mindössze 2,5 kg .Az NS-MH1200 fémhidrid henger 1200 liter hidrogént tartalmaz, ami 220Ah-nak (12V) felel meg. A henger tömege 11 kg.
A fém-hidrid technika biztonságos és egyszerű módja a hidrogén tárolásának, szállításának és felhasználásának. Fém-hidridként tárolva a hidrogén kémiai vegyület, nem pedig gáz halmazállapotú formában van. Ez a módszer lehetővé teszi kellően nagy energiasűrűség elérését. A fémhidrid alkalmazásának előnye, hogy a henger belsejében a nyomás mindössze 2-4 bar A palack nem robbanásveszélyes, évekig tárolható az anyag térfogatának csökkentése nélkül. Mivel a hidrogént fém-hidridként tárolják, a hengerből nyert hidrogén tisztasága nagyon magas, 99,999%. A fém-hidrid hidrogéntároló hengerek nem csak a HC 100 200 400 üzemanyagcellákkal használhatók, hanem más esetekben is, ahol tiszta hidrogénre van szükség. A hengerek könnyen csatlakoztathatók üzemanyagcellához vagy más eszközhöz egy gyorscsatlakozó és rugalmas tömlő segítségével.
Kár, hogy ezeket az üzemanyagcellákat nem értékesítik Oroszországban. De lakosságunk között nagyon sok ember van, akinek szüksége van rájuk. Nos, kivárjuk, és meglátod, lesz belőle valami. Addig is vásárolunk az állam által kiszabott energiatakarékos izzókat.
P.S. Úgy tűnik, a téma végleg a feledés homályába merült. Sok évvel a cikk megírása után semmi sem lett belőle. Persze lehet, hogy nem keresek mindenhol, de ami megakad, az egyáltalán nem kellemes. A technológia és az ötlet jó, de még nem találtak fejlesztést.
lavent.ru
Az üzemanyagcella egy jövő, amely ma kezdődik!
A 21. század eleje az ökológiát az egyik legfontosabb globális kihívásnak tekinti. És az első dolog, amire a jelenlegi körülmények között oda kell figyelni, az alternatív energiaforrások felkutatása és felhasználása. Ők azok, akik képesek megakadályozni környezetünk szennyezését, valamint teljesen lemondani a szénhidrogén alapú üzemanyagok folyamatosan emelkedő áráról.
Már ma is alkalmazásra találtak olyan energiaforrások, mint a napelemek és a szélturbinák. De sajnos hátrányuk az időjárástól, valamint az évszaktól és a napszaktól való függéshez kapcsolódik. Emiatt az űrhajózásban, a repülőgépiparban és az autóiparban történő alkalmazásukat fokozatosan felhagyják, helyhez kötött használatra másodlagos áramforrásokkal - akkumulátorokkal - szerelik fel.
A legjobb megoldás azonban az üzemanyagcella, mivel nem igényel folyamatos energia-utántöltést. Ez egy olyan eszköz, amely képes különféle típusú üzemanyagokat (benzin, alkohol, hidrogén stb.) közvetlenül elektromos energiává feldolgozni és átalakítani.
Az üzemanyagcella a következő elven működik: az üzemanyagot kívülről táplálják, amelyet oxigén oxidál, és a felszabaduló energiát elektromos árammá alakítják. Ez a működési elv szinte örökké tartó működést biztosít.
A 19. század vége óta a tudósok magát az üzemanyagcellát tanulmányozták, és folyamatosan fejlesztették ki annak új módosításait. Tehát ma, az üzemi körülményektől függően, léteznek lúgos vagy lúgos (AFC), direkt bórhidrát (DBFC), elektrogalvanikus (EGFC), közvetlen metanol (DMFC), cink-levegő (ZAFC), mikrobiális (MFC) modellek. hangyasav (DFAFC) és fém-hidridek (MHFC) alapúak is ismertek.
Az egyik legígéretesebb a hidrogén üzemanyagcella. A hidrogén erőművekben történő felhasználása jelentős energiafelszabadulással jár, az ilyen berendezés kipufogógáza pedig tiszta vízgőz vagy ivóvíz, amely semmilyen veszélyt nem jelent a környezetre.
Az ilyen típusú üzemanyagcellák sikeres tesztelése űrhajókon az utóbbi időben jelentős érdeklődést váltott ki az elektronikai és különféle berendezések gyártói körében. Így a PolyFuel cég egy miniatűr hidrogén üzemanyagcellát mutatott be laptopokhoz. De egy ilyen eszköz túl magas költsége és az akadálytalan tankolás nehézségei korlátozzák ipari gyártását és széles körű elterjedését. A Honda szintén több mint 10 éve gyárt autóipari üzemanyagcellákat. Ezt a fuvarozási módot azonban nem árusítják, hanem csak a céges alkalmazottak hivatalos használatára. Az autók mérnökök felügyelete alatt állnak.
Sokan kíváncsiak, hogy lehet-e saját kezűleg összeszerelni egy üzemanyagcellát. Hiszen egy házi készítésű készülék jelentős előnye egy kisebb befektetés lesz, szemben az ipari modellel. A miniatűr modellhez 30 cm-es platina bevonatú nikkelhuzalra, egy kis darab műanyagra vagy fára, egy 9 voltos akkumulátorkapocsra és magára az akkumulátorra, átlátszó ragasztószalagra, egy pohár vízre és egy voltmérőre lesz szüksége. Egy ilyen eszköz lehetővé teszi, hogy lássa és megértse a munka lényegét, de természetesen nem lehet villamos energiát termelni az autó számára.
fb.ru
Hidrogén üzemanyagcellák: egy kis történelem | Hidrogén
Napjainkban különösen akut probléma a hagyományos energiaforrások hiánya és a bolygó ökológiájának egészének leromlása a használatuk miatt. Éppen ezért az utóbbi időben jelentős pénzügyi és szellemi erőforrásokat fordítottak a szénhidrogén üzemanyagok potenciálisan ígéretes helyettesítőinek kifejlesztésére. A hidrogén a közeljövőben ilyen helyettesítővé válhat, hiszen erőművi felhasználása nagy mennyiségű energia felszabadulásával jár, a kipufogógáz pedig vízgőz, vagyis nem jelent veszélyt a környezetre.
A hidrogén alapú üzemanyagcellák megvalósítása során még mindig fennálló technikai nehézségek ellenére sok autógyártó értékelte a technológia ígéretét, és már aktívan fejleszti a hidrogént fő üzemanyagként felhasználni képes sorozatgyártású autók prototípusait. Kétezertizenegyben a Daimler AG konceptuális Mercedes-Benz modelleket mutatott be hidrogénerőművekkel. Ráadásul a koreai Hyndayi cég hivatalosan is bejelentette, hogy a továbbiakban nem szándékozik elektromos autókat fejleszteni, hanem minden erejét egy megfizethető hidrogénautó fejlesztésére összpontosítja.
Annak ellenére, hogy a hidrogén üzemanyagként való felhasználásának gondolata sokak számára nem vad, a legtöbbnek fogalma sincs, hogyan működnek a hidrogént használó üzemanyagcellák, és mi olyan figyelemre méltó bennük.
A technológia fontosságának megértéséhez javasoljuk, hogy tekintsük át a hidrogén üzemanyagcellák történetét.
Az első személy, aki leírta a hidrogén üzemanyagcellában való felhasználásának lehetőségét, egy német, Christian Friedrich volt. Még 1838-ban publikálta munkáját egy akkori híres tudományos folyóiratban.
A következő évben egy működőképes hidrogén-akkumulátor prototípusát készítette el egy uhlsi bíró, Sir William Robert Grove. A készülék teljesítménye azonban még az akkori mércével is kicsi volt, így praktikus felhasználása szóba sem jöhetett.
Ami az „üzemanyagcella” kifejezést illeti, a létezését Ludwig Mond és Charles Langer tudósoknak köszönheti, akik 1889-ben megpróbáltak létrehozni egy levegővel és kokszolókemence-gázzal működő üzemanyagcellát. Más források szerint a kifejezést először William White Jaques használta, aki először döntött úgy, hogy foszforsavat használ elektrolitban.
Az 1920-as években számos tanulmányt végeztek Németországban, amelyek eredményeképpen felfedezték a szilárd oxidos tüzelőanyag-cellákat és a karbonátciklus felhasználásának módjait. Figyelemre méltó, hogy ezeket a technológiákat korunkban hatékonyan használják.
1932-ben Francis T Bacon mérnök elkezdett dolgozni a hidrogén alapú üzemanyagcellák közvetlen kutatásán. Előtte a tudósok egy bevált sémát használtak - porózus platinaelektródákat helyeztek kénsavba. Egy ilyen rendszer nyilvánvaló hátránya mindenekelőtt a platina használata miatti indokolatlanul magas költségekben rejlik. Ezenkívül a maró kénsav használata veszélyt jelentett a kutatók egészségére, sőt néha életére is. Bacon úgy döntött, hogy optimalizálja az áramkört, és a platinát nikkelre cserélte, elektrolitként pedig lúgos készítményt használt.
A technológiája fejlesztése érdekében végzett eredményes munkának köszönhetően Bacon már 1959-ben bemutatta a nagyközönségnek eredeti hidrogén üzemanyagcelláját, amely 5 kW-ot termelt, és egy hegesztőgépet is meg tudott hajtani. A bemutatott készüléket „Bacon Cell”-nek nevezte.
Ugyanezen év októberében egy egyedülálló traktort hoztak létre, amely hidrogénnel üzemelt és húsz lóerőt termelt.
A huszadik század hatvanas éveiben az amerikai General Electric cég kidolgozta a Bacon által kidolgozott sémát, és alkalmazta az Apollo és NASA Gemini űrprogramjában. A NASA szakértői arra a következtetésre jutottak, hogy az atomreaktor használata túl drága, technikailag nehéz és nem biztonságos. Emellett le kellett mondanunk az akkumulátorok napelemekkel való együttes használatáról azok nagy méretei miatt. A probléma megoldását a hidrogén üzemanyagcellák jelentették, amelyek képesek az űrrepülőgépet energiával, legénységét pedig tiszta vízzel ellátni.
Az első hidrogént üzemanyagként használó buszt 1993-ban építették. A hidrogén üzemanyagcellás személygépkocsik prototípusait pedig már 1997-ben bemutatták olyan globális autómárkák, mint a Toyota és a Daimler Benz.
Kicsit furcsa, hogy egy ígéretes, környezetbarát üzemanyag, amelyet tizenöt éve autóban árultak, még nem terjedt el. Ennek sok oka van, a főbbek talán a politikai és a megfelelő infrastruktúra kialakításának igénye. Bízzunk benne, hogy a hidrogén továbbra is megszólal, és az elektromos autók jelentős versenytársa lesz.(odnaknopka)
energycraft.org
Létrehozva 2012.07.14. 20:44 Szerző: Alexey NorkinAnyagi társadalmunk energia nélkül nem csak fejlődni, de egyáltalán nem is létezik. Honnan jön az energia? Egészen a közelmúltig csak egy módon szerezték meg az emberek: harcoltunk a természettel, a megszerzett trófeákat először otthoni tűzhelyek, majd gőzmozdonyok és nagy teljesítményű hőerőművek kemencéiben égettük el.
A modern átlagember által fogyasztott kilowattórákon nincs olyan felirat, amely azt jelezné, hogy a természet hány évig dolgozott azon, hogy a civilizált ember élvezhesse a technológia előnyeit, és hány évig kell még dolgoznia, hogy elsimítsa a károkat. őt egy olyan civilizáció. A társadalomban azonban egyre jobban megértik, hogy az illuzórikus idill előbb-utóbb véget ér. Az emberek egyre gyakrabban találnak ki módokat arra, hogy szükségleteik kielégítésére energiát biztosítsanak a természet minimális károsítása mellett.
A hidrogén üzemanyagcellák a tiszta energia Szent Grálja. Feldolgozzák a hidrogént, a periódusos rendszer egyik gyakori elemét, és csak vizet bocsátanak ki, a bolygó leggyakoribb anyagát. A rózsás képet rontja, hogy az emberek nem jutnak hozzá a hidrogénhez mint anyaghoz. Sok van belőle, de csak kötött állapotban, kitermelése sokkal nehezebb, mint olajat kiszivattyúzni a mélyből, vagy szenet kiásni.
A hidrogén tiszta és környezetbarát előállításának egyik lehetősége a mikrobiális üzemanyagcellák (MTB), amelyek mikroorganizmusok segítségével bontják le a vizet oxigénre és hidrogénre. Itt sem minden zökkenőmentes. A mikrobák kiváló munkát végeznek a tiszta üzemanyag előállításában, de a gyakorlatban megkövetelt hatékonyság eléréséhez az MTB-nek olyan katalizátorra van szüksége, amely felgyorsítja a folyamat egyik kémiai reakcióját.
Ez a katalizátor a nemesfém platina, melynek költsége gazdaságilag indokolatlan és gyakorlatilag lehetetlenné teszi az MTB használatát.
A Wisconsin-Milwaukee Egyetem tudósai megtalálták a drága katalizátor helyettesítőjét. A platina helyett szén, nitrogén és vas kombinációjából készült olcsó nanorudak használatát javasolták. Az új katalizátor a felületi rétegbe nitrogént tartalmazó grafitrudakból és vaskarbid magokból áll. Az új termék három hónapos tesztelése során a katalizátor jobb képességeket mutatott, mint a platina. A nanorudak működése stabilabbnak és szabályozhatóbbnak bizonyult.
És ami a legfontosabb, az egyetemi tudósok agyszüleménye sokkal olcsóbb. Így a platina katalizátorok ára megközelítőleg az MTB költségének 60%-a, míg a nanorudak ára a jelenlegi áruk 5%-án belül van.
A katalitikus nanorudak megalkotója, Junhong Chen professzor szerint: „Az üzemanyagcellák közvetlenül elektromos árammá alakíthatják át az üzemanyagot. Együtt a megújuló forrásokból előállított elektromos energia tiszta, hatékony és fenntartható módon szállítható oda, ahol szükség van rá.”
Chen professzor és kutatócsoportja jelenleg a katalizátor pontos jellemzőit tanulmányozza. Céljuk, hogy találmányukat gyakorlati fókuszba helyezzék, tömeggyártásra és felhasználásra alkalmassá tegyék.
Gizmag anyagai alapján
www.facepla.net
Hidrogén üzemanyagcellák és energiarendszerek
Hamarosan valósággá válhat a vízhajtású autó, és sok otthonba hidrogénes üzemanyagcellákat szerelnek...
A hidrogén üzemanyagcellás technológia nem új keletű. 1776-ban kezdődött, amikor Henry Cavendish először fedezte fel a hidrogént, miközben fémeket oldott fel híg savakban. Az első hidrogén üzemanyagcellát már 1839-ben William Grove találta fel. Azóta a hidrogén-üzemanyagcellákat fokozatosan fejlesztették, és mára űrsiklókban szerelik fel, energiával látják el őket, és vízforrásként szolgálnak. Napjainkban a hidrogén üzemanyagcellás technológia a tömegpiacra való eljutás küszöbén áll, az autókban, otthonokban és hordozható eszközökben.
A hidrogén üzemanyagcellában a kémiai energia (hidrogén és oxigén formájában) közvetlenül (égés nélkül) elektromos energiává alakul. Az üzemanyagcella katódból, elektródákból és anódból áll. A hidrogént az anódra táplálják, ahol protonokra és elektronokra választják szét. A protonok és elektronok különböző módon jutnak el a katódhoz. A protonok az elektródán keresztül a katódra haladnak, az elektronok pedig az üzemanyagcellák körül haladva eljutnak a katódra. Ez a mozgás utólag felhasználható elektromos energiát hoz létre. A másik oldalon a hidrogén protonok és elektronok oxigénnel egyesülve vizet képeznek.
Az elektrolizátorok a hidrogén vízből való kinyerésének egyik módja. A folyamat alapvetően az ellenkezője annak, ami a hidrogén üzemanyagcellával történik. Az elektrolizátor egy anódból, egy elektrokémiai cellából és egy katódból áll. Az anódra vizet és feszültséget kapcsolnak, amely a vizet hidrogénre és oxigénre osztja. A hidrogén az elektrokémiai cellán keresztül a katódra jut, az oxigén pedig közvetlenül a katódba kerül. Innen a hidrogén és az oxigén kinyerhető és tárolható. Azokban az időkben, amikor nincs szükség villamosenergia-termelésre, a felhalmozódott gáz eltávolítható a tárolóból, és visszavezethető az üzemanyagcellán.
Ez a rendszer hidrogént használ üzemanyagként, valószínűleg ezért is keringenek sok tévhit a biztonságáról. A Hindenburg robbanása után sokan a tudománytól távol álltak, sőt egyes tudósok is azt hitték, hogy a hidrogén használata nagyon veszélyes. A közelmúltban végzett kutatások azonban kimutatták, hogy ennek a tragédiának az oka az építkezés során felhasznált anyag típusa, nem pedig a belsejébe szivattyúzott hidrogén. A hidrogéntárolás biztonságosságának tesztelése után kiderült, hogy a hidrogént az üzemanyagcellákban tárolni biztonságosabb, mint a benzint az autó üzemanyagtartályában.
Mennyibe kerülnek a modern hidrogén üzemanyagcellák? A vállalatok jelenleg olyan hidrogénüzemanyag-rendszereket kínálnak, amelyek kilowattonként körülbelül 3000 dollárért termelnek energiát. A marketingkutatások megállapították, hogy amikor a költség kilowattonként 1500 dollárra csökken, a tömeges energiapiac fogyasztói készen állnak arra, hogy átálljanak erre az üzemanyagtípusra.
A hidrogénüzemanyagcellás járművek még mindig drágábbak, mint a belső égésű motoros járművek, de a gyártók azt vizsgálják, hogyan lehetne az árat hasonló szintre emelni. Egyes távoli területeken, ahol nincsenek elektromos vezetékek, a hidrogén tüzelőanyagként való felhasználása vagy az otthon önálló energiaellátása jelenleg gazdaságosabb lehet, mint például a hagyományos energiaforrások infrastruktúrájának kiépítése.
Miért nem használják még mindig széles körben a hidrogén üzemanyagcellákat? Jelenleg ezek magas költsége jelenti a fő problémát a hidrogén üzemanyagcellák elterjedésében. A hidrogénüzemanyag-rendszereknek jelenleg egyszerűen nincs tömegigénye. A tudomány azonban nem áll meg, és a közeljövőben egy vízen futó autó valósággá válhat.
www.tesla-tehnika.biz
A tudás ökológiája. Tudomány és technológia: A mobil elektronika évről évre fejlődik, egyre szélesebb körben elterjedt és elérhetővé válik: PDA-k, laptopok, mobil és digitális eszközök, képkeretek stb. Ezeket folyamatosan feltöltik
DIY üzemanyagcellás otthon
A mobil elektronika évről évre fejlődik, egyre elterjedtebb és elérhetőbb: PDA-k, laptopok, mobil és digitális eszközök, képkeretek stb. Mindegyik folyamatosan frissül új funkciókkal, nagyobb monitorokkal, vezeték nélküli kommunikációval, erősebb processzorokkal, miközben méretük csökken. . A félvezető technológiával ellentétben az energiatechnológiák nem fejlődnek ugrásszerűen.
A meglévő elemek és akkumulátorok az ipar vívmányainak ellátására egyre elégtelenné válnak, ezért az alternatív források kérdése nagyon akut. Az üzemanyagcellák messze a legígéretesebb terület. Működésük elvét még 1839-ben William Grove fedezte fel, aki a víz elektrolízisének megváltoztatásával áramot termelt.
Mik azok az üzemanyagcellák?
Videó: Dokumentumfilm, üzemanyagcellák a közlekedéshez: múlt, jelen, jövő
Az üzemanyagcellák érdeklik az autógyártókat, és az űrhajótervezők is érdeklődnek irántuk. 1965-ben még Amerika is tesztelte őket az űrbe indított Gemini 5 űrszondán, majd később az Apollon. Még ma is dollármilliókat fektetnek be az üzemanyagcella-kutatásba, amikor problémák merülnek fel a környezetszennyezéssel és a fosszilis tüzelőanyagok elégetése során keletkező üvegházhatású gázok növekvő kibocsátásával, amelyek készletei szintén nem végtelenek.
Az üzemanyagcella, amelyet gyakran elektrokémiai generátornak neveznek, az alábbiakban leírt módon működik.
Az akkumulátorokhoz és az elemekhez hasonlóan galvanikus elem, de azzal a különbséggel, hogy a hatóanyagokat külön tárolják. Használat közben az elektródákhoz kerülnek. A negatív elektródán megég a természetes tüzelőanyag vagy bármely abból nyert anyag, amely lehet gáznemű (például hidrogén és szén-monoxid) vagy folyékony, például alkoholok. Az oxigén általában a pozitív elektródán reagál.
De az egyszerűnek tűnő működési elvet nem könnyű átültetni a valóságba.
DIY üzemanyagcella
Sajnos nincs fényképünk arról, hogy hogyan nézzen ki ez a tüzelőanyag, az Ön fantáziájára hagyatkozunk.
Kis teljesítményű üzemanyagcellát saját kezűleg készíthet akár iskolai laboratóriumban is. Fel kell raknia egy régi gázálarcot, több darab plexiüveget, lúgot és vizes etil-alkohol-oldatot (egyszerűbben vodkát), amely az üzemanyagcella „üzemanyagaként” szolgál.
Először is szüksége van egy házra az üzemanyagcella számára, amely legjobban legalább öt milliméter vastag plexiből készül. A belső válaszfalak (belül öt rekesz van) egy kicsit vékonyabbak lehetnek - 3 cm. A plexi ragasztásához a következő összetételű ragasztót használjuk: hat gramm plexi forgácsot feloldunk száz gramm kloroformban vagy diklór-etánban (a munka megtörtént motorháztető alatt).
Most egy lyukat kell fúrni a külső falba, amelybe gumidugón keresztül 5-6 centiméter átmérőjű üveg lefolyócsövet kell behelyezni.
Mindenki tudja, hogy a periódusos rendszerben a legaktívabb fémek a bal alsó sarokban találhatók, az erősen aktív metalloidok pedig a táblázat jobb felső sarkában, azaz. az elektronok adományozási képessége felülről lefelé és jobbról balra nő. Azok az elemek, amelyek bizonyos körülmények között fémként vagy metalloidként jelenhetnek meg, a táblázat közepén helyezkednek el.
Most aktív szenet öntünk a gázálarcból a második és a negyedik rekeszbe (az első válaszfal és a második, valamint a harmadik és negyedik rekesz közé), amelyek elektródaként működnek. Hogy a szén ne folyjon ki a lyukakon keresztül, nejlonszövetbe helyezheti (a női nylon harisnya megfelelő).
Az üzemanyag az első kamrában kering, az ötödikben pedig oxigénszállítónak kell lennie - levegőnek. Az elektródák között elektrolit lesz, és annak megakadályozása érdekében, hogy az ne szivárogjon be a légkamrába, be kell áztatnia benzines paraffin oldattal (2 gramm paraffin és fél pohár benzin aránya) a betöltés előtt. a negyedik kamra szénnel a levegő elektrolit számára. A szénrétegre (enyhén megnyomva) rézlemezeket kell elhelyezni, amelyekhez a vezetékeket forrasztják. Rajtuk keresztül az áram el lesz terelve az elektródákról.
Már csak az elem feltöltése van hátra. Ehhez vodkára van szüksége, amelyet vízzel 1: 1 arányban kell hígítani. Ezután óvatosan adjunk hozzá háromszáz-háromszázötven gramm maró káliumot. Az elektrolithoz 70 gramm kálium-hidroxidot kell feloldani 200 gramm vízben.
Az üzemanyagcella készen áll a tesztelésre. Most egyszerre kell üzemanyagot önteni az első kamrába, és elektrolitot a harmadikba. Az elektródákhoz csatlakoztatott voltmérőnek 07 V és 0,9 V között kell mutatnia. Az elem folyamatos működése érdekében el kell távolítani a kiégett fűtőelemeket (üvegbe kell üríteni), és új üzemanyagot kell hozzáadni (gumi csövön keresztül). Az előtolási sebesség a cső összenyomásával állítható be. Így néz ki laboratóriumi körülmények között egy üzemanyagcella működése, amelynek teljesítménye érthetően csekély.
A nagyobb teljesítmény biztosítása érdekében a tudósok már régóta dolgoznak ezen a problémán. A fejlesztésben lévő aktív acélban metanol és etanol üzemanyagcellák találhatók. De sajnos még nem ültették át a gyakorlatba.
Miért választották az üzemanyagcellát alternatív energiaforrásként?
Alternatív energiaforrásként üzemanyagcellát választottak, mivel abban a hidrogén égésének végterméke víz. Az egyetlen probléma az, hogy olcsó és hatékony módszert találjunk a hidrogén előállítására. A hidrogéngenerátorok és üzemanyagcellák fejlesztésébe fektetett hatalmas pénzeszközök nem hoznak gyümölcsöt, így a technológiai áttörés és a mindennapi életben való valós felhasználásuk csak idő kérdése.
Az autóipar szörnyei: a General Motors, a Honda, a Draimler Coyler, a Ballard már ma is demonstrálnak olyan üzemanyagcellákkal működő buszokat és autókat, amelyek teljesítménye eléri az 50 kW-ot. De a biztonságukkal, megbízhatóságukkal és költségükkel kapcsolatos problémák még nem oldódtak meg. Mint már említettük, a hagyományos áramforrásokkal - akkumulátorokkal és akkumulátorokkal ellentétben - ebben az esetben az oxidálószert és az üzemanyagot kívülről táplálják, és az üzemanyagcella csak közvetítő az üzemanyag elégetésének és a felszabaduló energia elektromos árammá alakításának folyamatában. „Égés” csak akkor következik be, ha az elem árammal látja el a terhelést, mint egy dízel elektromos generátor, de generátor és dízelmotor nélkül, valamint zaj, füst és túlmelegedés nélkül. Ugyanakkor a hatékonyság sokkal magasabb, mivel nincsenek köztes mechanizmusok.
Nagy reményeket fűznek a nanotechnológia és a nanoanyagok használatához, amelyek elősegítik az üzemanyagcellák miniatürizálását, miközben növelik teljesítményüket. Beszámoltak arról, hogy rendkívül hatékony katalizátorokat hoztak létre, valamint olyan üzemanyagcellákat, amelyek nem rendelkeznek membránnal. Ezekben az üzemanyagot (például metánt) az oxidálószerrel együtt szállítják az elemhez. Az érdekes megoldások oxidálószerként a levegőben oldott oxigént, üzemanyagként pedig a szennyezett vizekben felhalmozódó szerves szennyeződéseket használják fel. Ezek úgynevezett bioüzemanyag elemek.
Az üzemanyagcellák a szakértők szerint a következő években megjelenhetnek a tömegpiacon. közzétett
Csatlakozz hozzánk
Leírás:
Ez a cikk részletesebben megvizsgálja ezek kialakítását, osztályozását, előnyeit és hátrányait, alkalmazási körét, hatékonyságát, létrehozásának történetét és a modern felhasználási lehetőségeket.
Üzemanyagcellák használata épületek energiaellátására
1. rész
Ez a cikk részletesebben megvizsgálja az üzemanyagcellák működési elvét, kialakításukat, osztályozásukat, előnyeit és hátrányait, alkalmazási körét, hatékonyságát, a keletkezés történetét és a modern felhasználási lehetőségeket. A cikk második részében, amely az ABOK magazin következő számában jelenik meg, példákat mutat be olyan létesítményekre, ahol különféle típusú üzemanyagcellákat használtak hő- és áramforrásként (vagy csak áramellátásként).
A víz akár mindkét irányban tárolható sűrített és cseppfolyósított formában is, de ez is latyak, mindkettőt jelentős műszaki problémák okozzák. Ennek oka a magas nyomás és a cseppfolyósodás miatti rendkívül alacsony hőmérséklet. Emiatt például a víz-üzemanyag-adagoló állványt a megszokottól eltérően kell kialakítani, a töltővezeték vége összeköti a robotkart az autón lévő szeleppel. A bekötés és a kitöltés meglehetősen veszélyes, ezért a legjobb, ha emberi jelenlét nélkül történik.
Bevezetés
Az üzemanyagcellák nagyon hatékony, megbízható, tartós és környezetbarát módja az energiatermelésnek.
A kezdetben csak az űriparban használt üzemanyagcellákat ma már egyre szélesebb körben alkalmazzák számos területen – helyhez kötött erőművekként, épületek hő- és tápegységeiként, járműmotorok, laptopok és mobiltelefonok tápegységeiként. Ezen eszközök egy része laboratóriumi prototípus, némelyik gyártás előtti tesztelés alatt áll, vagy demonstrációs célokra használják, de sok modellt tömeggyártásban és kereskedelmi projektekben használnak.
Egy ilyen eszköz próbaüzemben van a müncheni repülőtéren, próbáljon meg itt vezetni egyéni autókkal és buszokkal. A nagy kilóméter futás menő, de a gyakorlatban ugyanolyan fontos, hogy hány kilogrammba kerül, és mennyi helyet foglal el az autóban egy erős, szigetelt üzemanyagtartály. Néhány egyéb probléma a vízzel: - komplex légfürdő létrehozása - probléma a garázsokkal, autójavító műhelyekkel stb. - a kis molekulának köszönhetően, amely minden szűk keresztmetszeten, csavaron és szelepen áthatol - a tömörítés és a cseppfolyósítás jelentős energiaráfordítást igényel.
Az üzemanyagcella (elektrokémiai generátor) olyan berendezés, amely az üzemanyag (hidrogén) kémiai energiáját közvetlenül elektrokémiai reakcióval elektromos energiává alakítja, ellentétben a hagyományos, szilárd, folyékony és gáznemű tüzelőanyagok elégetését alkalmazó technológiákkal. Az üzemanyag közvetlen elektrokémiai átalakítása környezetvédelmi szempontból nagyon hatékony és vonzó, mivel az üzemeltetési folyamat minimális mennyiségű szennyezőanyagot termel, és nincs erős zaj vagy rezgés.
A speciális nyomások, a kompresszió és a szükséges biztonsági intézkedések összessége nagyon jó értékkel bír a vízvégi értékelésben, összehasonlítva a folyékony szénhidrogén üzemanyagokkal, amelyeket könnyű, nyomásmentes tartályokkal állítanak elő. Ezért talán nagyon sürgető körülmények is hozzájárulhatnak igazán hízelgő öröméhez.
A közeljövőben az autógyártók továbbra is keresik az olcsóbb és viszonylag kevésbé veszélyes folyékony üzemanyagokat. A forró olvadék lehet metanol, amely viszonylag könnyen extrahálható. Fő és egyetlen problémája a toxicitás, másrészt a vízhez hasonlóan a metán is felhasználható mind a belső égésű motorokban, mind egy bizonyos típusú üzemanyagláncban. A belső égésű motoroknál is van néhány előnye, többek között a károsanyag-kibocsátás tekintetében.
Gyakorlati szempontból az üzemanyagcella egy hagyományos voltakkumulátorhoz hasonlít. A különbség az, hogy az akkumulátor kezdetben fel van töltve, azaz „üzemanyaggal” van feltöltve. Működés közben az „üzemanyag” elfogy, és az akkumulátor lemerül. Az akkumulátorral ellentétben az üzemanyagcella külső forrásból származó üzemanyagot használ elektromos energia előállítására (1. ábra).
Ebben a tekintetben a víz viszonylag váratlan és mégis képes versenyre emelkedhet. Az üzemanyagcella egy elektrokémiai reakció által generált áramforrás. Az összes ismert akkumulátorunkkal ellentétben folyamatosan fogadja a reagenseket és kisüti a hulladékot, így az akkumulátorral ellentétben gyakorlatilag kimeríthetetlen. Bár sokféle típus létezik, a hidrogén üzemanyagcellák alábbi diagramja segít megérteni, hogyan működik.
Az üzemanyag a pozitív elektródához kerül, ahol oxidálódik. Az O2 oxigén belép a negatív elektródába, és redukálható.
Még olyan üzemanyagcellát is ki lehetett fejleszteni, amely közvetlenül égetett szenet. Mivel a Lawrence Livermore Laboratórium tudósainak munkája, amelyek a szenet közvetlenül elektromos árammá alakító üzemanyagcellát tesztelhettek, nagyon fontos mérföldkő lehet az energiafejlesztésben, néhány szónál megállunk. Az 1 mikron méretű szénföldet 750-850 ° C-on olvadt lítium-, nátrium- vagy kálium-karbonáttal keverik össze.
Elektromos energia előállításához nem csak tiszta hidrogén használható, hanem más hidrogéntartalmú nyersanyagok is, például földgáz, ammónia, metanol vagy benzin. A közönséges levegőt oxigénforrásként használják, amely szintén szükséges a reakcióhoz.
Tiszta hidrogén tüzelőanyagként történő felhasználása esetén a reakciótermékek az elektromos energia mellett hő és víz (vagy vízgőz), vagyis a légszennyezést okozó vagy üvegházhatást okozó gázok nem kerülnek ki a légkörbe. Ha hidrogéntartalmú nyersanyagot, például földgázt használnak tüzelőanyagként, más gázok, például szén és nitrogén-oxidok lesznek a reakció melléktermékei, de ezek mennyisége jóval kisebb, mint ugyanannyi természetes anyag elégetésekor. gáz.
Ezután minden a szokásos módon történik a fenti diagram szerint: a levegő oxigénje szénnel reagál szén-dioxiddá, és az energia elektromosság formájában szabadul fel. Bár többféle üzemanyagcellát ismerünk, mindegyik a leírt elv szerint működik. Ez egyfajta szabályozott égés. Ha a hidrogént oxigénnel keverjük, hasadási keveréket kapunk, amely felrobban és víz keletkezik. Az energia hő formájában szabadul fel. A hidrogén üzemanyagcella is hasonló reakciót mutat, a termék szintén víz, de az energia elektromosságként szabadul fel.
Az üzemanyag hidrogén előállítására való kémiai átalakításának folyamatát reformálásnak, a megfelelő eszközt reformernek nevezik.
Az üzemanyagcellák előnyei és hátrányai
Az üzemanyagcellák energiahatékonyabbak, mint a belső égésű motorok, mivel az üzemanyagcellákra nincs termodinamikai energiahatékonysági korlátozás. Az üzemanyagcellák hatásfoka 50%, míg a belső égésű motoroké 12-15%, a gőzturbinás erőművek hatásfoka pedig nem haladja meg a 40%-ot. Hő és víz felhasználásával tovább nő az üzemanyagcellák hatásfoka.
Az üzemanyagcella nagy előnye, hogy üzemanyagból így vagy úgy közvetlenül, köztes hőerőmű nélkül állít elő villamos energiát, így kisebb a károsanyag-kibocsátás és nagyobb a hatásfok. Ez eléri a 70%-ot, míg szabvány szerint a szén 40%-át érjük el elektromos árammá. Miért nem építünk hatalmas üzemanyagcellákat erőművek helyett? Az üzemanyagcella meglehetősen összetett berendezés, amely magas hőmérsékleten működik, így az elektróda anyagokkal és magával az elektrolittal szembeni követelmények magasak.
Ellentétben például a belső égésű motorokkal, az üzemanyagcellák hatásfoka akkor is nagyon magas marad, ha nem teljes teljesítménnyel működnek. Ráadásul az üzemanyagcellák teljesítménye egyszerűen növelhető az egyes egységek hozzáadásával, miközben a hatásfok nem változik, vagyis a nagy telepítések ugyanolyan hatékonyak, mint a kicsik. Ezek a körülmények lehetővé teszik a berendezés összetételének nagyon rugalmas megválasztását az ügyfél kívánságai szerint, és végső soron a berendezés költségeinek csökkenéséhez vezetnek.
Az elektrolitok közé tartoznak például az ioncserélő membránok vagy vezető kerámia anyagok, vagy inkább drága anyagok, vagy foszforsav, nátrium-hidroxid vagy olvadt alkálifém-karbonátok, amelyek nagyon agresszívek a szövetek megváltoztatására. Ez a nehézség volt az, hogy a huszadik századi kezdeti lelkesedés után az üzemanyagcellák az űrprogramon kívül nem voltak jelentősebbek.
Az érdeklődés aztán ismét alábbhagyott, amikor világossá vált, hogy a szélesebb körű felhasználás meghaladja a technológia akkori lehetőségeit. Az elmúlt harminc évben azonban a fejlesztés nem állt meg, új anyagok, koncepciók jelentek meg, prioritásaink is megváltoztak - ma már sokkal nagyobb figyelmet fordítunk a környezet védelmére, mint akkor. Ezért valamiféle reneszánszát éljük az üzemanyagcellák terén, amelyeket számos területen egyre inkább alkalmaznak. 200 ilyen eszköz van a világon. Például tartalék eszközként szolgálnak, ahol a hálózati meghibásodás komoly problémákat okozhat – például kórházakban vagy katonai létesítményekben.
Az üzemanyagcellák fontos előnye a környezetbarátság. Az üzemanyagcellák kibocsátása olyan alacsony, hogy az Egyesült Államok egyes területein működésükhöz nincs szükség a kormányzati levegőminőség-szabályozó hatóságok külön jóváhagyására.
Az üzemanyagcellák közvetlenül az épületbe helyezhetők, csökkentve az energiaszállítás során keletkező veszteségeket, a reakció eredményeként keletkező hő pedig felhasználható az épület hő- vagy melegvízellátására. Az autonóm hő- és villamosenergia-források nagyon előnyösek lehetnek a távoli területeken, illetve a villamos energia hiányával és magas költségével jellemezhető régiókban, ugyanakkor vannak hidrogéntartalmú nyersanyagok (olaj, földgáz) tartalékai.
Nagyon távoli helyeken használják, ahol könnyebb üzemanyagot szállítani, mint a kábelt megfeszíteni. Versenyezni kezdhetnek az erőművekkel is. Ez a világ legerősebb telepített modulja.
Szinte minden nagyobb autógyártó dolgozik üzemanyagcellás elektromos jármű projekten. Sokkal ígéretesebb koncepciónak tűnik, mint egy hagyományos akkumulátoros elektromos autó, mivel nem igényel hosszú töltési időt, és a szükséges infrastruktúra-váltás sem olyan kiterjedt.
Az üzemanyagcellák előnye még az üzemanyag elérhetősége, a megbízhatóság (nincs mozgó alkatrész az üzemanyagcellában), a tartósság és a könnyű kezelhetőség.
Az üzemanyagcellák egyik fő hátránya manapság a viszonylag magas ára, de ez a hátrány hamar kiküszöbölhető - egyre több cég gyárt kereskedelmi forgalomban lévő üzemanyagcella-mintákat, ezeket folyamatosan fejlesztik, és költségük is csökken.
Az üzemanyagcellák növekvő jelentőségét mutatja az is, hogy a Bush-kormányzat a közelmúltban újragondolta az autófejlesztéssel kapcsolatos megközelítését, és a lehető legjobb futásteljesítményű autók fejlesztésére fordított forrásokat most üzemanyagcellás projektekre utalják át. A fejlesztésfinanszírozás nem marad egyszerűen az állam kezében.
Az új hajtáskoncepció természetesen nem korlátozódik a személyautókra, hanem tömegközlekedésben is találkozhatunk vele. Üzemanyagcellás buszok szállítanak utasokat több város utcáin. Az autós meghajtók mellett számos kisebb is van a piacon, mint például meghajtású számítógépek, videokamerák és mobiltelefonok. A képen egy üzemanyagcellát látunk, amely a forgalmi riasztót táplálja.
A leghatékonyabb módja a tiszta hidrogén üzemanyagként való felhasználása, de ehhez speciális infrastruktúra létrehozása szükséges a termeléshez és szállításhoz. Jelenleg minden kereskedelmi terv földgázt és hasonló tüzelőanyagokat használ. A gépjárművek hagyományos benzint is használhatnak, ami lehetővé teszi a meglévő, fejlett benzinkút-hálózat fenntartását. Az ilyen tüzelőanyag használata azonban káros kibocsátáshoz vezet a légkörbe (bár nagyon alacsony), és bonyolítja (és ezért növeli a költségeket) az üzemanyagcellát. A jövőben fontolóra veszik annak lehetőségét, hogy környezetbarát megújuló energiaforrásokkal (például nap- vagy szélenergia) a vizet elektrolízissel hidrogénné és oxigénné bontsák, majd a keletkező tüzelőanyagot üzemanyagcellában alakítsák át. Az ilyen, zárt ciklusban működő kombinált üzemek teljesen környezetbarát, megbízható, tartós és hatékony energiaforrást jelenthetnek.
Említést érdemel az üzemanyagcellák felhasználása a hulladéklerakókban, ahol az áramtermelés mellett a gázkibocsátást is elégethetik, és hozzájárulhatnak a környezet javításához. Jelenleg számos tesztüzem működik, és ezeknek a létesítményeknek a kiterjedt telepítési programját készítik elő az Egyesült Államok 150 teszthelyén. Az üzemanyagcellák egyszerűen hasznos eszközök, és biztos, hogy egyre gyakrabban találkozunk velük.
A vegyészek olyan katalizátort fejlesztettek ki, amely helyettesítheti a drága platinát az üzemanyagcellákban. Ehelyett körülbelül kétszázezer olcsó vasat használ. Az üzemanyagcellák a kémiai energiát elektromos energiává alakítják. A különböző molekulákban lévő elektronok energiája eltérő. Az egyik és a másik molekula közötti energiakülönbség felhasználható energiaforrásként. Csak találjon egy reakciót, amelyben az elektronok magasabbról alacsonyabbra mozognak. Az ilyen reakciók jelentik az élő szervezetek fő energiaforrását.
Az üzemanyagcellák másik jellemzője, hogy a leghatékonyabbak, ha egyszerre használnak elektromos és hőenergiát. Azonban nem minden létesítménynek van lehetősége hőenergia felhasználására. Ha az üzemanyagcellákat csak elektromos energia előállítására használják, akkor a hatásfokuk csökken, bár meghaladja a „hagyományos” berendezések hatékonyságát.
A legismertebb a légzés, amely a cukrokat szén-dioxiddá és vízzé alakítja. A hidrogén üzemanyagcellában a kétatomos hidrogénmolekulák oxigénnel egyesülve vizet képeznek. A hidrogénben és a vízben lévő elektronok közötti energiakülönbséget elektromosság előállítására használják fel. A hidrogéncellákat valószínűleg manapság a leggyakrabban használják autók vezetésére. Hatalmas tágulásuk megakadályozza a kis beakadást is.
Ahhoz, hogy egy energetikailag gazdag reakció lejátszódjon, katalizátorra van szükség. A katalizátorok olyan molekulák, amelyek növelik a reakció bekövetkezésének valószínűségét. Katalizátor nélkül is működhetne, de ritkábban vagy lassabban. A hidrogéncellák értékes platinát használnak katalizátorként.
Az üzemanyagcellák története és modern felhasználása
Az üzemanyagcellák működési elvét 1839-ben fedezték fel. William Robert Grove (1811-1896) angol tudós felfedezte, hogy az elektrolízis folyamata - a víz elektromos áram hatására hidrogénné és oxigénné bomlása - reverzibilis, azaz a hidrogén és az oxigén égés nélkül, de felszabadulással egyesülhet vízmolekulákká. hő és elektromos áram. Grove azt az eszközt, amelyben egy ilyen reakció lehetséges volt, „gázakkumulátornak” nevezte, amely az első üzemanyagcella volt.
Ugyanaz a reakció, amely a hidrogénsejtekben megy végbe, az élő sejtekben is előfordul. Az enzimek viszonylag nagy molekulák, amelyek aminosavakból állnak, amelyek kombinálhatók, mint a Lego kockák. Minden enzimnek van egy úgynevezett aktív helye, ahol a reakció felgyorsul. Az aminosavaktól eltérő molekulák is gyakran jelen vannak az aktív helyen.
A hidrogénsav esetében ez a vas. Morris Bullock, az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának csendes-óceáni laboratóriumának munkatársa által vezetett vegyészcsoport képes volt utánozni a reakciót a hidrogénezési aktív helyen. Mint egy enzim, a hidrogénezés is elegendő a platinához vassal. Másodpercenként 0,66-2 hidrogénmolekulát képes felosztani. A feszültségkülönbség 160 és 220 ezer volt között van. Mindkettő összevethető a hidrogéncellákban használt jelenlegi platina katalizátorokkal. A reakciót szobahőmérsékleten hajtjuk végre.
Az üzemanyagcella-használati technológiák aktív fejlesztése a második világháború után kezdődött, és az űriparhoz kötődik. Ebben az időben egy hatékony és megbízható, ugyanakkor meglehetősen kompakt energiaforrás keresése folyt. Az 1960-as években a NASA (National Aeronautics and Space Administration, NASA) szakemberei az üzemanyagcellákat választották az Apollo (emberes repülések a Holdra), az Apollo-Soyuz, a Gemini és a Skylab űrszondák áramforrásaként. Az Apollo űrszonda három 1,5 kW-os (2,2 kW csúcsteljesítményű) üzemet használt, amelyek kriogén hidrogént és oxigént használtak elektromos áram, hő és víz előállítására. Az egyes berendezések tömege 113 kg volt. Ez a három cella párhuzamosan működött, de az egy egység által termelt energia elegendő volt a biztonságos visszatéréshez. A 18 repülés során az üzemanyagcellák összesen 10 000 órát üzemeltek meghibásodás nélkül. Jelenleg üzemanyagcellákat használnak a Space Shuttle-ben, amely három 12 W-os egységet használ az űrhajó fedélzetén lévő összes elektromos energia előállítására (2. ábra). Az elektrokémiai reakció eredményeként kapott vizet ivóvíznek és hűtőberendezéseknek is használják.
Egy kilogramm vas 0,5 CZK-ba kerül. Ezért a vas 200 ezerszer olcsóbb, mint a platina. A jövőben az üzemanyagcellák olcsóbbak lehetnek. Nem csak a drága platina az egyetlen ok, amiért nem szabad használni őket, legalábbis nem nagy mennyiségben. Kezelése nehéz és veszélyes.
Ha a hidrogénkamrákat ömlesztve használnák autók vezetésére, akkor ugyanazt az infrastruktúrát kellene kiépíteniük, mint a benzinnek és a dízelnek. Emellett rézre van szükség a hidrogénüzemű autókat meghajtó villanymotorok előállításához. Ez azonban nem jelenti azt, hogy az üzemanyagcellák használhatatlanok. Ha van olaj, talán nincs más választásunk, mint hidrogénnel működni.
Hazánkban az űrhajózásban használható üzemanyagcellák létrehozásán is dolgoztak. Például üzemanyagcellákat használtak a szovjet Buran újrafelhasználható űrhajó meghajtására.
Az 1960-as évek közepén kezdődtek meg az üzemanyagcellák kereskedelmi felhasználásának módszerei. Ezeket a fejlesztéseket részben állami szervezetek finanszírozták.
Jelenleg az üzemanyagcellák felhasználási technológiáinak fejlesztése több irányban halad. Ez tüzelőanyagcellás helyhez kötött erőművek (központos és decentralizált energiaellátásra egyaránt), járműerőművek létrehozása (autók és buszok üzemanyagcellás mintái készültek, hazánkban is) (3. ábra), ill. különféle mobil eszközök (laptop számítógépek, mobiltelefonok stb.) tápegységei is (4. ábra).
A táblázatban találhatók példák az üzemanyagcellák különféle területeken történő felhasználására. 1.
Az egyik első kereskedelmi tüzelőanyagcellás modell, amelyet az épületek autonóm hő- és áramellátására terveztek, az ONSI Corporation (ma United Technologies, Inc.) által gyártott PC25 Model A volt. Ez a 200 kW névleges teljesítményű üzemanyagcella foszforsav alapú elektrolitot (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC) tartalmaz. A modellnévben szereplő „25” szám a minta sorozatszámát jelenti. A legtöbb korábbi modell kísérleti vagy tesztegység volt, például az 1970-es években bemutatott 12,5 kW-os „PC11” modell. Az új modellek növelték az egyes üzemanyagcellákból nyert teljesítményt, és csökkentették a megtermelt energia kilowattra eső költségét is. Jelenleg az egyik leghatékonyabb kereskedelmi modell a PC25 Model C üzemanyagcellás. Az A modellhez hasonlóan ez is egy teljesen automatikus, 200 kW-os PAFC üzemanyagcella, amelyet helyszíni telepítésre terveztek önálló hő- és energiaforrásként. Az ilyen üzemanyagcella épületen kívül is felszerelhető. Külsőleg 5,5 m hosszú, 3 m széles és magas, 18 140 kg tömegű paralelepipedon. A különbség a korábbi modellekhez képest a továbbfejlesztett reformer és a nagyobb áramsűrűség.
| Asztal 1 Az üzemanyagcellák alkalmazási területe |
|||||||||||||||
|
Az üzemanyagcellák egyes típusaiban a kémiai folyamat megfordítható: potenciálkülönbséget alkalmazva az elektródákra a víz hidrogénre és oxigénre bontható, amelyek a porózus elektródákon összegyűlnek. Amikor egy terhelést csatlakoztatnak, egy ilyen regeneratív üzemanyagcella elkezd elektromos energiát termelni.
Az üzemanyagcellák felhasználásának ígéretes iránya a megújuló energiaforrásokkal, például fotovoltaikus panelekkel vagy szélerőművekkel való együttes felhasználásuk. Ez a technológia lehetővé teszi számunkra, hogy teljesen elkerüljük a légszennyezést. Hasonló rendszert terveznek létrehozni például az oberlini Adam Joseph Lewis Training Centerben (lásd ABOK, 2002, 5. szám, 10. o.). Jelenleg ebben az épületben napelemeket használnak az egyik energiaforrásként. A NASA szakembereivel közösen kidolgoztak egy projektet a fotovoltaikus panelek felhasználásával, hogy elektrolízissel hidrogént és oxigént állítsanak elő vízből. A hidrogént ezután üzemanyagcellákban használják fel elektromos energia előállítására és. Ez lehetővé teszi, hogy az épület minden rendszer funkcionalitását fenntartsa felhős napokon és éjszaka is.
Az üzemanyagcellák működési elve
Tekintsük az üzemanyagcella működési elvét egy protoncserélő membránnal ellátott egyszerű elem példáján (Proton Exchange Membrane, PEM). Az ilyen cella egy anód (pozitív elektróda) és egy katód (negatív elektróda) közé helyezett polimer membránból, valamint anód- és katódkatalizátorokból áll. A polimer membránt elektrolitként használják. A PEM elem diagramja az ábrán látható. 5.
A protoncserélő membrán (PEM) egy vékony (kb. 2-7 papírlap vastagságú) szilárd szerves vegyület. Ez a membrán elektrolitként működik: az anyagot víz jelenlétében pozitív és negatív töltésű ionokra választja szét.
Az anódon oxidációs folyamat, a katódon redukciós folyamat megy végbe. A PEM cellában található anód és katód porózus anyagból készül, amely szén- és platinarészecskék keveréke. A platina katalizátorként működik, amely elősegíti a disszociációs reakciót. Az anód és a katód porózussá válik, hogy a hidrogén, illetve az oxigén szabadon áthaladhasson rajtuk.
Az anód és a katód két fémlemez közé kerül, amelyek hidrogénnel és oxigénnel látják el az anódot és a katódot, valamint eltávolítják a hőt és a vizet, valamint az elektromos energiát.
A hidrogénmolekulák a lemezben lévő csatornákon át az anódhoz jutnak, ahol a molekulák egyedi atomokra bomlanak (6. ábra).
5. ábra. () Protoncserélő membránnal (PEM cella) ellátott üzemanyagcella vázlata |
|
6. ábra. () A hidrogénmolekulák a lemezen lévő csatornákon keresztül az anódhoz jutnak, ahol a molekulák egyedi atomokra bomlanak. |
|
7. ábra. () A katalizátor jelenlétében végzett kemiszorpció eredményeként a hidrogénatomok protonokká alakulnak |
|
8. ábra. () A pozitív töltésű hidrogénionok a membránon keresztül a katódra diffundálnak, és egy külső elektromos áramkörön keresztül elektronok áramlanak a katódra, amelyhez a terhelés kapcsolódik. |
|
9. ábra. () A katódhoz juttatott oxigén katalizátor jelenlétében kémiai reakcióba lép a protoncserélő membránból származó hidrogénionokkal és a külső elektromos áramkör elektronjaival. Egy kémiai reakció eredményeként víz képződik |
Ezután a katalizátor jelenlétében végzett kemiszorpció eredményeként a hidrogénatomok, amelyek mindegyike egy-egy elektront adnak fel e –, pozitív töltésű H + hidrogénionokká, azaz protonokká alakulnak (7. ábra).
A pozitív töltésű hidrogénionok (protonok) a membránon keresztül a katódra diffundálnak, az elektronok áramlását pedig egy külső elektromos áramkörön keresztül irányítják a katódra, amelyre a terhelés (elektromos energia fogyasztó) csatlakozik (8. ábra).
A katódra juttatott oxigén katalizátor jelenlétében kémiai reakcióba lép a protoncserélő membránból származó hidrogénionokkal (protonokkal), a külső elektromos áramkörből pedig elektronokkal (9. ábra). Egy kémiai reakció eredményeként víz képződik.
A kémiai reakció más típusú üzemanyagcellákban (például savas elektrolittal, amely ortofoszforsav H 3 PO 4 oldatát használja) teljesen azonos a protoncserélő membránnal rendelkező üzemanyagcellában végbemenő kémiai reakcióval.
Bármely üzemanyagcellában a kémiai reakcióból származó energia egy része hőként szabadul fel.
Az elektronok áramlása egy külső áramkörben egyenáram, amelyet munkavégzésre használnak. A külső áramkör kinyitása vagy a hidrogénionok mozgásának leállítása leállítja a kémiai reakciót.
Az üzemanyagcella által termelt elektromos energia mennyisége az üzemanyagcella típusától, geometriai méretétől, hőmérsékletétől, gáznyomásától függ. Egy külön tüzelőanyag-cella 1,16 V-nál kisebb EMF-t biztosít. Az üzemanyagcellák mérete növelhető, de a gyakorlatban több elembe kapcsolt elemet használnak (10. ábra).
Üzemanyagcellás kialakítás
Nézzük meg az üzemanyagcella kialakítását a PC25 Model C példájával. Az üzemanyagcella diagramja az ábrán látható. tizenegy.
A PC25 Model C üzemanyagcella három fő részből áll: az üzemanyag-processzorból, a tényleges energiatermelő részből és a feszültségátalakítóból.
Az üzemanyagcella fő része, az energiatermelő rész egy akkumulátor, amely 256 különálló üzemanyagcellából áll. Az üzemanyagcellás elektródák platina katalizátort tartalmaznak. Ezek a cellák 155 volton 1400 amper állandó elektromos áramot állítanak elő. Az akkumulátor mérete körülbelül 2,9 m hosszú és 0,9 m szélesség és magasság.
Mivel az elektrokémiai folyamat 177 °C hőmérsékleten megy végbe, az akkumulátort indításkor fel kell melegíteni, és működés közben hőt kell eltávolítani belőle. Ennek eléréséhez az üzemanyagcella külön vízkört tartalmaz, az akkumulátor pedig speciális hűtőlemezekkel van felszerelve.
Az üzemanyag-feldolgozó a földgázt hidrogénné alakítja, amely egy elektrokémiai reakcióhoz szükséges. Ezt a folyamatot reformálásnak nevezik. Az üzemanyag-feldolgozó fő eleme a reformer. A reformerben a földgáz (vagy más hidrogéntartalmú tüzelőanyag) magas hőmérsékleten (900 °C) és nagy nyomáson nikkelkatalizátor jelenlétében reagál a vízgőzzel. Ebben az esetben a következő kémiai reakciók lépnek fel:
CH 4 (metán) + H 2 O 3H 2 + CO
(a reakció endoterm, hőelnyeléssel);
CO + H 2 O H 2 + CO 2
(a reakció exoterm, hő szabadul fel).
Az általános reakciót a következő egyenlet fejezi ki:
CH 4 (metán) + 2H 2 O 4H 2 + CO 2
(a reakció endoterm, hőelnyeléssel).
A földgáz átalakításához szükséges magas hőmérséklet biztosítása érdekében az üzemanyagcella-kötegből a kiégett fűtőelemek egy részét egy égőbe irányítják, amely fenntartja a szükséges reformátor hőmérsékletet.
A reformáláshoz szükséges gőz az üzemanyagcella működése során keletkező kondenzátumból keletkezik. Ez az üzemanyagcellák akkumulátorából eltávolított hőt használja fel (12. ábra).
Az üzemanyagcella szakaszos egyenáramot állít elő, amely alacsony feszültség és nagy áram. Feszültségátalakítót használnak az ipari szabványos váltakozóárammá alakítására. Ezenkívül a feszültségátalakító egység különféle vezérlőeszközöket és biztonsági reteszelő áramköröket tartalmaz, amelyek lehetővé teszik az üzemanyagcella kikapcsolását különféle meghibásodások esetén.
Egy ilyen üzemanyagcellában a tüzelőanyag-energia körülbelül 40%-a alakítható át elektromos energiává. Körülbelül ugyanennyi, a tüzelőanyag-energia mintegy 40%-a alakítható át hőenergiává, amit aztán hőforrásként használnak fel fűtésre, melegvízellátásra és hasonló célokra. Így egy ilyen telepítés teljes hatékonysága elérheti a 80%-ot.
Az ilyen hő- és villamosenergia-forrás fontos előnye az automatikus működés lehetősége. A karbantartáshoz az üzemanyagcella felszerelésére szolgáló létesítmény tulajdonosainak nem kell speciálisan képzett személyzetet fenntartaniuk - az időszakos karbantartást az üzemeltető szervezet alkalmazottai is elvégezhetik.
Az üzemanyagcellák típusai
Jelenleg többféle üzemanyagcella ismert, amelyek a felhasznált elektrolit összetételében különböznek egymástól. A következő négy típus a legelterjedtebb (2. táblázat):
1. Protoncserélő membránnal ellátott üzemanyagcellák (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC).
2. Ortofoszforsav alapú üzemanyagcellák (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC).
3. Olvadt karbonát alapú üzemanyagcellák (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).
4. Szilárd oxid üzemanyagcellák (SOFC). Jelenleg a legnagyobb üzemanyagcella-flotta PAFC technológián alapul.
A különböző típusú üzemanyagcellák egyik legfontosabb jellemzője az üzemi hőmérséklet. Sok szempontból a hőmérséklet határozza meg az üzemanyagcellák alkalmazási területét. Például a magas hőmérséklet kritikus a laptopok számára, ezért alacsony üzemi hőmérsékletű protoncserélő membrán üzemanyagcellákat fejlesztenek erre a piaci szegmensre.
Az épületek autonóm energiaellátásához nagy beépített teljesítményű tüzelőanyagcellák szükségesek, ugyanakkor lehetőség van hőenergia felhasználására, így más típusú üzemanyagcellák is használhatók erre a célra.
Protoncserélő membrán üzemanyagcellák (PEMFC)
Ezek az üzemanyagcellák viszonylag alacsony üzemi hőmérsékleten (60-160 °C) működnek. Nagy teljesítménysűrűséggel rendelkeznek, lehetővé teszik a kimeneti teljesítmény gyors beállítását, és gyorsan bekapcsolhatók. Az ilyen típusú elemek hátránya a magas üzemanyag-minőségi követelmények, mivel a szennyezett üzemanyag károsíthatja a membránt. Az ilyen típusú üzemanyagcellák névleges teljesítménye 1-100 kW.
A protoncserélő membrán üzemanyagcellákat eredetileg a General Electric fejlesztette ki az 1960-as években a NASA számára. Az ilyen típusú üzemanyagcellák szilárdtest polimer elektrolitot használnak, amelyet protoncserélő membránnak (PEM) neveznek. A protonok áthaladhatnak a protoncserélő membránon, de az elektronok nem tudnak áthaladni rajta, ami potenciálkülönbséget eredményez a katód és az anód között. Egyszerűségük és megbízhatóságuk miatt az ilyen üzemanyagcellákat energiaforrásként használták az emberes Gemini űrhajókon.
Az ilyen típusú tüzelőanyagcellákat különféle eszközök – köztük prototípusok és prototípusok – energiaforrásaként használják, a mobiltelefonoktól a buszokig és a helyhez kötött energiaellátó rendszerekig. Az alacsony üzemi hőmérséklet lehetővé teszi, hogy az ilyen cellákat különféle típusú összetett elektronikus eszközök táplálására használják. Használatuk kevésbé hatékony hő- és villamosenergia-ellátási forrásként köz- és ipari épületekben, ahol nagy mennyiségű hőenergia szükséges. Ugyanakkor az ilyen elemek ígéretesek autonóm energiaforrásként kis lakóépületek, például meleg éghajlatú régiókban épült nyaralók számára.
| 2. táblázat Az üzemanyagcellák típusai |
||||||||||||||||||||
|
Foszforsavas üzemanyagcellák (PAFC)
Az ilyen típusú üzemanyagcellák tesztelését már az 1970-es évek elején végezték. Működési hőmérséklet tartomány - 150-200 °C. A fő alkalmazási terület a közepes teljesítményű (kb. 200 kW) autonóm hő- és villamosenergia-források.
Ezek az üzemanyagcellák foszforsavas oldatot használnak elektrolitként. Az elektródák szénnel bevont papírból készülnek, amelyben platina katalizátor van diszpergálva.
A PAFC üzemanyagcellák elektromos hatásfoka 37-42%. Mivel azonban ezek az üzemanyagcellák meglehetősen magas hőmérsékleten működnek, lehetséges a működés során keletkező gőz felhasználása. Ebben az esetben a teljes hatékonyság elérheti a 80%-ot.
Az energia előállításához a hidrogéntartalmú nyersanyagot tiszta hidrogénné kell alakítani reformálási eljárással. Például, ha benzint használnak üzemanyagként, el kell távolítani a kéntartalmú vegyületeket, mivel a kén károsíthatja a platina katalizátort.
A PAFC üzemanyagcellák voltak az első olyan kereskedelmi üzemanyagcellák, amelyeket gazdaságosan használtak. A legelterjedtebb modell az ONSI Corporation (ma United Technologies, Inc.) által gyártott 200 kW-os PC25 üzemanyagcella volt (13. ábra). Ezeket az elemeket például hő- és elektromos energiaforrásként használják a New York-i Central Park rendőrőrsén, vagy kiegészítő energiaforrásként a Conde Nast épületben és a Four Times Square-en. A legnagyobb ilyen típusú létesítményt 11 MW-os erőműként tesztelik Japánban.
A foszforsavas üzemanyagcellákat energiaforrásként is használják járművekben. Például 1994-ben a H-Power Corp., a Georgetown Egyetem és az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma egy buszt szerelt fel 50 kW-os erőművel.
Olvadt karbonát üzemanyagcellák (MCFC)
Az ilyen típusú üzemanyagcellák nagyon magas - 600-700 °C - hőmérsékleten működnek. Ezek az üzemi hőmérsékletek lehetővé teszik, hogy az üzemanyag közvetlenül a cellában kerüljön felhasználásra, külön reformer használata nélkül. Ezt a folyamatot „belső reformnak” nevezték. Lehetővé teszi az üzemanyagcella kialakításának jelentős egyszerűsítését.
Az olvadt karbonát alapú üzemanyagcellák jelentős indítási időt igényelnek, és nem teszik lehetővé a kimenő teljesítmény azonnali beállítását, ezért fő alkalmazási területük a nagy, helyhez kötött hő- és elektromos energiaforrások. Azonban magas üzemanyag-átalakítási hatékonyság jellemzi őket – 60%-os elektromos hatásfok és akár 85%-os általános hatásfok.
Az ilyen típusú üzemanyagcellákban az elektrolit körülbelül 650 °C-ra hevített kálium-karbonátból és lítium-karbonát sóból áll. Ilyen körülmények között a sók olvadt állapotban vannak, és elektrolitot képeznek. Az anódon a hidrogén reakcióba lép a CO 3 ionokkal, víz, szén-dioxid és elektronok szabadulnak fel, amelyek a külső áramkörbe kerülnek, a katódon pedig az oxigén kölcsönhatásba lép a külső körből származó szén-dioxiddal és elektronokkal, ismét CO 3 ionokat képezve. .
Az 1950-es évek végén G. H. J. Broers és J. A. A. Ketelaar holland tudósok készítettek laboratóriumi mintákat ilyen típusú üzemanyagcellákból. Az 1960-as években Francis T. Bacon mérnök, a 17. század híres angol írójának és tudósának leszármazottja dolgozott ezekkel a cellákkal, ezért az MCFC üzemanyagcellákat néha Bacon celláknak is nevezik. A NASA Apollo, Apollo-Soyuz és Scylab programjaiban ezeket az üzemanyagcellákat használták energiaellátási forrásként (14. ábra). Ugyanezen években az Egyesült Államok katonai osztálya több mintát tesztelt a Texas Instruments által gyártott MCFC üzemanyagcellákból, amelyekben katonai minőségű benzint használtak üzemanyagként. Az 1970-es évek közepén az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma kutatásba kezdett egy olyan helyhez kötött, olvadt karbonát üzemanyagcella létrehozására, amely alkalmas gyakorlati alkalmazásokra. Az 1990-es években számos 250 kW névleges teljesítményű kereskedelmi létesítményt vezettek be, például a kaliforniai Miramar amerikai haditengerészeti légiállomáson. 1996-ban a FuelCell Energy, Inc. gyártás előtti 2 MW-os erőművet indított a kaliforniai Santa Clarában.
Szilárdtest-oxid üzemanyagcellák (SOFC)
A szilárdtest-oxid tüzelőanyag-cellák egyszerű kialakításúak, és nagyon magas - 700-1000 °C - hőmérsékleten működnek. Az ilyen magas hőmérséklet lehetővé teszi viszonylag „piszkos”, finomítatlan üzemanyag használatát. Az olvadt karbonát alapú üzemanyagcellák jellemzői hasonló alkalmazási területet határoznak meg - nagy, helyhez kötött hő- és elektromos energiaforrások.
A szilárd oxid üzemanyagcellák szerkezetileg különböznek a PAFC és MCFC technológiákon alapuló üzemanyagcelláktól. Az anód, a katód és az elektrolit speciális kerámiából készül. A leggyakrabban használt elektrolit cirkónium-oxid és kalcium-oxid keveréke, de más oxidok is használhatók. Az elektrolit kristályrácsot képez, amely mindkét oldalán porózus elektródaanyaggal van bevonva. Szerkezetileg az ilyen elemek csövek vagy lapos áramköri lapok formájában készülnek, ami lehetővé teszi az elektronikai iparban széles körben használt technológiák alkalmazását a gyártás során. Ennek eredményeként a szilárdtest-oxid tüzelőanyag-cellák nagyon magas hőmérsékleten működhetnek, így elektromos és hőenergia előállítására egyaránt előnyösek.
Magas üzemi hőmérsékleten a katódon oxigénionok képződnek, amelyek a kristályrácson keresztül az anódhoz vándorolnak, ahol kölcsönhatásba lépnek a hidrogénionokkal, vizet képezve és szabad elektronokat szabadítanak fel. Ebben az esetben a hidrogént közvetlenül a cellában választják el a földgáztól, vagyis nincs szükség külön reformátorra.
A szilárdtest-oxid üzemanyagcellák létrehozásának elméleti alapjait az 1930-as évek végén fektették le, amikor Emil Bauer és H. Preis svájci tudósok cirkóniummal, ittriummal, cériummal, lantánnal és volfrámmal kísérleteztek, elektrolitként használva őket.
Az ilyen üzemanyagcellák első prototípusait az 1950-es évek végén számos amerikai és holland cég készítette el. Ezeknek a cégeknek a többsége technológiai nehézségek miatt hamarosan felhagyott a további kutatással, de egyikük, a Westinghouse Electric Corp. (jelenleg Siemens Westinghouse Power Corporation), folytatta a munkát. A cég jelenleg egy cső alakú szilárdtest-oxid üzemanyagcella kereskedelmi modelljére fogad előrendelést, amely várhatóan még ebben az évben elérhető lesz (15. ábra). Az ilyen elemek piaci szegmense a 250 kW-tól 5 MW-ig terjedő kapacitású hő- és villamosenergia-termelés helyhez kötött létesítményei.
A SOFC üzemanyagcellák nagyon nagy megbízhatóságot mutattak. Például a Siemens Westinghouse által gyártott üzemanyagcella prototípusa elérte a 16 600 üzemórát, és továbbra is működik, így ez a világ leghosszabb folyamatos élettartama.
A SOFC üzemanyagcellák magas hőmérsékletű, nagynyomású üzemmódja lehetővé teszi hibrid üzemek létrehozását, amelyekben az üzemanyagcella-kibocsátás elektromos áram előállítására használt gázturbinákat hajt meg. Az első ilyen hibrid telepítés a kaliforniai Irvine-ben működik. Ennek a berendezésnek a névleges teljesítménye 220 kW, ebből 200 kW az üzemanyagcellától és 20 kW a mikroturbinás generátortól.
Benzintank egy galvanikus cellához hasonló elektrokémiai berendezés, de abban különbözik tőle, hogy az elektrokémiai reakcióhoz szükséges anyagokat kívülről juttatják hozzá - ellentétben a galvánelemben vagy akkumulátorban tárolt korlátozott energiamennyiséggel.
Rizs. 1. Néhány üzemanyagcella
Az üzemanyagcellák az üzemanyag kémiai energiáját villamos energiává alakítják át, megkerülve a nagy veszteséggel fellépő nem hatékony égési folyamatokat. A hidrogént és az oxigént kémiai reakcióval elektromossággá alakítják. A folyamat eredményeként víz képződik, és nagy mennyiségű hő szabadul fel. Az üzemanyagcella nagyon hasonlít egy akkumulátorhoz, amelyet fel lehet tölteni, majd felhasználni a tárolt elektromos energiát. Az üzemanyagcella feltalálójának William R. Grove-ot tartják, aki 1839-ben találta fel. Ez az üzemanyagcella kénsavoldatot használt elektrolitként és hidrogént üzemanyagként, amelyet oxidálószerben oxigénnel kombináltak. Egészen a közelmúltig az üzemanyagcellákat csak laboratóriumokban és űrhajókon használták.
Más áramfejlesztőktől eltérően, mint például a belső égésű motorok vagy a gázzal, szénnel, fűtőolajjal stb. működő turbinák, az üzemanyagcellák nem égetnek üzemanyagot. Ez azt jelenti, hogy nincsenek zajos nagynyomású rotorok, nincs hangos kipufogó zaj, nincs vibráció. Az üzemanyagcellák csendes elektrokémiai reakcióval termelnek villamos energiát. Az üzemanyagcellák másik jellemzője, hogy az üzemanyag kémiai energiáját közvetlenül elektromos árammá, hővé és vízzé alakítják.
Az üzemanyagcellák rendkívül hatékonyak, és nem termelnek nagy mennyiségű üvegházhatású gázt, például szén-dioxidot, metánt és dinitrogén-oxidot. Az üzemanyagcellák egyetlen kibocsátása a víz gőz formájában és kis mennyiségű szén-dioxid, amely egyáltalán nem szabadul fel, ha tiszta hidrogént használnak üzemanyagként. Az üzemanyagcellákat szerelvényekké, majd egyedi funkcionális modulokká szerelik össze.
Az üzemanyagcelláknak nincs mozgó alkatrésze (legalábbis magában a cellában nem), ezért nem engedelmeskednek Carnot törvényének. Vagyis 50%-nál nagyobb hatásfokkal rendelkeznek, és különösen alacsony terhelésnél hatékonyak. Így az üzemanyagcellás járművek üzemanyag-hatékonyabbá válhatnak (és már bebizonyosodott, hogy azok) a hagyományos járműveknél a valós vezetési körülmények között.
Az üzemanyagcella állandó feszültségű elektromos áramot állít elő, amely felhasználható az elektromos motor, a világítás és a jármű egyéb elektromos rendszereinek meghajtására.
Az üzemanyagcelláknak többféle típusa létezik, amelyek az alkalmazott kémiai eljárásokban különböznek egymástól. Az üzemanyagcellákat általában az általuk használt elektrolit típusa szerint osztályozzák.
Egyes típusú üzemanyagcellák ígéretesek erőművi meghajtásra, míg mások hordozható eszközökre vagy autók vezetésére.
1. Alkáli üzemanyagcellák (ALFC)
Lúgos üzemanyagcella- Ez az egyik legelső elem, amit kifejlesztettek. Az alkáli üzemanyagcellák (AFC) az egyik legtöbbet tanulmányozott technológia, amelyet a huszadik század 60-as éveinek közepe óta használt a NASA az Apollo és Space Shuttle programban. Ezeken az űrhajókon az üzemanyagcellák elektromos energiát és ivóvizet termelnek.
Az alkáli tüzelőanyagcellák az egyik leghatékonyabb villamosenergia-termelési elem, az energiatermelés hatékonysága eléri a 70%-ot.
Az alkáli tüzelőanyag-cellák elektrolitot, kálium-hidroxid vizes oldatát használnak, amely porózus, stabilizált mátrixban található. A kálium-hidroxid koncentrációja az üzemanyagcella üzemi hőmérsékletétől függően változhat, amely 65°C és 220°C között van. Az SHTE töltéshordozója a hidroxil-ion (OH-), amely a katódról az anódra kerül, ahol hidrogénnel reagál, vizet és elektronokat termelve. Az anódon keletkező víz visszakerül a katódra, és ott ismét hidroxil-ionokat generál. Az üzemanyagcellában lezajló reakciósorozat eredményeként villamos energia és melléktermékként hő keletkezik:
Reakció az anódon: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e
Reakció a katódon: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH
A rendszer általános reakciója: 2H2 + O2 => 2H2O
Az SHTE előnye, hogy ezeket az üzemanyagcellákat a legolcsóbban előállítani, mivel az elektródákon szükséges katalizátor bármely olyan anyag lehet, amely olcsóbb, mint a többi üzemanyagcella katalizátora. Ezenkívül az SHTE-k viszonylag alacsony hőmérsékleten működnek, és a leghatékonyabbak közé tartoznak.
Az SHTE egyik jellemző tulajdonsága a nagy érzékenysége a CO2-ra, amelyet az üzemanyag vagy a levegő tartalmazhat. A CO2 reakcióba lép az elektrolittal, gyorsan megmérgezi, és nagymértékben csökkenti az üzemanyagcella hatékonyságát. Ezért az SHTE használata zárt terekre korlátozódik, például űrhajókra és víz alatti járművekre; tiszta hidrogénnel és oxigénnel működnek.
2. Olvadt karbonát üzemanyagcellák (MCFC)
Üzemanyagcellák olvadt karbonát elektrolittal magas hőmérsékletű üzemanyagcellák. A magas üzemi hőmérséklet lehetővé teszi a földgáz közvetlen felhasználását üzemanyag-feldolgozó nélkül, valamint az ipari folyamatokból és egyéb forrásokból származó alacsony fűtőértékű tüzelőgázt. Ezt a folyamatot a huszadik század 60-as éveinek közepén fejlesztették ki. Azóta a gyártási technológia, a teljesítmény és a megbízhatóság javult.
Az RCFC működése eltér a többi üzemanyagcellától. Ezek a cellák olvadt karbonátsók keverékéből készült elektrolitot használnak. Jelenleg kétféle keveréket használnak: lítium-karbonátot és kálium-karbonátot vagy lítium-karbonátot és nátrium-karbonátot. A karbonátsók megolvasztásához és az elektrolitban az ionok nagyfokú mobilitásának eléréséhez az olvadt karbonát elektrolitot tartalmazó üzemanyagcellák magas hőmérsékleten (650 °C) működnek. A hatásfok 60-80% között változik.
650°C-ra hevítve a sók a karbonátionok (CO32-) vezetőjévé válnak. Ezek az ionok a katódról az anódra jutnak, ahol hidrogénnel egyesülve vizet, szén-dioxidot és szabad elektronokat képeznek. Ezeket az elektronokat egy külső elektromos áramkörön keresztül visszaküldik a katódra, és melléktermékként elektromos áramot és hőt állítanak elő.
Reakció az anódon: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e
Reakció a katódon: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-
Az elem általános reakciója: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(katód) => H2O(g) + CO2(anód)
Az olvadt karbonát elektrolit üzemanyagcellák magas üzemi hőmérséklete bizonyos előnyökkel jár. Előnye a szabványos anyagok (rozsdamentes acéllemezek és nikkelkatalizátor az elektródákon) használatának lehetősége. A hulladékhő nagynyomású gőz előállítására használható. Az elektrolit magas reakcióhőmérsékletének is megvannak a maga előnyei. A magas hőmérséklet alkalmazása hosszú időt igényel az optimális működési feltételek eléréséhez, és a rendszer lassabban reagál az energiafogyasztás változásaira. Ezek a jellemzők lehetővé teszik az olvadt karbonát elektrolittal működő üzemanyagcellás berendezések használatát állandó teljesítmény mellett. A magas hőmérséklet megakadályozza az üzemanyagcella szén-monoxid, „mérgezés” stb.
Az olvadt karbonát elektrolitot tartalmazó üzemanyagcellák alkalmasak nagy, helyhez kötött létesítményekben való használatra. A 2,8 MW elektromos kimenő teljesítményű hőerőműveket kereskedelmi forgalomba állítják. 100 MW-ig terjedő kimenő teljesítményű létesítmények fejlesztése folyik.
3. Foszforsav üzemanyagcellák (PAFC)
Foszforsav (ortofoszforsav) alapú üzemanyagcellák lett az első kereskedelmi használatra szánt üzemanyagcella. Ezt az eljárást a huszadik század 60-as éveinek közepén fejlesztették ki, a vizsgálatokat a huszadik század 70-es évei óta végezték. Az eredmény megnövekedett stabilitás és teljesítmény, valamint csökkentett költségek.
A foszforsav (ortofoszforsavas) üzemanyagcellák ortofoszforsav (H3PO4) alapú elektrolitot használnak, legfeljebb 100%-os koncentrációban. A foszforsav ionvezetőképessége alacsony hőmérsékleten alacsony, ezért ezeket az üzemanyagcellákat 150-220 °C hőmérsékletig használják.
Az ilyen típusú üzemanyagcellák töltéshordozója a hidrogén (H+, proton). Hasonló folyamat megy végbe a protoncserélő membrán üzemanyagcellákban (PEMFC), amelyek során az anódhoz juttatott hidrogén protonokra és elektronokra bomlik. A protonok áthaladnak az elektroliton, és a katódon a levegőből származó oxigénnel egyesülve vizet képeznek. Az elektronokat egy külső elektromos áramkörön keresztül küldik, ezáltal elektromos áramot hoznak létre. Az alábbiakban bemutatjuk azokat a reakciókat, amelyek elektromos áramot és hőt termelnek.
Reakció az anódnál: 2H2 => 4H+ + 4e
Reakció a katódon: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O
Az elem általános reakciója: 2H2 + O2 => 2H2O
A foszforsav (ortofoszforsav) alapú üzemanyagcellák hatékonysága több mint 40% elektromos energia előállítása során. A kombinált hő- és villamosenergia-termeléssel a teljes hatásfok körülbelül 85%. Ezenkívül adott üzemi hőmérsékleten a hulladékhő felhasználható víz melegítésére és légköri nyomású gőz előállítására.
Az ilyen típusú tüzelőanyagcellák egyik előnye a foszforsav (ortofoszfor)sav alapú tüzelőanyag-cellákat használó hőerőművek nagy teljesítménye a hő- és villamosenergia kombinált előállításában. Az egységek körülbelül 1,5% koncentrációjú szén-monoxidot használnak, ami jelentősen bővíti az üzemanyag választékot. Az egyszerű kialakítás, az alacsony fokú elektrolit illékonyság és a megnövelt stabilitás szintén az ilyen üzemanyagcellák előnyei.
A 400 kW-ig terjedő elektromos kimenő teljesítményű hőerőműveket kereskedelemben gyártják. A 11 MW teljesítményű létesítmények megfeleltek a megfelelő teszteknek. 100 MW-ig terjedő kimenő teljesítményű létesítmények fejlesztése folyik.
4. Protoncserélő membrán üzemanyagcellák (PEMFC)
Protoncserélő membrán üzemanyagcellák a legjobb üzemanyagcelláknak tekinthetők a járművek energiatermelésére, amelyek helyettesíthetik a benzin- és dízelmotorokat. Ezeket az üzemanyagcellákat először a NASA használta a Gemini programhoz. MOPFC-n alapuló, 1 W és 2 kW közötti teljesítményű berendezéseket fejlesztettek ki és mutattak be.
Ezekben az üzemanyagcellákban az elektrolit szilárd polimer membrán (vékony műanyag film). Vízzel telítve ez a polimer átengedi a protonokat, de nem vezet elektronokat.
Az üzemanyag hidrogén, a töltéshordozó pedig egy hidrogénion (proton). Az anódnál a hidrogénmolekula hidrogénionra (protonra) és elektronokra hasad. A hidrogénionok az elektroliton keresztül a katódhoz jutnak, az elektronok pedig a külső kör körül mozogva elektromos energiát termelnek. A levegőből vett oxigén a katódra kerül, és elektronokkal és hidrogénionokkal egyesülve vizet képez. Az elektródákon a következő reakciók mennek végbe: Reakció az anódon: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e Reakció a katódon: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH Teljes cellareakció: 2H2 + O2 => 2H2O Más típusú elektródákkal összehasonlítva üzemanyagcellák, protoncserélő membránnal ellátott üzemanyagcellák több energiát termelnek az üzemanyagcella adott térfogatához vagy tömegéhez. Ez a funkció lehetővé teszi, hogy kompaktak és könnyűek legyenek. Ezenkívül az üzemi hőmérséklet 100 °C alatt van, ami lehetővé teszi a működés gyors elindítását. Ezek a jellemzők, valamint az energiakibocsátás gyors megváltoztatásának képessége csak néhány, amelyek miatt ezek az üzemanyagcellák a járművekben való felhasználás első számú jelöltjei.
További előnye, hogy az elektrolit szilárd, nem pedig folyékony. Szilárd elektrolit segítségével könnyebb visszatartani a gázokat a katódon és az anódon, így olcsóbb az ilyen üzemanyagcellák előállítása. Szilárd elektrolit esetén nincs orientációs probléma, és kevesebb a korróziós probléma, ami növeli a cella és alkatrészeinek élettartamát.
5. Szilárd oxid üzemanyagcellák (SOFC)
Szilárd oxid üzemanyagcellák a legmagasabb üzemi hőmérsékletű üzemanyagcellák. Az üzemi hőmérséklet 600°C és 1000°C között változhat, lehetővé téve különböző típusú üzemanyagok használatát speciális előkezelés nélkül. Az ilyen magas hőmérsékletek kezelésére az elektrolit egy vékony, szilárd fém-oxid kerámia alapon, gyakran ittrium és cirkónium ötvözete, amely oxigénionok (O2-) vezetője. A szilárd oxid üzemanyagcellák használatának technológiája a huszadik század 50-es évei óta fejlődik, és két konfigurációval rendelkezik: sík és cső alakú.
A szilárd elektrolit biztosítja a gáz zárt átmenetét egyik elektródáról a másikra, míg a folyékony elektrolitok porózus hordozóban helyezkednek el. Az ilyen típusú üzemanyagcellák töltéshordozója az oxigénion (O2-). A katódon a levegőből származó oxigénmolekulák oxigénionra és négy elektronra válnak szét. Az oxigénionok áthaladnak az elektroliton, és hidrogénnel egyesülve négy szabad elektront hoznak létre. Az elektronokat egy külső elektromos áramkörön keresztül küldik, elektromos áramot és hulladékhőt hozva létre.
Reakció az anódon: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e
Reakció a katódon: O2 + 4e- => 2O2-
Az elem általános reakciója: 2H2 + O2 => 2H2O
A villamosenergia-termelés hatékonysága az összes tüzelőanyag-cella közül a legmagasabb - körülbelül 60%. Ezenkívül a magas üzemi hőmérséklet lehetővé teszi a hő- és elektromos energia kombinált előállítását nagynyomású gőz előállítására. A magas hőmérsékletű üzemanyagcella és a turbina kombinálása lehetővé teszi egy hibrid üzemanyagcella létrehozását, amely akár 70%-kal növeli az elektromos energia előállításának hatékonyságát.
A szilárd oxid üzemanyagcellák nagyon magas hőmérsékleten (600°C-1000°C) működnek, ami jelentős időt vesz igénybe az optimális működési feltételek eléréséhez, és a rendszer lassabban reagál az energiafogyasztás változásaira. Ilyen magas üzemi hőmérsékleten nincs szükség konverterre a hidrogén visszanyeréséhez a tüzelőanyagból, ami lehetővé teszi, hogy a hőerőmű viszonylag szennyezett tüzelőanyaggal működjön, amely szén vagy hulladékgázok stb. elgázosításából származik. Az üzemanyagcella kiválóan alkalmas nagy teljesítményű alkalmazásokhoz, beleértve az ipari és nagy központi erőműveket is. Kereskedelmi forgalomban 100 kW elektromos kimenő teljesítményű modulokat gyártanak.
6. Közvetlen metanol-oxidációs üzemanyagcellák (DOMFC)
Közvetlen metanol oxidációjú üzemanyagcellák Sikeresen használják a mobiltelefonok, laptopok áramellátásában, valamint hordozható áramforrások létrehozásában, ami az ilyen elemek jövőbeni felhasználása.
A metanol közvetlen oxidációjával rendelkező üzemanyagcellák kialakítása hasonló a protoncserélő membránnal (MEPFC) ellátott üzemanyagcellák kialakításához, pl. Elektrolitként polimert, töltéshordozóként hidrogéniont (protont) használnak. De a folyékony metanol (CH3OH) víz jelenlétében az anódnál oxidálódik, CO2, hidrogénionok és elektronok szabadulnak fel, amelyeket egy külső elektromos áramkörön keresztül továbbítanak, ezáltal elektromos áramot generálnak. A hidrogénionok áthaladnak az elektroliton, és reakcióba lépnek a levegő oxigénjével és a külső áramkör elektronjaival, hogy vizet képezzenek az anódon.
Reakció az anódon: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6eKatód reakciója: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O Az elem általános reakciója: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O Ilyenek kialakulása Az üzemanyagcellákat a huszadik század 90-es évek eleje óta végzik, és fajlagos teljesítményüket és hatásfokukat 40%-ra növelték.
Ezeket az elemeket 50-120°C hőmérséklet-tartományban tesztelték. Alacsony üzemi hőmérsékletük és konverter hiánya miatt az ilyen tüzelőanyag-cellák kiválóan alkalmasak mobiltelefonokban és egyéb fogyasztói termékekben, valamint autómotorokban való használatra. Előnyük a kis méret is.
7. Polimer elektrolit üzemanyagcellák (PEFC)
A polimer elektrolit üzemanyagcellák esetében a polimer membrán polimer szálakból áll, vizes régiókkal, amelyekben vezetési vízionok H2O+ (proton, vörös) kapcsolódnak egy vízmolekulához. A vízmolekulák problémát jelentenek a lassú ioncsere miatt. Ezért mind az üzemanyagban, mind a kimeneti elektródáknál magas vízkoncentrációra van szükség, ami az üzemi hőmérsékletet 100°C-ra korlátozza.
8. Szilárd savas üzemanyagcellák (SFC)
A szilárd savas üzemanyagcellákban az elektrolit (CsHSO4) nem tartalmaz vizet. Az üzemi hőmérséklet tehát 100-300°C. Az SO42 oxianionok forgása lehetővé teszi a protonok (piros) mozgását az ábrán látható módon. A szilárd savas tüzelőanyag-cella általában olyan szendvics, amelyben egy nagyon vékony réteg szilárd savvegyületet helyeznek el két elektróda között, amelyeket szorosan egymáshoz nyomnak a jó érintkezés biztosítása érdekében. Hevítéskor a szerves komponens elpárolog, és az elektródák pórusain keresztül távozik, így megmarad az üzemanyag (vagy az elem másik végén lévő oxigén), az elektrolit és az elektródák közötti többszörös érintkezés lehetősége.
9. Az üzemanyagcellák legfontosabb jellemzőinek összehasonlítása
Üzemanyagcella típus | Üzemi hőmérséklet | Energiatermelés hatékonysága | Üzemanyagtípus | Hatály |
Közepes és nagy telepítések |
||||
Tiszta hidrogén | installációk |
|||
Tiszta hidrogén | Kisebb telepítések |
|||
A legtöbb szénhidrogén üzemanyag | Kis, közepes és nagy telepítések |
|||
Hordozható installációk |
||||
Tiszta hidrogén | Hely kutatott |
|||
Tiszta hidrogén | Kisebb telepítések |
10. Üzemanyagcellák használata autókban
Az üzemanyagcella egy elektrokémiai energiaátalakító eszköz, amely kémiai reakcióval a hidrogént és az oxigént elektromos árammá alakítja. A folyamat eredményeként víz képződik, és nagy mennyiségű hő szabadul fel. Az üzemanyagcella nagyon hasonlít egy akkumulátorhoz, amelyet fel lehet tölteni, majd felhasználni a tárolt elektromos energiát.
William R. Grove-ot tartják az üzemanyagcella feltalálójának, aki még 1839-ben feltalálta. Ebben az üzemanyagcellában kénsav oldatot használtak elektrolitként, hidrogént pedig üzemanyagként, amit oxigénnel kombináltak. oxidálószer. Meg kell jegyezni, hogy egészen a közelmúltig az üzemanyagcellákat csak laboratóriumokban és űrhajókon használták.
A jövőben az üzemanyagcellák képesek lesznek felvenni a versenyt számos más energiaátalakító rendszerrel (beleértve az erőművek gázturbináit), az autók belső égésű motorjaival és a hordozható eszközök elektromos akkumulátoraival. A belső égésű motorok tüzelőanyagot égetnek el, és az égési gázok expanziója által létrehozott nyomást használják fel mechanikai munkák elvégzésére. Az akkumulátorok elektromos energiát tárolnak, majd kémiai energiává alakítják át, amit szükség esetén vissza lehet alakítani elektromos energiává. Az üzemanyagcellák potenciálisan nagyon hatékonyak. 1824-ben Carnot francia tudós bebizonyította, hogy a belső égésű motorok kompressziós-tágulási ciklusai nem tudják biztosítani a hőenergia (ami az égő tüzelőanyag kémiai energiája) mechanikai energiává történő átalakításának 50% feletti hatékonyságát. Az üzemanyagcellának nincsenek mozgó alkatrészei (legalábbis magában a cellában nem), ezért nem engedelmeskednek Carnot törvényének. Természetesen ezek hatékonysága meghaladja az 50%-ot, és különösen hatékonyak alacsony terhelésnél. Így az üzemanyagcellás járművek készen állnak arra, hogy valós vezetési körülmények között üzemanyag-hatékonyabbakká váljanak (és már bebizonyították, hogy azok), mint a hagyományos járművek.
Az üzemanyagcella állandó feszültségű elektromos áramot állít elő, amely felhasználható az elektromos motor, a világítás és a jármű egyéb elektromos rendszereinek meghajtására. Az üzemanyagcelláknak többféle típusa létezik, amelyek az alkalmazott kémiai eljárásokban különböznek egymástól. Az üzemanyagcellákat általában az általuk használt elektrolit típusa szerint osztályozzák. Az üzemanyagcellák bizonyos típusai ígéretesek az erőművi meghajtáshoz, míg mások kis hordozható eszközökhöz vagy autók meghajtásához hasznosak lehetnek.
A lúgos tüzelőanyag-cella az egyik legelső kifejlesztett cella. Az 1960-as évek óta használják őket az amerikai űrprogramban. Az ilyen üzemanyagcellák nagyon érzékenyek a szennyeződésekre, ezért nagyon tiszta hidrogént és oxigént igényelnek. Ezenkívül nagyon drágák, ami azt jelenti, hogy az ilyen típusú üzemanyagcellákat valószínűleg nem fogják széles körben használni az autókban.
A foszforsav alapú üzemanyagcellák helyhez kötött, kis teljesítményű berendezésekben is alkalmazhatók. Meglehetősen magas hőmérsékleten működnek, ezért hosszú ideig tart a felmelegedés, ami szintén hatástalanná teszi őket az autókban.
A szilárd oxid üzemanyagcellák jobban megfelelnek a nagy, helyhez kötött áramfejlesztőknek, amelyek gyárakat vagy közösségeket látnának el árammal. Az ilyen típusú üzemanyagcellák nagyon magas hőmérsékleten (1000 °C körül) működnek. A magas üzemi hőmérséklet bizonyos problémákat vet fel, de másrészt van egy előnye - az üzemanyagcella által termelt gőzt turbinákba lehet küldeni, hogy több áramot termeljenek. Összességében ez javítja a rendszer általános hatékonyságát.
Az egyik legígéretesebb rendszer a protoncserélő membrán üzemanyagcella (PEMFC – Protone Exchange Membrane Fuel Cell). Jelenleg ez a fajta üzemanyagcella a legígéretesebb, mert képes autókat, buszokat és egyéb járműveket meghajtani.
Kémiai folyamatok az üzemanyagcellában
Az üzemanyagcellák elektrokémiai eljárással egyesítik a hidrogént a levegőből nyert oxigénnel. Az akkumulátorokhoz hasonlóan az üzemanyagcellák is elektródákat (szilárd elektromos vezetőket) használnak elektrolitban (elektromosan vezető közegben). Amikor a hidrogénmolekulák érintkezésbe kerülnek a negatív elektróddal (anóddal), az utóbbi protonokra és elektronokra válik szét. A protonok egy protoncserélő membránon (POEM) keresztül jutnak el az üzemanyagcella pozitív elektródájához (katódjához), és elektromosságot termelnek. Hidrogén- és oxigénmolekulák kémiai kombinációja keletkezik, és a reakció melléktermékeként víz keletkezik. Az üzemanyagcellákból származó kibocsátás egyetlen típusa a vízgőz.
Az üzemanyagcellák által termelt villamos energia felhasználható a jármű elektromos hajtásláncában (amely egy elektromos teljesítményátalakítóból és egy váltakozó áramú indukciós motorból áll), hogy mechanikai energiát biztosítson a jármű meghajtásához. Az elektromos áramátalakító feladata, hogy az üzemanyagcellák által termelt egyenáramot váltakozó árammá alakítsa, amely a jármű vontatómotorját működteti.
Protoncserélő membránnal ellátott üzemanyagcella diagramja:
1 - anód;
2 - protoncserélő membrán (PEM);
3 - katalizátor (piros);
4 - katód
A protoncserélő membrán üzemanyagcella (PEMFC) bármely üzemanyagcella közül az egyik legegyszerűbb reakciót alkalmazza.
Egycellás üzemanyagcella
Nézzük meg, hogyan működik az üzemanyagcella. Az anód, az üzemanyagcella negatív pólusa olyan elektronokat vezet, amelyek megszabadulnak a hidrogénmolekuláktól, így felhasználhatók a külső elektromos áramkörben. Ehhez csatornákat gravíroznak bele, egyenletesen elosztva a hidrogént a katalizátor teljes felületén. A katód (az üzemanyagcella pozitív pólusa) maratott csatornákkal rendelkezik, amelyek elosztják az oxigént a katalizátor felületén. Ezenkívül visszavezeti az elektronokat a külső hurokból (áramkörből) a katalizátorba, ahol hidrogénionokkal és oxigénnel egyesülve vizet képezhetnek. Az elektrolit egy protoncserélő membrán. Ez egy speciális anyag, amely hasonló a közönséges műanyaghoz, de képes átengedni a pozitív töltésű ionokat, és blokkolni az elektronok áthaladását.
A katalizátor egy speciális anyag, amely elősegíti az oxigén és a hidrogén közötti reakciót. A katalizátor általában platinaporból készül, amelyet nagyon vékony rétegben szénpapírra vagy szövetre visznek fel. A katalizátornak érdesnek és porózusnak kell lennie, hogy felülete maximálisan érintkezhessen hidrogénnel és oxigénnel. A katalizátor platina bevonatú oldala a protoncserélő membrán (PEM) előtt van.
Az anód nyomása alatt hidrogéngázt (H2) juttatnak az üzemanyagcellába. Amikor egy H2-molekula érintkezésbe kerül a katalizátoron lévő platinával, az két részre, két ionra (H+) és két elektronra (e–) hasad. Az elektronokat az anódon vezetik át, ahol egy külső hurkon (áramkörön) haladnak keresztül, ahol hasznos munkát végeznek (például elektromos motort hajtanak), és az üzemanyagcella katódoldalán térnek vissza.
Eközben az üzemanyagcella katód oldalán az oxigéngáz (O 2 ) átpréselődik a katalizátoron, ahol két oxigénatomot képez. Ezen atomok mindegyike erős negatív töltéssel rendelkezik, amely két H+ iont vonz át a membránon, ahol ezek egy oxigénatommal és a külső áramkörből származó két elektronnal egyesülve vízmolekulát (H 2 O) alkotnak.
Ez a reakció egyetlen üzemanyagcellában körülbelül 0,7 W teljesítményt ad. Ahhoz, hogy a teljesítményt a kívánt szintre emeljük, sok egyedi tüzelőanyag-cellát kell kombinálni, hogy egy üzemanyagcella-köteget alkossanak.
A POM üzemanyagcellák viszonylag alacsony hőmérsékleten (80°C körül) működnek, ami azt jelenti, hogy gyorsan üzemi hőmérsékletre melegednek, és nem igényelnek drága hűtőrendszert. Az ezekben a cellákban használt technológia és anyagok folyamatos fejlesztése révén azok teljesítménye közelebb került ahhoz a szinthez, ahol az ilyen üzemanyagcellák akkumulátora, amely az autó csomagtartójának egy kis részét foglalja el, képes biztosítani az autó vezetéséhez szükséges energiát.
Az elmúlt években a világ vezető autógyártóinak többsége jelentős összegeket fektetett be az üzemanyagcellákat használó járműkonstrukciók fejlesztésébe. Sokan már bemutattak kielégítő teljesítmény- és teljesítményjellemzőkkel rendelkező üzemanyagcellás járműveket, bár meglehetősen drágák voltak.
Az ilyen autók kialakításának fejlesztése nagyon intenzív.
Az üzemanyagcellás jármű a jármű padlója alatt elhelyezett erőművet használ
A NECAR V egy Mercedes-Benz A-osztályú autóra épül, a teljes erőmű az üzemanyagcellákkal együtt az autó padlója alatt található. Ez a tervezési megoldás négy utas és csomagok elhelyezését teszi lehetővé az autóban. Itt nem hidrogént, hanem metanolt használnak üzemanyagként az autóban. A metanolt egy reformer (olyan eszköz, amely a metanolt hidrogénné alakítja) segítségével hidrogénné alakítják, amely az üzemanyagcella táplálásához szükséges. A reformer gépkocsi fedélzetén történő használata lehetővé teszi szinte bármilyen szénhidrogén üzemanyagként való felhasználását, ami lehetővé teszi az üzemanyagcellás autó tankolását a meglévő benzinkutak hálózatával. Elméletileg az üzemanyagcellák nem termelnek mást, csak elektromosságot és vizet. Az üzemanyag (benzin vagy metanol) hidrogénné alakítása, amely az üzemanyagcellához szükséges, némileg csökkenti az ilyen autók környezeti vonzerejét.
Az üzemanyagcellákkal 1989 óta foglalkozó Honda 2003-ban egy kis tételben gyártott Honda FCX-V4 típusú járművet Ballard membrán típusú protoncserélő üzemanyagcellákkal. Ezek az üzemanyagcellák 78 kW elektromos teljesítményt termelnek, a hajtókerekek meghajtására 60 kW teljesítményű, 272 Nm nyomatékú vontatóvillanymotorok szolgálnak.Egy üzemanyagcellás autó a hagyományos autókhoz képest kb. 40%-kal kevesebb, ami kiváló dinamikát biztosít, a sűrített hidrogén-ellátás pedig akár 355 km-t is lehetővé tesz.
A Honda FCX üzemanyagcellák által termelt elektromos energiát használ a vezetéshez.
A Honda FCX a világ első üzemanyagcellás járműve, amely megkapta a kormányzati tanúsítványt az Egyesült Államokban. Az autó a ZEV - Zero Emission Vehicle szabványok szerint tanúsított. A Honda egyelőre nem adja el ezeket az autókat, de darabonként körülbelül 30 autót lízingel. Kalifornia és Tokió, ahol már létezik hidrogén-utántöltő infrastruktúra.
A General Motors Hy Wire koncepciójárműve üzemanyagcellás hajtáslánccal rendelkezik
A General Motors kiterjedt kutatásokat végez az üzemanyagcellás járművek fejlesztése és létrehozása terén.
Hy Wire autó alváz
A GM Hy Wire koncepcióautó 26 szabadalmat kapott. Az autó alapja egy 150 mm vastag funkcionális platform. A platform belsejében hidrogéntartályok, üzemanyagcellás hajtáslánc és járművezérlő rendszerek találhatók a legújabb drive-by-wire technológiát alkalmazva. A Hy Wire jármű alváza egy vékony platform, amely a jármű szerkezetének összes fő elemét tartalmazza: hidrogéntartályokat, üzemanyagcellákat, akkumulátorokat, elektromos motorokat és vezérlőrendszereket. Ez a tervezési megközelítés lehetővé teszi az autók karosszériájának működés közbeni cseréjét, valamint az Opel üzemanyagcellás autók prototípusainak tesztelését, valamint üzemanyagcella-gyártó üzem tervezését.
"Biztonságos" cseppfolyósított hidrogén üzemanyagtartály tervezése:
1 - töltőberendezés;
2 - külső tartály;
3 - támasztékok;
4 - szintérzékelő;
5 - belső tartály;
6 - töltősor;
7 - szigetelés és vákuum;
8 - fűtőtest;
9 - szerelődoboz
A BMW nagy figyelmet fordít a hidrogén üzemanyagként való felhasználásának problémájára. A cseppfolyósított hidrogén űrkutatásban való felhasználásáról híres Magna Steyerrel közösen a BMW kifejlesztett egy üzemanyagtartályt a cseppfolyósított hidrogén számára, amely autókban is használható.
A tesztek megerősítették a folyékony hidrogén üzemanyagtartály használatának biztonságosságát
A vállalat szabványos módszerekkel tesztelte a szerkezet biztonságát, és megerősítette annak megbízhatóságát.
2002-ben a Frankfurt am Mainban (Németország) megrendezett autókiállításon bemutatták a Mini Cooper Hydrogen-t, amely cseppfolyósított hidrogént használ üzemanyagként. Ennek az autónak az üzemanyagtartálya ugyanannyi helyet foglal el, mint egy hagyományos benzintartály. Ebben az autóban a hidrogént nem üzemanyagcellákhoz használják, hanem a belső égésű motor üzemanyagaként.
A világ első sorozatgyártású autója akkumulátor helyett üzemanyagcellával
2003-ban a BMW bejelentette az első üzemanyagcellás sorozatgyártású autó, a BMW 750 hL gyártását. A hagyományos akkumulátor helyett üzemanyagcellás akkumulátort használnak. Ez az autó 12 hengeres, hidrogénnel működő belső égésű motorral rendelkezik, az üzemanyagcella pedig a hagyományos akkumulátor alternatívájaként szolgál, lehetővé téve a légkondicionáló és más elektromos fogyasztók működését, amikor az autó hosszabb ideig parkolt anélkül, hogy a motor járna.
A hidrogén töltését robot végzi, a sofőr nem vesz részt ebben a folyamatban
Ugyanez a BMW cég robotizált tankoló-adagolókat is kifejlesztett, amelyek az autók gyors és biztonságos tankolását teszik lehetővé cseppfolyós hidrogénnel.
Az elmúlt években az alternatív üzemanyagokat és alternatív hajtásláncokat használó autók létrehozását célzó számos fejlesztés megjelenése azt sugallja, hogy a belső égésű motorok, amelyek az elmúlt évszázadban uralták az autókat, végül átadják a helyét a tisztább, hatékonyabb és csendesebb dizájnnak. Széleskörű elterjedését jelenleg nem technikai, hanem gazdasági és társadalmi problémák korlátozzák. Széleskörű használatukhoz szükséges egy bizonyos infrastruktúra kialakítása az alternatív üzemanyagok előállításának fejlesztéséhez, új benzinkutak létrehozásához és forgalmazásához, valamint számos pszichológiai akadály leküzdéséhez. A hidrogén jármű-üzemanyagként való felhasználása megköveteli a tárolási, szállítási és elosztási problémák kezelését, és komoly biztonsági intézkedéseket kell bevezetni.
A hidrogén elméletileg korlátlan mennyiségben áll rendelkezésre, de előállítása igen energiaigényes. Ezenkívül ahhoz, hogy az autókat hidrogénüzemű üzeművé alakítsák, két nagy változtatást kell végrehajtani az energiarendszerben: először át kell állítani a működését benzinről metanolra, majd egy idő után hidrogénre. Eltelik egy kis idő, mire ez a probléma megoldódik.
Horizont: Zero Dawn | 2017-03-14
A Horizon: Zero Dawn játékban 5 üzemanyagcellát találhatsz a küldetés teljesítéséhez Ősi Arzenál amiért adnak Shield Weaver- a legjobb páncélkészlet a játékban.
Horizont: Zero Dawn – hol található az üzemanyagcellák
Az első tápegységet a játék elején találja meg. el kell menned ROM, amire Aloy gyerekkorából emlékszik. Ez a pont a térképen zöld jelzéssel van jelölve, és feléje kell menni. A romok közé a földben lévő kis lyukon keresztül lehet bejutni. Az Ön feladata, hogy lemenjen az első szintre.
Szinte lehetetlen eltévedni a romokban, de légy nagyon óvatos. Néha le kell mennie a lépcsőn, ajtókat kell keresnie és cseppköveket kell összetörnie.
Az üzemanyagcella az asztalon van, és egy zöld ikon látható rajta. 
A második elem megtalálható után a küldetés teljesítése "Nóra szíve". Korán talál egy ajtót kapcsolóval, használja, nyissa ki az ajtót, és folytassa az utat. Forduljon jobbra, majd kövesse az előttünk lévő ajtót.
Ezek után találsz egy holo-zárat, amit nem tudsz majd kinyitni. Tőle balra egy lyuk látható, benne gyertyákkal. Haladjon ebbe az irányba, és hamarosan egy elemet fog találni a földön. 
A harmadik elem a küldetés során található "Master's Limit". A küldetés egyik feladata egy magas épület megmászása lesz. És a csúcsra jutva új feladatot kap – hogy információt találjon Faro irodájában.
Amikor eléri a megfelelő helyet, ne kövessen előre. Fordulj meg, és mássz fel a falra. Miután megtalálta az üzemanyagcellát, elhelyezheti azt a leltárban, és folytathatja a feladat végrehajtását. 
Negyedik üzemanyagcella
A negyedik elem a küldetés során található "Halál kincse". Miután megoldotta a holo-lock problémát, menjen a harmadik emeletre, kövesse a lépcsőket, és hamarosan megtalálja a megfelelő helyet. A folyosón balra lesz egy holozárral ellátott ajtó. Ebben a szobában található az üzemanyagcella. 
Az ötödik elem a küldetés során található "Leomlott hegy". Egy bizonyos pillanatban egy hatalmas barlangban találod magad, ami után nem szabad lemenned a mélyre. Fordulj meg, és egy sziklát látsz magad előtt, amelyre fel kell másznod. A tetején egy lila fényű alagutat fogsz látni, menj bele, és kövesd a végéig. Az erőcella a polcon vár majd rád. 
A főszereplő hamarosan (pontosabban lenyűgöző kalandja elején) belebotlik a Forerunner bunkerbe, amely nagyon közel található a Nora törzs földjéhez. Ebben az ősi bunkerben, egy erős és csúcstechnológiás ajtó mögött, olyan páncélok lesznek, amelyek távolról nem csak tisztességesnek, hanem nagyon vonzónak is tűnnek. A páncélt "Shield Weaver"-nek hívják, és valójában ez a legjobb felszerelés a játékban. Ezért azonnal felmerül egy csomó kérdés: „Hogyan lehet megtalálni és beszerezni a Shield Weaver páncélt?”, „Hol találunk üzemanyagot?”, „Hogyan lehet kinyitni a bunkerajtókat?” és sok más, ugyanahhoz a témához kapcsolódó kérdés. Tehát a bunkerajtók kinyitásához és az áhított páncél megszerzéséhez öt üzemanyagcellát kell találnod, amelyek viszont szétszóródnak a játék világában. Az alábbiakban elmondom, hol és hogyan találja meg az üzemanyagcellákat a rejtvények megoldásához a keresés során és az Ősi Arzenálban.
: A bemutatott útmutató nem csak egy részletes szöveges áttekintést tartalmaz, hanem minden üzemanyagcellához képernyőképeket is csatolnak, a végén pedig egy videó is található. Mindezt a keresés megkönnyítése érdekében hoztuk létre, ezért ha a szövegrész egy pontja nem világos, akkor javaslom, hogy nézze meg a képernyőképeket és a videót.
. Az első üzemanyag - "Anya szíve"
Hol és hogyan találja meg az első üzemanyagcellát - üzemanyag helyét.
Tehát Aloy képes lesz megtalálni a legelső üzemanyagcellát (vagy egyszerűbben fogalmazva: üzemanyagot) jóval azelőtt, hogy belépne a nyílt világba az „Anya méhe” feladattal. A lényeg az, hogy a „Beavatás” feladat után (ami egyébként a történetszálhoz is kapcsolódik) a főszereplő egy „Anyaszív” nevű helyen találja magát, amely a Nóra törzs és a a matriarchák lakhelye.
Amint a lány felkel az ágyból, menjen át egymás után több szobán (szobán), ahol az egyikben egy lezárt ajtóval találkozik, amelyet egyszerűen nem tud kinyitni. Ebben a pillanatban erősen ajánlom, hogy nézzen körül, mert a hősnő mellett (vagy az ajtók közelében - amelyik kényelmesebb) van egy égő gyertyákkal díszített szellőzőakna (általában ide kell mennie) .
Miután elhaladt az út egy bizonyos részén a szellőzőaknán, a hősnő egy zárt ajtó mögött találja magát. Nézze meg a padlót a falblokk és a titokzatos célú gyertyák mellett - az első üzemanyagcella ezen a helyen fekszik.
: Ügyeljen arra, hogy ha nem veszi fel az első üzemanyagcellát, mielőtt belép a nyitott világba, akkor ezt követően csak az áthaladás későbbi szakaszaiban juthat el erre a helyre. De pontosabban, a „Nóra szíve” küldetés teljesítése után azt javaslom, hogy most vegye fel az üzemanyagot.
. Második üzemanyag - "Romok"
Hol és hogyan találja meg a második üzemanyagcellát - az üzemanyag helyét.
Az első dolog, amit tudnod kell a második üzemanyag keresésekor: a főszereplő már ezen a helyen járt, amikor gyerekként (a játék legelején) régen romokba esett. Tehát a „Beavatás” feladat elvégzése után emlékeznie kell mély gyermekkorára, és még egyszer le kell mennie erre a helyre, hogy megszerezze a második üzemanyagcellát.
Az alábbiakban néhány kép (screenshot) található. Az első képen a romok bejárata látható (pirossal). A romokon belül el kell jutnia az első szintre - ez a jobb alsó terület, amely lilával lesz kiemelve a térképen. Ezen kívül lesz egy ajtó is, amit a lány a lándzsájával nyithat ki.
Amint Aloy áthalad az ajtókon, menjen fel a lépcsőn, és az első adandó alkalommal forduljon jobbra: mély fiatalságában Aloy nem tudott átkúszni a cseppkövek között, de most olyan hasznos „játékai” vannak, amelyek bármilyen feladattal megbirkóznak. . Tehát vedd elő a lándzsádat, és törd el vele a cseppköveket. Hamarosan világos lesz az út, így nem marad más hátra, mint elővenni az asztalon heverő üzemanyagcellát, és menni a következőért. Ha a szakasz bármely pillanata nem tiszta, akkor a képernyőképeket az alábbiakban sorrendben mellékeljük.
. Harmadik üzemanyag - "Master's Limit"
Hol és hogyan találja meg a harmadik üzemanyagcellát - üzemanyag helyét.
Ideje észak felé indulni. A „Master's Limit” küldetés során Aloynak gondosan fel kell fedeznie és tanulmányoznia kell az Elődök óriási romjait. Tehát ezekben a romokban a tizenkettedik szinten a következő, harmadik üzemanyagcella lesz elrejtve.
Ezért nem csak a romok felső szintjére kell felmásznia, hanem ott egy kicsit feljebb is. Ne pazarolja az értékes időt, és másszon feljebb az épület fennmaradt részén. Mássz fel, amíg egy kis platformon nem találod magad, amely minden szélnek nyitott. Akkor minden egyszerű, mert a tetején lesz egy harmadik elem az üzemanyag: nincs rejtvények, nem találós kérdések vagy titkok. Tehát vegye be az üzemanyagot, menjen le és menjen tovább.
. Negyedik üzemanyag - „Halál kincse”
Hol és hogyan találja meg a negyedik üzemanyagcellát - az üzemanyag helyét.
A jó hír az, hogy ez az üzemanyagcella is a Horizon: Zero Dawn térkép északi részén található, de egy kicsit közelebb van a Nora törzs földjeihez. A főszereplő ismét a térkép ezen részén találja magát a következő történetküldetés során. Mielőtt azonban eljutna az utolsó előtti üzemanyagcellához, Aloynak vissza kell állítania az áramellátást a lezárt ajtóhoz, amely a hely harmadik szintjén található. Sőt, ehhez meg kell oldania egy kicsi és nem túl bonyolult rejtvényt. A puzzle blokkokból és szabályozókból áll (két négy szabályozóból álló blokk található az ajtók alatti szinten). Tehát először azt javaslom, hogy foglalkozzon a szabályozók bal oldali blokkjával: az első szabályozót fel kell emelni (nézni), a másodikat - jobbra, a harmadikat - balra, a negyediket - lefelé.
Ezután menjen a jobb oldalon lévő blokkhoz. Ne érintse meg az első két szabályozót, de a harmadik és negyedik szabályozót le kell kapcsolni. Ezért menjen feljebb egy szinttel - itt a szabályozók utolsó blokkja. A helyes sorrend a következő lenne: 1 - fel, 2 - le, 3 - balra, 4 - jobbra.
Ha mindent helyesen csinált, a kezelőszervek színe fehérről türkizre változik. Így az áramellátás helyreáll. Ezért menj vissza az ajtókhoz és nyisd ki. Az ajtókon kívül a hősnőt az utolsó előtti üzemanyagcella „köszönti”, így mehet a következő, utolsó üzemanyagért.
. Ötödik üzemanyag - "GAIA Prime"
Hol és hogyan találja meg az ötödik üzemanyagcellát - üzemanyag helyét.
Végre az utolsó üzemanyagcella. És ismét csak a történet menete során lehet megszerezni. A főszereplőnek ezúttal a „GAIA Prime” nevű romokhoz kell mennie. Ez az a hely, ahol különös figyelmet kell fordítania, amikor a harmadik szint közelében találja magát. A lényeg az, hogy egy bizonyos pillanatban a lány egy vonzó szakadékkal néz szembe, amelybe egy kötél segítségével le tud ereszkedni, bár oda nem szabadna.
A szakadék előtt érdemes balra fordulni, és először egy szem elől elrejtett barlangot fedezni fel: a hegyoldalon óvatosan lefelé lehet bejutni. Menj be, majd haladj előre a legvégéig. A jobb oldali szoba utolsó helyiségében lesz egy polc, amelyen végre az utolsó üzemanyagcella is fekszik. Vele együtt most már biztonságosan visszatérhet a bunkerbe, és kinyithatja az összes zárat, hogy luxusfelszereléshez jusson.
. Hogyan lehet bejutni az Ősi Arzenálba?
Nos, most már csak az van hátra, hogy visszatérjünk az Ősi Arzenálba, hogy megkapjuk a várva várt jutalmat. Ha nem emlékszik az arzenál folyosóira, nézze meg az alábbi képernyőképeket, amelyek segítenek emlékezni az egész útra.
Amikor a megfelelő helyre ér, és lemegy, helyezze be az üzemanyagcellákat az üres cellákba. Emiatt a szabályozók kigyulladnak, így egy új rejtvényt kell megoldani az ajtók kinyitásához. Tehát az első szabályozót felfelé kell irányítani, a másodikat jobbra, a harmadikat lefelé, a negyediket balra, az ötödiket felfelé. Ha mindent jól csinálsz, kinyílnak az ajtók, de még koránt sincs vége.
Ezután fel kell oldanod a páncél zárját (vagy rögzítéseit) - ez egy másik egyszerű, a szabályozókhoz kapcsolódó rejtvény, amelyben a maradék üzemanyagcellákat kell felhasználnod. Az első gombot jobbra kell forgatni, a másodikat balra, a harmadikat felfelé, a negyediket jobbra, az ötödiket ismét balra.
Végre ennyi hosszas kínlódás után elvihető lesz a páncél. A „Shield Weaver” egy nagyon jó felszerelés, amely egy ideig gyakorlatilag sebezhetetlenné teszi a főszereplőt. A legfontosabb az, hogy folyamatosan figyeljük a páncél színét: ha a páncél fehéren villog, akkor minden rendben van. Ha piros, akkor a pajzs eltűnt.
Ők üzemeltetik az Egyesült Államok Nemzeti Repülési és Űrhivatalának (NASA) űrhajóit. Ezek biztosítják az Omaha-i First National Bank számítógépeinek áramellátását. Néhány chicagói nyilvános városi buszon használják.
Ezek mind üzemanyagcellák. Az üzemanyagcellák olyan elektrokémiai eszközök, amelyek égés nélkül termelnek áramot – kémiailag, nagyjából az akkumulátorokhoz hasonlóan. Az egyetlen különbség az, hogy különböző vegyszereket, hidrogént és oxigént használnak, és a kémiai reakció terméke víz. Földgáz is használható, de szénhidrogén üzemanyagok használatakor természetesen elkerülhetetlen bizonyos mértékű szén-dioxid kibocsátás.
Mivel az üzemanyagcellák nagy hatékonysággal és káros kibocsátás nélkül működhetnek, nagy ígéretekkel bírnak fenntartható energiaforrásként, amely segít csökkenteni az üvegházhatású gázok és más szennyező anyagok kibocsátását. Az üzemanyagcellák széles körben elterjedt használatának fő akadálya azok magas költsége más elektromos áramot termelő vagy járműveket meghajtó eszközökhöz képest.
Fejlődéstörténet
Az első üzemanyagcellákat Sir William Groves mutatta be 1839-ben. Groves kimutatta, hogy az elektrolízis folyamata - a víz elektromos áram hatására hidrogénné és oxigénné történő felosztása - reverzibilis. Vagyis a hidrogén és az oxigén kémiailag egyesíthető elektromossággá.
Miután ez bebizonyosodott, sok tudós buzgón rohant az üzemanyagcellák tanulmányozására, de a belső égésű motor feltalálása és az olajtartalék-infrastruktúra fejlesztése a 19. század második felében messze elmaradt az üzemanyagcellák fejlesztésétől. Az üzemanyagcellák fejlesztését tovább hátráltatta magas költségük.
Az üzemanyagcellák fejlesztésének felfutása az 50-es években következett be, amikor a NASA hozzájuk fordult egy kompakt elektromos generátor szükségessége miatt az űrrepülésekhez. A beruházás megtörtént, az Apollo és a Gemini járatait üzemanyagcellák hajtották. Az űrhajók üzemanyagcellákkal is működnek.
Az üzemanyagcellák még nagyrészt kísérleti technológia, de több cég már forgalmazza őket a kereskedelmi piacon. Csak az elmúlt közel tíz évben jelentős előrelépés történt a kereskedelmi üzemanyagcellás technológia terén.
Hogyan működik az üzemanyagcella?
Az üzemanyagcellák hasonlóak az akkumulátorokhoz – kémiai reakcióval termelnek áramot. Ezzel szemben a belső égésű motorok tüzelőanyagot égetnek el, és így hőt termelnek, ami aztán mechanikai energiává alakul. Hacsak a kipufogógázokból származó hőt nem használják fel valamilyen módon (például fűtésre vagy légkondicionálásra), akkor a belső égésű motor hatásfoka meglehetősen alacsonynak mondható. Például a jelenleg fejlesztés alatt álló projektben az üzemanyagcellák hatásfoka, ha járműben használják őket, várhatóan több mint kétszer akkora, mint a mai, tipikus autókban használt benzinmotorok.
Bár mind az akkumulátorok, mind az üzemanyagcellák kémiai úton termelnek elektromosságot, két nagyon eltérő funkciót látnak el. Az akkumulátorok tárolt energiaeszközök: az általuk termelt elektromosság egy már bennük lévő anyag kémiai reakciójának eredménye. Az üzemanyagcellák nem tárolják az energiát, hanem a kívülről szállított üzemanyagból származó energia egy részét alakítják át elektromos árammá. Ebből a szempontból az üzemanyagcella inkább egy hagyományos erőműhöz hasonlít.
Számos különböző típusú üzemanyagcella létezik. A legegyszerűbb üzemanyagcella egy speciális membránból áll, amelyet elektrolitnak neveznek. A membrán mindkét oldalára por alakú elektródákat alkalmaznak. Ez a kialakítás - két elektródával körülvett elektrolit - külön elem. A hidrogén az egyik oldalra (anód), az oxigén (levegő) a másik oldalra (katód) kerül. Minden elektródán különböző kémiai reakciók mennek végbe.
Az anódnál a hidrogén protonok és elektronok keverékére bomlik. Egyes üzemanyagcellákban az elektródákat általában platinából vagy más nemesfémből készült katalizátor veszi körül, amely elősegíti a disszociációs reakciót:
2H2 ==> 4H+ + 4e-.
H2 = kétatomos hidrogénmolekula, forma, in
amelyben a hidrogén gáz formájában van jelen;
H+ = ionizált hidrogén, azaz. proton;
e- = elektron.
Az üzemanyagcella működése azon alapul, hogy az elektrolit átengedi rajta a protonokat (a katód felé), de az elektronokat nem. Az elektronok egy külső vezető áramkör mentén mozognak a katódra. Ez az elektronmozgás olyan elektromos áram, amely az üzemanyagcellához csatlakoztatott külső eszköz, például villanymotor vagy villanykörte meghajtására használható. Ezt az eszközt általában "terhelésnek" nevezik.
Az üzemanyagcella katódoldalán a protonok (amelyek áthaladtak az elektroliton) és elektronok (amelyek áthaladtak a külső terhelésen) „rekombinálódnak”, és reakcióba lépnek a katódhoz juttatott oxigénnel, így víz, H2O keletkezik:
4H+ + 4e- + O2 ==> 2H2O.
Az üzemanyagcellában a teljes reakciót a következőképpen írjuk le:
2H2 + O2 ==> 2H2O.
Munkájuk során az üzemanyagcellák hidrogént és a levegőből származó oxigént használnak fel. A hidrogént közvetlenül vagy egy külső tüzelőanyag-forrástól, például földgáztól, benzintől vagy metanoltól való leválasztással lehet szállítani. Külső forrás esetén kémiailag kell átalakítani a hidrogén kinyeréséhez. Ezt a folyamatot "reformálásnak" nevezik. A hidrogént ammóniából, alternatív forrásokból, például városi hulladéklerakókból és szennyvíztisztító telepekből származó gázból, valamint vízelektrolízissel is elő lehet állítani, amelynek során a vizet hidrogénné és oxigénné bontják elektromos árammal. Jelenleg a legtöbb közlekedésben használt üzemanyagcellás technológia metanolt használ.
Különféle eszközöket fejlesztettek ki az üzemanyagok átalakítására, hogy hidrogént állítsanak elő üzemanyagcellákhoz. Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma kifejlesztett egy üzemanyagegységet egy benzinreformerben, amely egy önálló üzemanyagcellát hidrogénnel lát el. Az amerikai Pacific Northwest National Laboratory kutatói bemutattak egy kompakt üzemanyag-reformert, amely egytizede akkora, mint egy tápegység. Az amerikai Northwest Power Systems és a Sandia National Laboratories olyan üzemanyag-reformálót mutattak be, amely a dízelüzemanyagot hidrogénné alakítja át üzemanyagcellákhoz.
Az üzemanyagcellák külön-külön körülbelül 0,7-1,0 V-ot termelnek. A feszültség növelése érdekében az elemeket „kaszkádba” állítják össze, azaz. soros csatlakozás. Több áram létrehozása érdekében a lépcsőzetes elemek sorozatait párhuzamosan csatlakoztatják. Ha az üzemanyagcellás kaszkádokat üzemanyagrendszerrel, levegőellátó és hűtőrendszerrel, valamint vezérlőrendszerrel kombinálja, üzemanyagcellás motort kap. Ez a motor képes meghajtani egy járművet, egy álló erőművet vagy egy hordozható elektromos generátort6. Az üzemanyagcellás motorok az alkalmazástól, az üzemanyagcella típusától és a felhasznált üzemanyagtól függően különböző méretűek. Például egy omahai bankban telepített négy különálló 200 kW-os helyhez kötött erőmű mindegyike megközelítőleg akkora, mint egy kamion utánfutó.
Alkalmazások
Az üzemanyagcellák helyhez kötött és mobil eszközökben is használhatók. Az Egyesült Államok szigorodó károsanyag-kibocsátási szabályozására válaszul az autógyártók, köztük a DaimlerChrysler, a Toyota, a Ford, a General Motors, a Volkswagen, a Honda és a Nissan megkezdték az üzemanyagcellás járművek kísérletezését és bemutatását. Az első kereskedelmi üzemanyagcellás járművek várhatóan 2004-ben vagy 2005-ben jelennek meg.
A tüzelőanyagcellás technológia fejlesztésének egyik fő mérföldköve volt a Ballard Power System kísérleti, 32 láb hosszú, 90 kilowattos hidrogén-üzemanyagcellás motorral hajtott városi buszának 1993. júniusi bemutatója. Azóta számos különböző típusú és különböző generációs üzemanyagcellás személygépjármű került kifejlesztésre és üzembe helyezésre, amelyek különböző típusú üzemanyagokkal működnek. 1996 vége óta három hidrogén üzemanyagcellás golfkocsit használnak a kaliforniai Palm Desertben. Az Illinois állambeli Chicago útjain; Brit Columbia, Vancouver; és a norvégiai Oslóban az üzemanyagcellás városi buszokat tesztelik. Lúgos üzemanyagcellákkal hajtott taxikat tesztelnek London utcáin.
Az üzemanyagcellás technológiát alkalmazó helyhez kötött létesítményeket is bemutatják, de kereskedelmi forgalomban még nem használják széles körben. Az First National Bank of Omaha Nebraska államban üzemanyagcellás rendszert használ számítógépei áramellátására, mivel a rendszer megbízhatóbb, mint a régi rendszer, amely tartalék akkumulátorral működött a fő hálózatról. A világ legnagyobb, 1,2 MW-os kereskedelmi üzemanyagcellás rendszerét hamarosan beépítik egy alaszkai levélfeldolgozó központba. Az üzemanyagcellás hordozható hordozható számítógépek, a szennyvíztisztító telepeken használt vezérlőrendszerek és az automaták tesztelése és bemutatása is folyamatban van.
"Érvek és ellenérvek"
Az üzemanyagcelláknak számos előnye van. Míg a modern belsőégésű motorok csak 12-15%-os, addig az üzemanyagcellák 50%-os. Az üzemanyagcellák hatásfoka meglehetősen magas maradhat akkor is, ha nem teljes névleges teljesítményen használják őket, ami komoly előny a benzinmotorokhoz képest.
Az üzemanyagcellák moduláris felépítése azt jelenti, hogy az üzemanyagcellás erőmű teljesítménye egyszerűen több fokozat hozzáadásával növelhető. Ez biztosítja a kapacitás kihasználatlanságának minimalizálását, ami lehetővé teszi a kereslet és a kínálat jobb összehangolását. Mivel az üzemanyagcella-köteg hatékonyságát az egyes cellák teljesítménye határozza meg, a kis tüzelőanyagcellás erőművek ugyanolyan hatékonyan működnek, mint a nagyok. Ezenkívül a helyhez kötött üzemanyagcellás rendszerek hulladékhője felhasználható víz- és helyiségfűtésre, tovább növelve az energiahatékonyságot.
Az üzemanyagcellák használatakor gyakorlatilag nincs káros kibocsátás. Amikor egy motor tiszta hidrogénnel működik, csak hő és tiszta vízgőz keletkezik melléktermékként. Tehát az űrhajókon az űrhajósok vizet isznak, amely a fedélzeti üzemanyagcellák működése eredményeként keletkezik. A kibocsátások összetétele a hidrogénforrás természetétől függ. A metanol nulla nitrogén-oxid- és szén-monoxid-kibocsátással és csak kis szénhidrogén-kibocsátással jár. A kibocsátás növekszik, ahogy a hidrogénről a metanolra és a benzinre vált, bár a kibocsátás még benzin esetén is meglehetősen alacsony marad. Mindenesetre, ha a mai hagyományos belső égésű motorokat üzemanyagcellákkal cserélnénk le, az összességében csökkentené a CO2- és nitrogén-oxid-kibocsátást.
Az üzemanyagcellák alkalmazása rugalmasságot biztosít az energetikai infrastruktúra számára, további lehetőségeket teremtve a decentralizált villamosenergia-termelés számára. A decentralizált energiaforrások sokasága lehetővé teszi a villamosenergia-átvitel során fellépő veszteségek csökkentését és az energiapiacok fejlesztését (ami különösen fontos a távoli és vidéki területeken, ahol nincs távvezetéki hozzáférés). Az üzemanyagcellák segítségével az egyes lakók vagy városrészek saját maguk biztosíthatják villamos energiájuk nagy részét, és ezáltal jelentősen növelhetik az energiahatékonyságot.
Az üzemanyagcellák kiváló minőségű energiát és fokozott megbízhatóságot kínálnak. Strapabíróak, nincsenek mozgó alkatrészeik, és állandó mennyiségű energiát termelnek.
Az üzemanyagcellás technológiát azonban tovább kell fejleszteni a teljesítmény javítása, a költségek csökkentése, és ezáltal az üzemanyagcellák más energiatechnológiákkal szembeni versenyképessége érdekében. Meg kell jegyezni, hogy az energiatechnológiák költségjellemzőinek figyelembe vételekor az összehasonlításokat az összes alkatrésztechnológiai jellemző alapján kell elvégezni, beleértve a tőkeműködési költségeket, a szennyezőanyag-kibocsátást, az energiaminőséget, a tartósságot, a leszerelést és a rugalmasságot.
Bár a hidrogéngáz a legjobb üzemanyag, ehhez még nem létezik infrastruktúra vagy közlekedési bázis. A közeljövőben a meglévő fosszilis tüzelőanyag-ellátó rendszereket (benzinkutak stb.) felhasználhatják arra, hogy az erőműveket benzin, metanol vagy földgáz formájában hidrogénforrással látják el. Ez megszüntetné a dedikált hidrogéntöltő állomások szükségességét, de minden járműben fel kell szerelni egy fosszilis tüzelőanyag-hidrogén átalakítót ("reformer"). Ennek a megközelítésnek az a hátránya, hogy fosszilis tüzelőanyagokat használ, és így szén-dioxid-kibocsátást eredményez. A jelenlegi vezető jelölt, a metanol kevesebb károsanyag-kibocsátást termel, mint a benzin, de nagyobb tartályra lenne szükség a járműben, mert kétszer annyi helyet foglal el ugyanazon energiatartalom mellett.
A fosszilis tüzelőanyag-ellátó rendszerekkel ellentétben a nap- és szélenergia rendszerek (amelyek vízből hidrogént és oxigént állítanak elő elektromos árammal) és a közvetlen fotokonverziós rendszerek (félvezető anyagokat vagy enzimeket használnak a hidrogén előállítására) képesek hidrogénellátást biztosítani reformálási lépés nélkül, és így a kibocsátások a metanol vagy benzin üzemanyagcellák használatakor megfigyelhető káros anyagok elkerülhetők. A hidrogén tárolható és szükség szerint elektromos árammá alakítható az üzemanyagcellában. Előretekintve, az üzemanyagcellák és az ilyen típusú megújuló energiaforrások párosítása valószínűleg hatékony stratégia lesz a produktív, környezetbarát és sokoldalú energiaforrás biztosítására.
Az IEER ajánlásai szerint a helyi, szövetségi és tartományi kormányok közlekedési beszerzési költségvetésük egy részét üzemanyagcellás járművekre, valamint helyhez kötött üzemanyagcellás rendszerekre fordítsák, hogy hőt és energiát biztosítsanak egyes jelentős vagy új épületeik számára. Ez elősegíti a létfontosságú technológia fejlődését és csökkenti az üvegházhatású gázok kibocsátását.
Ahogyan különböző típusú belső égésű motorok léteznek, úgy az üzemanyagcellák is különbözőek – a megfelelő típusú üzemanyagcella kiválasztása annak alkalmazásától függ.
Az üzemanyagcellákat magas hőmérsékletre és alacsony hőmérsékletre osztják. Alacsony hőmérsékletű üzemanyagcellák tüzelőanyagként viszonylag tiszta hidrogént igényelnek. Ez gyakran azt jelenti, hogy üzemanyag-feldolgozásra van szükség ahhoz, hogy az elsődleges tüzelőanyagot (például földgázt) tiszta hidrogénné alakítsák. Ez a folyamat további energiát fogyaszt, és speciális felszerelést igényel. Magas hőmérsékletű üzemanyagcellák nincs szükségük erre a kiegészítő eljárásra, mivel magas hőmérsékleten tudják végrehajtani az üzemanyag "belső átalakítását", vagyis nincs szükség hidrogén-infrastruktúrába való beruházásra.
Olvadt karbonát üzemanyagcellák (MCFC)
Az olvadt karbonát elektrolit üzemanyagcellák magas hőmérsékletű üzemanyagcellák. A magas üzemi hőmérséklet lehetővé teszi a földgáz közvetlen felhasználását üzemanyag-feldolgozó nélkül, valamint az ipari folyamatokból és egyéb forrásokból származó alacsony fűtőértékű tüzelőgázt. Ezt a folyamatot az 1960-as évek közepén fejlesztették ki. Azóta a gyártási technológia, a teljesítmény és a megbízhatóság javult.
Az RCFC működése eltér a többi üzemanyagcellától. Ezek a cellák olvadt karbonátsók keverékéből készült elektrolitot használnak. Jelenleg kétféle keveréket használnak: lítium-karbonátot és kálium-karbonátot vagy lítium-karbonátot és nátrium-karbonátot. A karbonátsók megolvasztásához és az elektrolitban az ionok nagyfokú mobilitásának eléréséhez az olvadt karbonát elektrolitot tartalmazó üzemanyagcellák magas hőmérsékleten (650 °C) működnek. A hatásfok 60-80% között változik.
650°C-ra hevítve a sók a karbonátionok (CO 3 2-) vezetőjévé válnak. Ezek az ionok a katódról az anódra jutnak, ahol hidrogénnel egyesülve vizet, szén-dioxidot és szabad elektronokat képeznek. Ezeket az elektronokat egy külső elektromos áramkörön keresztül visszaküldik a katódra, és melléktermékként elektromos áramot és hőt állítanak elő.
Reakció az anódon: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Reakció a katódon: CO 2 + 1/2 O 2 + 2e - => CO 3 2-
Az elem általános reakciója: H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) + CO 2 (katód) => H 2 O (g) + CO 2 (anód)
Az olvadt karbonát elektrolit üzemanyagcellák magas üzemi hőmérséklete bizonyos előnyökkel jár. Magas hőmérsékleten a földgáz belülről megreformálódik, így nincs szükség üzemanyag-feldolgozóra. Ezenkívül az előnyök közé tartozik, hogy szabványos építőanyagokat, például rozsdamentes acéllemezeket és nikkelkatalizátort lehet használni az elektródákon. A hulladékhőt nagynyomású gőz előállítására lehet felhasználni különféle ipari és kereskedelmi célokra.
Az elektrolit magas reakcióhőmérsékletének is megvannak a maga előnyei. A magas hőmérséklet alkalmazása jelentős időt igényel az optimális működési feltételek eléréséhez, és a rendszer lassabban reagál az energiafogyasztás változásaira. Ezek a jellemzők lehetővé teszik az olvadt karbonát elektrolittal működő üzemanyagcellás berendezések használatát állandó teljesítmény mellett. A magas hőmérséklet megakadályozza az üzemanyagcella szén-monoxid általi károsodását, "mérgezést" stb.
Az olvadt karbonát elektrolitot tartalmazó üzemanyagcellák alkalmasak nagy, helyhez kötött létesítményekben való használatra. A 2,8 MW elektromos kimenő teljesítményű hőerőműveket kereskedelmi forgalomba állítják. 100 MW-ig terjedő kimenő teljesítményű létesítmények fejlesztése folyik.
Foszforsav üzemanyagcellák (PAFC)
A foszforsav (ortofoszforsav) üzemanyagcellák voltak az első üzemanyagcellák, amelyeket kereskedelmi használatra szántak. Az eljárást az 1960-as évek közepén fejlesztették ki, és az 1970-es évek óta tesztelték. Azóta a stabilitás és a teljesítmény nőtt, a költségek pedig csökkentek.
A foszforsav (ortofoszforsav) üzemanyagcellák ortofoszforsav (H 3 PO 4) alapú elektrolitot használnak, amelynek koncentrációja akár 100%. A foszforsav ionvezetőképessége alacsony hőmérsékleten alacsony, ezért ezeket az üzemanyagcellákat 150-220°C-ig használják.
Az ilyen típusú üzemanyagcellák töltéshordozója a hidrogén (H + , proton). Hasonló folyamat megy végbe a protoncserélő membrán üzemanyagcellákban (PEMFC), amelyek során az anódhoz juttatott hidrogén protonokra és elektronokra bomlik. A protonok áthaladnak az elektroliton, és a katódon a levegőből származó oxigénnel egyesülve vizet képeznek. Az elektronokat egy külső elektromos áramkörön keresztül küldik, ezáltal elektromos áramot hoznak létre. Az alábbiakban bemutatjuk azokat a reakciókat, amelyek elektromos áramot és hőt termelnek.
Reakció az anódon: 2H 2 => 4H + + 4e -
Reakció a katódon: O 2 (g) + 4H + + 4e - => 2H 2 O
Az elem általános reakciója: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
A foszforsav (ortofoszforsav) alapú üzemanyagcellák hatékonysága több mint 40% elektromos energia előállítása során. A kombinált hő- és villamosenergia-termeléssel a teljes hatásfok körülbelül 85%. Ezenkívül adott üzemi hőmérsékleten a hulladékhő felhasználható víz melegítésére és légköri nyomású gőz előállítására.
Az ilyen típusú tüzelőanyagcellák egyik előnye a foszforsav (ortofoszfor)sav alapú tüzelőanyag-cellákat használó hőerőművek nagy teljesítménye a hő- és villamosenergia kombinált előállításában. Az egységek körülbelül 1,5% koncentrációjú szén-monoxidot használnak, ami jelentősen bővíti az üzemanyag választékot. Ezenkívül a CO 2 nem befolyásolja az elektrolitot és az üzemanyagcella működését, ez a típusú cella reformált természetes tüzelőanyaggal működik. Az egyszerű kialakítás, az alacsony fokú elektrolit illékonyság és a megnövelt stabilitás szintén az ilyen típusú üzemanyagcellák előnyei.
A 400 kW-ig terjedő elektromos kimenő teljesítményű hőerőműveket kereskedelemben gyártják. A 11 MW-os létesítmények megfeleltek a megfelelő teszteknek. 100 MW-ig terjedő kimenő teljesítményű létesítmények fejlesztése folyik.
Protoncserélő membrán üzemanyagcellák (PEMFC)
A protoncserélő membrán üzemanyagcellák a legjobb üzemanyagcella típusnak tekinthetők a jármű teljesítményének előállítására, amelyek helyettesíthetik a benzines és dízel belső égésű motorokat. Ezeket az üzemanyagcellákat először a NASA használta a Gemini programhoz. Ma 1 W és 2 kW közötti teljesítményű MOPFC berendezéseket fejlesztenek és mutatnak be.
Ezek az üzemanyagcellák szilárd polimer membránt (vékony műanyag filmet) használnak elektrolitként. Vízzel telítve ez a polimer átengedi a protonokat, de nem vezet elektronokat.
Az üzemanyag hidrogén, a töltéshordozó pedig egy hidrogénion (proton). Az anódnál a hidrogénmolekula hidrogénionra (protonra) és elektronokra hasad. A hidrogénionok az elektroliton keresztül a katódhoz jutnak, az elektronok pedig a külső kör körül mozogva elektromos energiát termelnek. A levegőből vett oxigén a katódra kerül, és elektronokkal és hidrogénionokkal egyesülve vizet képez. Az elektródákon a következő reakciók lépnek fel:
Reakció az anódon: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reakció a katódon: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4OH -
Az elem általános reakciója: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
Más típusú üzemanyagcellákhoz képest a protoncserélő membrán üzemanyagcellák több energiát termelnek egy adott üzemanyagcella térfogatához vagy tömegéhez. Ez a funkció lehetővé teszi, hogy kompaktak és könnyűek legyenek. Ezenkívül az üzemi hőmérséklet 100 °C alatt van, ami lehetővé teszi a gyors működés megkezdését. Ezek a jellemzők, valamint az energiakibocsátás gyors megváltoztatásának képessége csak néhány azon jellemzők közül, amelyek miatt ezek az üzemanyagcellák első számú jelöltek a járművekben való használatra.
További előnye, hogy az elektrolit szilárd, nem pedig folyékony. Szilárd elektrolit segítségével könnyebb visszatartani a gázokat a katódon és az anódon, ezért olcsóbb az ilyen üzemanyagcellák előállítása. Más elektrolitokhoz képest a szilárd elektrolitok nem okoznak orientációs problémákat, kevesebb korróziós problémát okoznak, ami a cella és alkatrészeinek hosszabb élettartamát eredményezi.
Szilárd oxid üzemanyagcellák (SOFC)
A szilárd oxid üzemanyagcellák a legmagasabb üzemi hőmérsékletű üzemanyagcellák. Az üzemi hőmérséklet 600°C és 1000°C között változhat, lehetővé téve különböző típusú üzemanyagok használatát speciális előkezelés nélkül. Az ilyen magas hőmérsékletek kezelésére az elektrolit egy vékony, szilárd fém-oxid kerámia alapon, gyakran ittrium és cirkónium ötvözete, amely oxigénionok (O 2 -) vezető. A szilárd oxid üzemanyagcellás technológia az 1950-es évek vége óta fejlődik. és két konfigurációja van: lapos és cső alakú.
A szilárd elektrolit biztosítja a gáz zárt átmenetét egyik elektródáról a másikra, míg a folyékony elektrolitok porózus hordozóban helyezkednek el. Az ilyen típusú üzemanyagcellák töltéshordozója az oxigénion (O 2 -). A katódon a levegőből származó oxigénmolekulák oxigénionra és négy elektronra válnak szét. Az oxigénionok áthaladnak az elektroliton, és hidrogénnel egyesülve négy szabad elektront hoznak létre. Az elektronokat egy külső elektromos áramkörön keresztül küldik, elektromos áramot és hulladékhőt hozva létre.
Reakció az anódon: 2H 2 + 2O 2 - => 2H 2 O + 4e -
Reakció a katódon: O 2 + 4e - => 2O 2 -
Az elem általános reakciója: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
A megtermelt elektromos energia hatásfoka az összes tüzelőanyagcella közül a legmagasabb - körülbelül 60%. Ezenkívül a magas üzemi hőmérséklet lehetővé teszi a hő- és elektromos energia kombinált előállítását nagynyomású gőz előállítására. A magas hőmérsékletű üzemanyagcella és a turbina kombinálása lehetővé teszi egy hibrid üzemanyagcella létrehozását, amely akár 70%-kal növeli az elektromos energia előállításának hatékonyságát.
A szilárd oxid üzemanyagcellák nagyon magas hőmérsékleten (600°C–1000°C) működnek, ami jelentős időt vesz igénybe az optimális működési feltételek eléréséhez, és lassabban reagál az energiafogyasztás változásaira. Ilyen magas üzemi hőmérsékleten nincs szükség konverterre a hidrogén visszanyeréséhez a tüzelőanyagból, ami lehetővé teszi, hogy a hőerőmű viszonylag szennyezett tüzelőanyaggal működjön, amely szén vagy hulladékgázok stb. elgázosításából származik. Az üzemanyagcella kiválóan alkalmas nagy teljesítményű alkalmazásokhoz, beleértve az ipari és nagy központi erőműveket is. Kereskedelmi forgalomban 100 kW elektromos kimenő teljesítményű modulokat gyártanak.
Közvetlen metanol-oxidációs üzemanyagcellák (DOMFC)
Az üzemanyagcellák közvetlen metanol-oxidációval történő alkalmazásának technológiája aktív fejlesztési időszakon megy keresztül. Sikeresen bizonyított a mobiltelefonok, laptopok táplálása, valamint hordozható áramforrások létrehozása terén. Erre irányul ezen elemek jövőbeni felhasználása.
A metanol közvetlen oxidációjával rendelkező üzemanyagcellák kialakítása hasonló a protoncserélő membránnal (MEPFC) rendelkező üzemanyagcellákhoz, azaz. Elektrolitként polimert, töltéshordozóként hidrogéniont (protont) használnak. A folyékony metanol (CH 3 OH) azonban az anódnál víz jelenlétében oxidálódik, CO 2, hidrogénionok és elektronok szabadulnak fel, amelyeket egy külső elektromos áramkörön keresztül továbbítanak, ezáltal elektromos áramot hoznak létre. A hidrogénionok áthaladnak az elektroliton, és reakcióba lépnek a levegő oxigénjével és a külső áramkör elektronjaival, hogy vizet képezzenek az anódon.
Reakció az anódon: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Reakció a katódon: 3/2 O 2 + 6H + + 6e - => 3H 2 O
Az elem általános reakciója: CH 3 OH + 3/2 O 2 => CO 2 + 2H 2 O
Ezeknek az üzemanyagcelláknak a fejlesztése az 1990-es évek elején kezdődött. A továbbfejlesztett katalizátorok kifejlesztésével és más újdonságokkal a teljesítménysűrűség és a hatásfok 40%-ra nőtt.
Ezeket az elemeket 50-120°C hőmérséklet-tartományban tesztelték. Alacsony üzemi hőmérsékletükkel és konverterre nincs szükségük, a közvetlen metanol-oxidációjú üzemanyagcellák a mobiltelefonok és más fogyasztói termékek, valamint az autómotorok első számú jelöltjei. Az ilyen típusú üzemanyagcellák előnye a kis méretük a folyékony tüzelőanyag felhasználása miatt, valamint a konverter használatának hiánya.
Alkáli üzemanyagcellák (ALFC)
Az alkáli üzemanyagcellák (AFC) az egyik legtöbbet tanulmányozott technológia, amelyet az 1960-as évek közepe óta használnak. a NASA az Apollo és Space Shuttle programban. Ezeken az űrhajókon az üzemanyagcellák elektromos energiát és ivóvizet termelnek. Az alkáli tüzelőanyagcellák az egyik leghatékonyabb villamosenergia-termelésre használt cella, az energiatermelés hatékonysága eléri a 70%-ot.
Az alkáli tüzelőanyag-cellák elektrolitot, kálium-hidroxid vizes oldatát használnak, amely porózus, stabilizált mátrixban található. A kálium-hidroxid koncentrációja az üzemanyagcella üzemi hőmérsékletétől függően változhat, amely 65°C és 220°C között van. Az SHTE töltéshordozója a hidroxil-ion (OH -), amely a katódról az anódra kerül, ahol hidrogénnel reagál, vizet és elektronokat termelve. Az anódon keletkező víz visszakerül a katódra, és ott ismét hidroxil-ionokat generál. Az üzemanyagcellában lezajló reakciósorozat eredményeként villamos energia és melléktermékként hő keletkezik:
Reakció az anódon: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reakció a katódon: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4OH -
A rendszer általános reakciója: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
Az SHTE előnye, hogy ezeket az üzemanyagcellákat a legolcsóbban előállítani, mivel az elektródákon szükséges katalizátor bármely olyan anyag lehet, amely olcsóbb, mint a többi üzemanyagcella katalizátora. Ezenkívül az SFC-k viszonylag alacsony hőmérsékleten működnek, és a leghatékonyabb üzemanyagcellák közé tartoznak – ezek a jellemzők következésképpen hozzájárulhatnak a gyorsabb energiatermeléshez és a magas üzemanyag-hatékonysághoz.
Az SHTE egyik jellemző tulajdonsága a nagy érzékenysége a CO 2-re, amelyet az üzemanyag vagy a levegő tartalmazhat. A CO 2 reakcióba lép az elektrolittal, gyorsan megmérgezi, és nagymértékben csökkenti az üzemanyagcella hatékonyságát. Ezért az SHTE használata zárt terekre korlátozódik, például űr- és víz alatti járművekre, tiszta hidrogénnel és oxigénnel kell működniük. Ezenkívül az olyan molekulák, mint a CO, H 2 O és CH 4, amelyek biztonságosak más üzemanyagcellák számára, sőt némelyikük üzemanyagként is funkcionál, károsak az SHFC-re.
Polimer elektrolit üzemanyagcellák (PEFC)
A polimer elektrolit üzemanyagcellák esetében a polimer membrán polimer szálakból áll, vizes régiókkal, amelyekben vezetési vízionok H2O+ (proton, vörös) kapcsolódnak egy vízmolekulához. A vízmolekulák problémát jelentenek a lassú ioncsere miatt. Ezért mind az üzemanyagban, mind a kimeneti elektródáknál magas vízkoncentrációra van szükség, ami az üzemi hőmérsékletet 100°C-ra korlátozza.
Szilárd savas üzemanyagcellák (SFC)
A szilárd savas üzemanyagcellákban az elektrolit (C s HSO 4) nem tartalmaz vizet. Az üzemi hőmérséklet tehát 100-300°C. Az oxi-anionok SO 4 2- forgása lehetővé teszi a protonok (piros) mozgását az ábrán látható módon. A szilárd savas tüzelőanyag-cella általában olyan szendvics, amelyben egy nagyon vékony réteg szilárd savvegyületet helyeznek el két elektróda között, amelyeket szorosan egymáshoz nyomnak a jó érintkezés biztosítása érdekében. Hevítéskor a szerves komponens elpárolog, és az elektródák pórusain keresztül távozik, így megmarad az üzemanyag (vagy az elem másik végén lévő oxigén), az elektrolit és az elektródák közötti többszörös érintkezés lehetősége.
| Üzemanyagcella típus | Üzemhőmérséklet | Energiatermelés hatékonysága | Üzemanyagtípus | Alkalmazási terület |
|---|---|---|---|---|
| RKTE | 550-700°C | 50-70% | Közepes és nagy telepítések | |
| FCTE | 100-220°C | 35-40% | Tiszta hidrogén | Nagy telepítések |
| MOPTE | 30-100 °C | 35-50% | Tiszta hidrogén | Kisebb telepítések |
| SOFC | 450-1000°C | 45-70% | A legtöbb szénhidrogén üzemanyag | Kis, közepes és nagy telepítések |
| PEMFC | 20-90 °C | 20-30% | Metanol | Hordozható egységek |
| SHTE | 50-200°C | 40-65% | Tiszta hidrogén | Űrkutatás |
| PETE | 30-100 °C | 35-50% | Tiszta hidrogén | Kisebb telepítések |
Már senkit sem lep meg sem napelemekkel, sem szélturbinákkal, amelyek a világ minden régiójában termelnek áramot. De ezeknek az eszközöknek a teljesítménye nem állandó, és szükség van tartalék áramforrások telepítésére vagy a hálózatra való csatlakozásra, hogy áramot nyerjenek abban az időszakban, amikor a megújuló energiaforrások nem termelnek áramot. Vannak azonban olyan, a 19. században kifejlesztett üzemek, amelyek „alternatív” tüzelőanyagot használnak elektromos áram előállítására, azaz nem égetnek el gázt vagy kőolajterméket. Az ilyen létesítmények üzemanyagcellák.
A TEREMTÉS TÖRTÉNETE
Az üzemanyagcellákat (FC) vagy üzemanyagcellákat 1838-1839-ben fedezte fel William Grove (Grove, Grove), amikor a víz elektrolízisét tanulmányozta.
Segítség: A víz elektrolízise a víz elektromos áram hatására bomlási folyamata hidrogén- és oxigénmolekulákra
Miután leválasztotta az akkumulátort az elektrolitikus celláról, meglepődve tapasztalta, hogy az elektródák elkezdték elnyelni a felszabaduló gázt és áramot termelni. A hidrogén elektrokémiai „hideg” égetésének folyamatának felfedezése jelentős esemény volt az energiaiparban. Később megalkotta a Grove akkumulátort. Ennek az eszköznek egy salétromsavba merített platinaelektródája és egy cink-szulfátba merített cinkelektródája volt. 12 amper áramot és 8 volt feszültséget generált. Grow maga nevezte ezt a tervezést "nedves akkumulátor". Ezután két platinaelektróda felhasználásával egy akkumulátort készített. Mindegyik elektróda egyik vége kénsavban volt, a másik végét pedig hidrogénnel és oxigénnel ellátott tartályokba zártuk. Az elektródák között stabil áram volt, és a tartályokban lévő víz mennyisége megnőtt. A Grow képes volt lebontani és javítani a vizet ebben az eszközben.
"Akkumulátor növekedés"
(forrás: Royal Society of the National Museum of Natural History)
Az „üzemanyagcella” (angolul „Fuel Cell”) kifejezés csak 1889-ben jelent meg L. Mond és
C. Langer, aki megpróbált létrehozni egy berendezést elektromos áram előállítására levegőből és széngázból.
HOGYAN MŰKÖDIK?
Az üzemanyagcella viszonylag egyszerű eszköz. Két elektródája van: anód (negatív elektróda) és katód (pozitív elektróda). Az elektródákon kémiai reakció megy végbe. A gyorsítás érdekében az elektródák felületét katalizátorral vonják be. Az FC-k még egy elemmel vannak felszerelve - membrán. A tüzelőanyag kémiai energiája közvetlenül elektromos árammá alakul át a membrán munkájának köszönhetően. Elválasztja az elem két kamráját, amelybe az üzemanyag és az oxidálószer kerül. A membrán csak az üzemanyag-hasadás eredményeként keletkező protonokat engedi át egyik kamrából a másikba egy katalizátorral bevont elektródán (az elektronok egy külső áramkörön haladnak keresztül). A második kamrában a protonok elektronokkal (és oxigénatomokkal) egyesülve vizet képeznek.
A hidrogén üzemanyagcella működési elve
Kémiai szinten a tüzelőanyag-energia elektromos energiává alakításának folyamata hasonló a hagyományos égési folyamathoz (oxidáció).
Az oxigénben történő normál égés során a szerves tüzelőanyag oxidációja következik be, és az üzemanyag kémiai energiája hőenergiává alakul. Nézzük meg, mi történik a hidrogén oxigénnel történő oxidációja során elektrolit környezetben és elektródák jelenlétében.
A lúgos környezetben elhelyezkedő elektródák hidrogénnel való ellátásával kémiai reakció megy végbe:
2H 2 + 4OH - → 4H 2 O + 4e -
Amint látható, elektronokat kapunk, amelyek a külső áramkörön áthaladva a szemközti elektródához érkeznek, amelyre oxigén áramlik, és ahol a reakció végbemegy:
4e- + O 2 + 2H 2 O → 4OH -
Látható, hogy a létrejövő 2H 2 + O 2 → H 2 O reakció megegyezik a normál égés során tapasztaltakkal, de Az üzemanyagcella elektromos áramot és némi hőt termel.
AZ ÜZEMANYAGCELLA TÍPUSAI
Az üzemanyagcellákat a reakcióhoz használt elektrolit típusa szerint szokás osztályozni:
Vegye figyelembe, hogy az üzemanyagcellák tüzelőanyagként szenet, szén-monoxidot, alkoholokat, hidrazint és más szerves anyagokat, oxidálószerként pedig levegőt, hidrogén-peroxidot, klórt, brómot, salétromsavat stb.
ÜZEMANYAGCELLA HATÉKONYSÁG
Az üzemanyagcellák egyik jellemzője nincs szigorú hatékonysági korlátozás, mint a hőmotorok.
Segítség: HatékonyságCarnot ciklus a lehető legmagasabb hatásfok az azonos minimális és maximális hőmérsékletű hőmotorok közül.
Ezért az üzemanyagcellák hatásfoka elméletben 100%-nál is magasabb lehet. Sokan mosolyogva azt gondolták: „Az örökmozgót feltalálták.” Nem, itt vissza kell mennünk az iskolai kémia tanfolyamra. Az üzemanyagcella a kémiai energia elektromos energiává alakításán alapul. Itt történnek a csodák. Bizonyos kémiai reakciók lezajlásuk során hőt vonhatnak el a környezetből.
Segítség: Az endoterm reakciók olyan kémiai reakciók, amelyeket hőfelvétel kísér. Az endoterm reakciók esetében az entalpia és a belső energia változásainak pozitív értékei vannak (Δ H >0, Δ U >0), így a reakciótermékek több energiát tartalmaznak, mint a kiindulási komponensek.
Ilyen reakció például a hidrogén oxidációja, amelyet a legtöbb üzemanyagcellában használnak. Ezért elméletileg a hatásfok több mint 100%. De manapság az üzemanyagcellák működés közben felmelegszenek, és nem tudnak hőt felvenni a környezetből.
Segítség: Ezt a korlátozást a termodinamika második főtétele szabja meg. A hőátadás folyamata a „hideg” testről a „forró” testre nem lehetséges.
Ráadásul a nem egyensúlyi folyamatokhoz kapcsolódó veszteségek is vannak. Ilyenek: az elektrolit és az elektródák fajlagos vezetőképességéből adódó ohmos veszteségek, aktiválási és koncentrációs polarizáció, diffúziós veszteségek. Ennek eredményeként az üzemanyagcellákban termelt energia egy része hővé alakul. Ezért az üzemanyagcellák nem örökmozgó gépek, és hatékonyságuk 100% alatti. De hatékonyságuk nagyobb, mint más gépeké. Ma Az üzemanyagcellás hatékonyság eléri a 80%-ot.
Referencia: A negyvenes években T. Bacon angol mérnök tervezett és épített üzemanyagcellákból álló akkumulátort, amelynek összteljesítménye 6 kW, hatásfoka 80%, tiszta hidrogénnel és oxigénnel működik, de az akkumulátor teljesítmény-tömeg aránya. túl kicsinek bizonyult - az ilyen elemek gyakorlati használatra alkalmatlanok és túl drágák voltak (forrás: http://www.powerinfo.ru/).
ÜZEMANYAGCELLA PROBLÉMÁK
Szinte minden üzemanyagcella hidrogént használ üzemanyagként, így felmerül a logikus kérdés: „Hol szerezhetem be?”
Úgy tűnik, hogy az elektrolízis eredményeként egy üzemanyagcellát fedeztek fel, így lehetőség nyílik az elektrolízis eredményeként felszabaduló hidrogén hasznosítására. De nézzük meg ezt a folyamatot részletesebben.
Faraday törvénye szerint: egy anyag mennyisége, amely az anódnál oxidálódik, vagy a katódon redukálódik, arányos az elektroliton áthaladó elektromosság mennyiségével. Ez azt jelenti, hogy ahhoz, hogy több hidrogénhez jusson, több áramot kell költenie. A víz elektrolízisének jelenlegi módszerei egynél kisebb hatásfokkal működnek. Ezután a keletkező hidrogént üzemanyagcellákban használjuk fel, ahol a hatásfok is egységnyinél kisebb. Ezért több energiát fogunk költeni, mint amennyit elő tudunk állítani.
Természetesen használhat földgázból előállított hidrogént. A hidrogén előállításának ez a módja továbbra is a legolcsóbb és legnépszerűbb. Jelenleg a világon termelt hidrogén mintegy 50%-a földgázból származik. A hidrogén tárolásával és szállításával azonban gond van. A hidrogénnek alacsony a sűrűsége ( egy liter hidrogén súlya 0,0846 g), így a nagy távolságra történő szállításhoz össze kell nyomni. És ezek további energia- és pénzköltségek. Ezenkívül ne feledkezzünk meg a biztonságról.
Azonban itt is van megoldás - folyékony szénhidrogén üzemanyag használható hidrogénforrásként. Például etil- vagy metil-alkohol. Igaz, ehhez speciális kiegészítő eszközre van szükség - egy üzemanyag-átalakítóra, amely magas hőmérsékleten (metanol esetében körülbelül 240 ° C) az alkoholokat gázhalmazállapotú H 2 és CO 2 keverékévé alakítja. De ebben az esetben már nehezebb a hordozhatóságra gondolni - az ilyen eszközöket jó helyhez kötött vagy autós generátorként használni, de a kompakt mobil berendezésekhez valami kevésbé terjedelmesre van szükség.
Katalizátor
Az üzemanyagcellában a reakció fokozása érdekében az anód felületét általában katalizátorral kezelik. Egészen a közelmúltig a platinát katalizátorként használták. Ezért az üzemanyagcella költsége magas volt. Másodszor, a platina egy viszonylag ritka fém. Szakértők szerint az üzemanyagcellák ipari gyártásával a bevált platinatartalékok 15-20 éven belül elfogynak. De a tudósok szerte a világon megpróbálják a platinát más anyagokkal helyettesíteni. Egyébként néhányan jó eredményeket értek el. Tehát a kínai tudósok a platinát kalcium-oxiddal helyettesítették (forrás: www.cheburek.net).
ÜZEMANYAGCELLÁK HASZNÁLATA
Az első üzemanyagcellát az autóiparban 1959-ben tesztelték. Az Alice-Chambers traktor 1008 akkumulátorral működött. Az üzemanyag gázok, főként propán és oxigén keveréke volt.
Forrás: http://www.planetseed.com/
A hatvanas évek közepe óta, az „űrverseny” csúcspontján az űrrepülőgépek alkotói érdeklődtek az üzemanyagcellák iránt. Tudósok és mérnökök ezreinek munkája tette lehetővé, hogy új szintre lépjünk, és 1965. Az üzemanyagcellákat az Egyesült Államokban tesztelték a Gemini 5 űrszondán, majd később az Apollo űrszondán a Holdra való repülésekhez és a Shuttle programhoz. A Szovjetunióban üzemanyagcellákat fejlesztettek ki az NPO Kvantnál, űrben való használatra is (forrás: http://www.powerinfo.ru/).
Mivel az üzemanyagcellában a hidrogén égésének végterméke víz, ezért a környezetterhelés szempontjából ezeket tekintik a legtisztábbnak. Ezért az üzemanyagcellák népszerűvé váltak a környezet iránti általános érdeklődés hátterében.
Az olyan autógyártók, mint a Honda, a Ford, a Nissan és a Mercedes-Benz már létrehoztak hidrogén üzemanyagcellás autókat.
Mercedes-Benz – hidrogénnel hajtott Ener-G-Force
Hidrogén autók használata esetén a hidrogéntárolás problémája megoldódik. A hidrogén benzinkutak építése lehetővé teszi, hogy bárhol tankoljanak. Sőt, egy autót hidrogénnel tankolni gyorsabb, mint egy elektromos autót benzinkúton feltölteni. Az ilyen projektek megvalósítása során azonban az elektromos járművekhez hasonló problémával találkoztunk. Az emberek készen állnak arra, hogy hidrogénes autóra váltsanak, ha van számukra infrastruktúra. A benzinkutak építése pedig megfelelő számú fogyasztó esetén megkezdődik. Ezért ismét elérkeztünk a tojás és a csirke dilemmájához.
Az üzemanyagcellákat széles körben használják mobiltelefonokban és laptopokban. Már eltelt az idő, amikor a telefont hetente egyszer töltötték. Most már szinte minden nap töltődik a telefon, a laptop pedig 3-4 órát működik hálózat nélkül. Ezért a mobiltechnológiai gyártók úgy döntöttek, hogy üzemanyagcellát szintetizálnak telefonokkal és laptopokkal a töltéshez és a működéshez. Például a Toshiba cég 2003-ban. bemutatta a metanol üzemanyagcella kész prototípusát. Körülbelül 100 mW teljesítményt termel. Egy utántöltés 2 kocka tömény (99,5%) metanolból elegendő az MP3 lejátszó 20 órás működéséhez. Ugyanez a Toshiba ismét bemutatott egy 275 x 75 x 40 mm-es laptopok táplálására szolgáló cellát, amely lehetővé teszi a számítógép 5 órán keresztüli működését egyetlen töltéssel.
Néhány gyártó azonban tovább ment. A PowerTrekk cég egy azonos nevű töltőt adott ki. A PowerTrekk a világ első víztöltője. Nagyon könnyen használható. A PowerTrekk víz hozzáadása szükséges ahhoz, hogy az USB-kábelen keresztül azonnali áramot biztosítson. Ez az üzemanyagcella szilíciumport és nátrium-szilicidet (NaSi) tartalmaz vízzel keverve, a kombináció hidrogént termel. A hidrogén levegővel keveredik magában az üzemanyagcellában, és a hidrogént a membrán-proton cseréje révén, ventilátorok és szivattyúk nélkül alakítja elektromossággá. Egy ilyen hordozható töltőt 149 €-ért vásárolhat (
Az üzemanyagcellák (elektrokémiai generátorok) egy nagyon hatékony, tartós, megbízható és környezetbarát energiatermelési módszert képviselnek. Kezdetben csak az űriparban használták őket, de ma már egyre több területen alkalmazzák az elektrokémiai generátorokat: mobiltelefonok és laptopok tápegységei, járműmotorok, épületek autonóm áramforrásai, helyhez kötött erőművek. Ezen eszközök egy része laboratóriumi prototípusként működik, míg másokat demonstrációs célokra használnak, vagy gyártás előtti tesztelés alatt állnak. Sok modellt azonban már használnak kereskedelmi projektekben, és tömeggyártásban készülnek.
Eszköz
Az üzemanyagcellák olyan elektrokémiai eszközök, amelyek képesek a meglévő kémiai energia magas átalakítására elektromos energiává.
Az üzemanyagcellás eszköz három fő részből áll:
- Energiatermelési szakasz;
- CPU;
- Feszültség transzformátor.
Az üzemanyagcella fő része az energiatermelő rész, amely egy egyedi üzemanyagcellákból álló akkumulátor. Az üzemanyagcellás elektródák szerkezetében platina katalizátor található. Ezeket a cellákat használva állandó elektromos áram jön létre.
Az egyik ilyen eszköz a következő jellemzőkkel rendelkezik: 155 voltos feszültség mellett 1400 amper keletkezik. Az akkumulátor méretei: 0,9 m szélesség és magasság, valamint 2,9 m hosszúság. Az elektrokémiai folyamatot 177 °C-os hőmérsékleten hajtják végre, amihez az akkumulátor felmelegítése az indításkor, valamint a működés során hőelvonás szükséges. Ebből a célból az üzemanyagcella külön vízkört tartalmaz, az akkumulátor pedig speciális hűtőlemezekkel van felszerelve.
Az üzemanyag-eljárás során a földgázt hidrogénné alakítják, amelyre az elektrokémiai reakcióhoz van szükség. Az üzemanyag-feldolgozó fő eleme a reformer. Ebben a földgáz (vagy más hidrogéntartalmú üzemanyag) nagy nyomáson és magas hőmérsékleten (körülbelül 900 ° C) kölcsönhatásba lép a vízgőzzel nikkelkatalizátor hatására.
A reformátor kívánt hőmérsékletének fenntartásához égő van beépítve. A kondenzátumból keletkezik a reformáláshoz szükséges gőz. Az üzemanyagcellás akkumulátorban instabil egyenáram keletkezik, amelynek átalakítására feszültségátalakítót használnak.
A feszültségátalakító blokkban is vannak:
- Vezérlő eszközök.
- Biztonsági reteszelő áramkörök, amelyek különböző hibák esetén leállítják az üzemanyagcellát.
Működési elve
A legegyszerűbb protoncserélő membráncella egy polimer membránból áll, amely az anód és a katód között helyezkedik el, valamint a katód- és anódkatalizátorokból. A polimer membránt elektrolitként használják.
- A protoncserélő membrán vékony, kis vastagságú, szilárd szerves vegyületnek tűnik. Ez a membrán elektrolitként működik, víz jelenlétében az anyagot negatív és pozitív töltésű ionokra választja szét.
- Az oxidáció az anódnál kezdődik, és a redukció a katódon történik. A PEM cellában lévő katód és anód porózus anyagból készül, platina és szénrészecskék keveréke. A platina katalizátorként működik, amely elősegíti a disszociációs reakciót. A katód és az anód porózussá válik, így az oxigén és a hidrogén szabadon áthalad rajtuk.
- Az anód és a katód két fémlemez között helyezkedik el, oxigénnel és hidrogénnel látják el a katódot és az anódot, valamint eltávolítják az elektromos energiát, a hőt és a vizet.
- A lemezen lévő csatornákon keresztül a hidrogénmolekulák bejutnak az anódba, ahol a molekulák atomokra bomlanak.
- A katalizátor hatására végzett kemiszorpció eredményeként a hidrogénatomok pozitív töltésű H+ hidrogénionokká, azaz protonokká alakulnak.
- A protonok a membránon keresztül diffundálnak a katódra, és egy speciális külső elektromos áramkörön keresztül elektronáram jut a katódra. Egy terhelés csatlakozik hozzá, azaz elektromos energia fogyasztó.
- A katódba juttatott oxigén expozíció után kémiai reakcióba lép a külső elektromos áramkör elektronjaival és a protoncserélő membrán hidrogénionjaival. A kémiai reakció eredményeként víz jelenik meg.
A más típusú üzemanyagcellákban végbemenő kémiai reakció (például savas elektrolittal ortofoszforsav H3PO4 formájában) teljesen megegyezik egy eszköz reakciójával egy protoncserélő membránnal.
Fajták
Jelenleg többféle üzemanyagcella ismert, amelyek különböznek a felhasznált elektrolit összetételében:
- Ortofoszforsav vagy foszforsav alapú üzemanyagcellák (PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cells).
- Protoncserélő membránnal rendelkező eszközök (PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cells).
- Szilárd oxid üzemanyagcellák (SOFC, Solid Oxide Fuel Cells).
- Olvadt karbonát alapú elektrokémiai generátorok (MCFC, Molten Carbonate Fuel Cells).
Jelenleg a PAFC technológiát alkalmazó elektrokémiai generátorok egyre szélesebb körben elterjedtek.
Alkalmazás
Ma üzemanyagcellákat használnak a Space Shuttle, újrafelhasználható űrrepülőgépekben. 12 W-os egységeket használnak. Ők állítják elő az űrszondán lévő összes elektromosságot. Az elektrokémiai reakció során keletkező vizet ivásra használják, beleértve a hűtőberendezéseket is.
Elektrokémiai generátorokat is használtak a szovjet Buran, egy újrafelhasználható űrhajó meghajtására.
Az üzemanyagcellákat a polgári szektorban is használják.
- Helyhez kötött berendezések 5-250 kW és nagyobb teljesítménnyel. Önálló forrásként használják ipari, köz- és lakóépületek hő- és áramellátására, vészhelyzeti és tartalék tápegységekre, valamint szünetmentes tápegységekre.
- 1-50 kW teljesítményű hordozható egységek. Űrműholdakhoz és hajókhoz használják. Példányokat készítenek golfkocsikhoz, kerekesszékekhez, vasúti és teherszállító hűtőkhöz, valamint útjelző táblákhoz.
- 25-150 kW teljesítményű mobil berendezések. Katonai hajókban és tengeralattjárókban kezdik használni, beleértve az autókat és más járműveket is. Prototípusokat már készítettek olyan autóipari óriások, mint a Renault, Neoplan, Toyota, Volkswagen, Hyundai, Nissan, VAZ, General Motors, Honda, Ford és mások.
- 1-500 W teljesítményű mikrokészülékek. Alkalmazhatóak a fejlett kézi számítógépekben, laptopokban, fogyasztói elektronikai eszközökben, mobiltelefonokban és modern katonai eszközökben.
Sajátosságok
- Az egyes üzemanyagcellákban a kémiai reakcióból származó energia egy része hőként szabadul fel. Hűtés szükséges. Egy külső áramkörben az elektronok áramlása egyenáramot hoz létre, amelyet a munka elvégzésére használnak. A hidrogénionok mozgásának leállítása vagy a külső áramkör kinyitása a kémiai reakció leállásához vezet.
- Az üzemanyagcellák által termelt villamos energia mennyiségét a gáznyomás, a hőmérséklet, a geometriai méretek és az üzemanyagcella típusa határozza meg. A reakció által termelt villamos energia mennyiségének növelésére az üzemanyagcellákat nagyobbra is lehet készíteni, de a gyakorlatban több cellát használnak, amelyeket akkumulátorokká kombinálnak.
- A kémiai folyamat bizonyos típusú üzemanyagcellákban megfordítható. Ez azt jelenti, hogy amikor potenciálkülönbséget alkalmaznak az elektródákon, a víz oxigénre és hidrogénre bomlik, amelyek a porózus elektródákon összegyűlnek. Amikor a terhelést bekapcsolják, egy ilyen üzemanyagcella elektromos energiát termel.
Kilátások
Jelenleg az elektrokémiai generátorok nagy kezdeti költségeket igényelnek, hogy fő energiaforrásként használják őket. A stabilabb, nagy vezetőképességű membránok, a hatékony és olcsó katalizátorok, valamint az alternatív hidrogénforrások bevezetésével az üzemanyagcellák gazdaságilag rendkívül vonzóvá válnak, és mindenhol bevezetésre kerülnek.
- Az autók üzemanyagcellákkal működnek, belső égésű motorok egyáltalán nem lesznek. Víz vagy szilárd halmazállapotú hidrogén kerül felhasználásra energiaforrásként. A tankolás egyszerű és biztonságos lesz, a vezetés pedig környezetbarát – csak vízgőz keletkezik.
- Minden épületnek saját hordozható üzemanyagcellás áramfejlesztője lesz.
- Az elektrokémiai generátorok minden elemet kicserélnek, és minden elektronikai és háztartási készülékbe beépítik.
Előnyök és hátrányok
Minden üzemanyagcella típusnak megvannak a maga hátrányai és előnyei. Egyesek jó minőségű üzemanyagot igényelnek, mások összetett kialakításúak és magas üzemi hőmérsékletet igényelnek.
Általánosságban elmondható, hogy az üzemanyagcellák következő előnyei vannak:
- környezetbiztonság;
- az elektrokémiai generátorokat nem kell újratölteni;
- az elektrokémiai generátorok folyamatosan energiát tudnak termelni, nem törődnek a külső körülményekkel;
- méretbeli rugalmasság és hordozhatóság.
A hátrányok közé tartozik:
- műszaki nehézségek az üzemanyag tárolásával és szállításával kapcsolatban;
- az eszköz tökéletlen elemei: katalizátorok, membránok stb.
Benzintank ( Benzintank) egy olyan eszköz, amely a kémiai energiát elektromos energiává alakítja. Elvében hasonló a hagyományos akkumulátorhoz, de abban különbözik, hogy működéséhez állandó kívülről származó anyagellátás szükséges ahhoz, hogy az elektrokémiai reakció létrejöjjön. Hidrogént és oxigént juttatnak az üzemanyagcellákba, a kimenő teljesítmény pedig elektromos áram, víz és hő. Előnyük a környezetbarátság, a megbízhatóság, a tartósság és a könnyű kezelhetőség. A hagyományos akkumulátoroktól eltérően az elektrokémiai konverterek gyakorlatilag korlátlan ideig működhetnek, amíg az üzemanyagot ellátják. Nem kell órákig tölteni, amíg teljesen fel nem töltődnek. Sőt, maguk a cellák is tölthetik az akkumulátort, miközben az autó leállított motorral parkol.
A hidrogénüzemű járművekben legszélesebb körben használt üzemanyagcellák a proton membrán üzemanyagcellák (PEMFC) és a szilárd oxid üzemanyagcellák (SOFC).
A protoncserélő membrán üzemanyagcella a következőképpen működik. Az anód és a katód között egy speciális membrán és egy platina bevonatú katalizátor található. Az anódhoz hidrogént, a katódra pedig oxigént (például levegőből) juttatnak. Az anódon a hidrogén katalizátor segítségével protonokra és elektronokra bomlik. A hidrogén protonok áthaladnak a membránon és elérik a katódot, az elektronok pedig a külső áramkörbe kerülnek (a membrán nem engedi áthaladni). Az így kapott potenciálkülönbség elektromos áram keletkezéséhez vezet. A katód oldalon a hidrogén protonokat oxigén oxidálja. Ennek eredményeként megjelenik a vízgőz, amely az autók kipufogógázainak fő eleme. A nagy hatékonysággal rendelkező PEM celláknak van egy jelentős hátránya - működésükhöz tiszta hidrogén szükséges, amelynek tárolása meglehetősen komoly probléma.
Ha találnak egy ilyen katalizátort, amely a drága platinát helyettesíti ezekben a cellákban, akkor azonnal létrejön egy olcsó üzemanyagcella az elektromos áram előállítására, ami azt jelenti, hogy a világ megszabadul az olajfüggőségtől.
Szilárd oxid cellák
A szilárd oxid SOFC cellák sokkal kevésbé igénylik az üzemanyag tisztaságát. Ezenkívül a POX-reformer (Partial Oxidation) használatának köszönhetően az ilyen cellák normál benzint fogyaszthatnak üzemanyagként. A benzin közvetlenül villamos energiává alakításának folyamata a következő. Egy speciális eszközben - egy reformerben, körülbelül 800 ° C hőmérsékleten a benzin elpárolog és alkotóelemekre bomlik.
Így hidrogén és szén-dioxid szabadul fel. Továbbá, a hőmérséklet hatására és közvetlenül a SOFC (cirkónium-oxid alapú porózus kerámiaanyagból álló) felhasználásával a hidrogént a levegő oxigénje oxidálja. A hidrogén benzinből történő kinyerése után a folyamat a fent leírt forgatókönyv szerint folytatódik, egyetlen különbséggel: a SOFC üzemanyagcella a hidrogénnel működő berendezésekkel ellentétben kevésbé érzékeny az eredeti tüzelőanyagban lévő szennyeződésekre. Tehát a benzin minősége nem befolyásolhatja az üzemanyagcella teljesítményét.
Jelentős hátrány a SOFC magas üzemi hőmérséklete (650-800 fok), a felmelegedési folyamat körülbelül 20 percet vesz igénybe. De a felesleges hő nem probléma, mivel azt a reformer és maga az üzemanyagcella által termelt maradék levegő és kipufogógázok teljesen eltávolítják. Ez lehetővé teszi, hogy a SOFC rendszer különálló eszközként, hőszigetelt házban integrálható a járműbe.
A moduláris felépítés lehetővé teszi a szükséges feszültség elérését szabványos cellák sorba kapcsolásával. És ami talán a legfontosabb az ilyen eszközök megvalósítása szempontjából, a SOFC nem tartalmaz túl drága platinaalapú elektródákat. Ezen elemek magas ára az egyik akadálya a PEMFC technológia fejlesztésének és elterjesztésének.
Az üzemanyagcellák típusai
Jelenleg a következő típusú üzemanyagcellák léteznek:
- A.F.C.– Alkaline Fuel Cell (lúgos üzemanyagcella);
- PAFC– Foszforsav üzemanyagcella (foszforsavas üzemanyagcella);
- PEMFC– Proton Exchange Membrane Fuel Cell (üzemanyagcella protoncserélő membránnal);
- DMFC– Közvetlen metanolos üzemanyagcella (üzemanyagcella a metanol közvetlen lebontásával);
- MCFC– Olvadt karbonát üzemanyagcella (olvadt karbonát üzemanyagcella);
- SOFC– Szilárd oxid üzemanyagcella (szilárd oxid üzemanyagcella).
Az üzemanyagcellák/cellák előnyei
Az üzemanyagcella/cella olyan eszköz, amely elektrokémiai reakcióval hatékonyan állít elő egyenáramot és hőt hidrogénben gazdag üzemanyagból.
Az üzemanyagcella abban hasonlít az akkumulátorhoz, hogy kémiai reakción keresztül egyenáramot állít elő. Az üzemanyagcella anódot, katódot és elektrolitot tartalmaz. Az akkumulátoroktól eltérően azonban az üzemanyagcellák nem képesek elektromos energiát tárolni, és nem kisülnek, illetve nem igényelnek áramot az újratöltéshez. Az üzemanyagcellák/cellák folyamatosan képesek villamos energiát termelni mindaddig, amíg rendelkeznek üzemanyaggal és levegővel.
Más áramfejlesztőkkel ellentétben, mint például a belső égésű motorok vagy a gázzal, szénnel, fűtőolajjal stb. működő turbinák, az üzemanyagcellák/cellák nem égetnek üzemanyagot. Ez azt jelenti, hogy nincsenek zajos nagynyomású rotorok, nincs hangos kipufogó zaj, nincs vibráció. Az üzemanyagcellák/cellák csendes elektrokémiai reakcióval termelnek villamos energiát. Az üzemanyagcellák/cellák másik jellemzője, hogy az üzemanyag kémiai energiáját közvetlenül elektromos árammá, hővé és vízzé alakítják.
Az üzemanyagcellák rendkívül hatékonyak, és nem termelnek nagy mennyiségű üvegházhatású gázt, például szén-dioxidot, metánt és dinitrogén-oxidot. Az egyetlen kibocsátási termék a működés során a víz gőz formájában és kis mennyiségű szén-dioxid, amely egyáltalán nem szabadul fel, ha tiszta hidrogént használnak üzemanyagként. Az üzemanyag-elemeket/cellákat szerelvényekké, majd egyedi funkcionális modulokká szerelik össze.
Az üzemanyagcellák/cellák fejlődésének története
Az 1950-es és 1960-as években az egyik legsürgetőbb kihívás az üzemanyagcellák számára a National Aeronautics and Space Administration (NASA) energiaforrások iránti igényéből fakadt a hosszú távú űrmissziókhoz. A NASA lúgos üzemanyagcellája hidrogént és oxigént használ üzemanyagként a két kémiai elem elektrokémiai reakcióban való egyesítése révén. A kimenet az űrrepülés során bekövetkező reakció három hasznos mellékterméke: elektromos áram az űrhajók energiaellátásához, víz az ivó- és hűtőrendszerekhez, valamint hő az űrhajósok felmelegítéséhez.
Az üzemanyagcellák felfedezése a 19. század elejére nyúlik vissza. Az üzemanyagcellák hatásának első bizonyítékát 1838-ban szerezték meg.
Az 1930-as évek végén megkezdődtek a lúgos elektrolitos üzemanyagcellák kidolgozása, és 1939-re egy nagynyomású nikkelezett elektródákat használó cellát építettek. A második világháború alatt üzemanyagcellákat/cellákat fejlesztettek ki a brit haditengerészet tengeralattjárói számára, és 1958-ban egy alig több mint 25 cm átmérőjű lúgos üzemanyagcellákból/cellákból álló üzemanyag-kazettát vezettek be.
Az 1950-es és 1960-as években, valamint az 1980-as években megnőtt az érdeklődés, amikor az ipari világban kőolaj-üzemanyaghiány alakult ki. Ugyanebben az időszakban a világ országai is aggódtak a légszennyezés problémája miatt, és megfontolták a környezetbarát villamosenergia-termelés módjait. Az üzemanyagcellás technológia jelenleg rohamosan fejlődik.
Az üzemanyagcellák/cellák működési elve
Az üzemanyagcellák/cellák elektromosságot és hőt termelnek egy elektrolit, katód és anód felhasználásával végbemenő elektrokémiai reakciónak köszönhetően.
Az anódot és a katódot egy elektrolit választja el, amely protonokat vezet. Miután a hidrogén az anódhoz, az oxigén a katódhoz áramlik, kémiai reakció kezdődik, melynek eredményeként elektromos áram, hő és víz keletkezik.
Az anódkatalizátornál a molekuláris hidrogén disszociál és elektronokat veszít. A hidrogénionokat (protonokat) az elektroliton keresztül a katódra vezetik, míg az elektronok az elektroliton keresztül egy külső elektromos áramkörön haladnak keresztül, és egyenáramot hoznak létre, amely a berendezések táplálására használható. A katódkatalizátornál egy oxigénmolekula egyesül egy elektronnal (amelyet külső kommunikációból táplálnak) és egy bejövő protonnal, és vizet képez, amely az egyetlen reakciótermék (gőz és/vagy folyadék formájában).
Alább látható a megfelelő reakció:
Reakció az anódon: 2H 2 => 4H+ + 4e -
Reakció a katódon: O 2 + 4H+ + 4e - => 2H 2 O
Az elem általános reakciója: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
A fűtőelemek/cellák típusai és változatossága
Ahogyan különböző típusú belső égésű motorok léteznek, úgy az üzemanyagcellák is különbözőek – a megfelelő típusú üzemanyagcella kiválasztása annak alkalmazásától függ.
Az üzemanyagcellákat magas hőmérsékletre és alacsony hőmérsékletre osztják. Az alacsony hőmérsékletű üzemanyagcellák viszonylag tiszta hidrogént igényelnek üzemanyagként. Ez gyakran azt jelenti, hogy üzemanyag-feldolgozásra van szükség ahhoz, hogy az elsődleges tüzelőanyagot (például földgázt) tiszta hidrogénné alakítsák. Ez a folyamat további energiát fogyaszt, és speciális felszerelést igényel. A magas hőmérsékletű üzemanyagcelláknak nincs szükségük erre a további eljárásra, mivel magas hőmérsékleten képesek "belsőleg átalakítani" az üzemanyagot, ami azt jelenti, hogy nincs szükség hidrogén-infrastruktúrába való beruházásra.
Olvadt karbonát üzemanyagcellák/cellák (MCFC)
Az olvadt karbonát elektrolit üzemanyagcellák magas hőmérsékletű üzemanyagcellák. A magas üzemi hőmérséklet lehetővé teszi a földgáz közvetlen felhasználását üzemanyag-feldolgozó nélkül, valamint az ipari folyamatokból és egyéb forrásokból származó alacsony fűtőértékű tüzelőgázt.
Az RCFC működése eltér a többi üzemanyagcellától. Ezek a cellák olvadt karbonátsók keverékéből készült elektrolitot használnak. Jelenleg kétféle keveréket használnak: lítium-karbonátot és kálium-karbonátot vagy lítium-karbonátot és nátrium-karbonátot. A karbonátsók megolvasztásához és az elektrolitban az ionok nagyfokú mobilitásának eléréséhez az olvadt karbonát elektrolitot tartalmazó üzemanyagcellák magas hőmérsékleten (650 °C) működnek. A hatásfok 60-80% között változik.
650°C-ra hevítve a sók a karbonátionok (CO 3 2-) vezetőjévé válnak. Ezek az ionok a katódról az anódra jutnak, ahol hidrogénnel egyesülve vizet, szén-dioxidot és szabad elektronokat képeznek. Ezeket az elektronokat egy külső elektromos áramkörön keresztül visszaküldik a katódra, és melléktermékként elektromos áramot és hőt állítanak elő.
Reakció az anódon: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Reakció a katódon: CO 2 + 1/2O 2 + 2e - => CO 3 2-
Az elem általános reakciója: H 2 (g) + 1/2O 2 (g) + CO 2 (katód) => H 2 O (g) + CO 2 (anód)
Az olvadt karbonát elektrolit üzemanyagcellák magas üzemi hőmérséklete bizonyos előnyökkel jár. Magas hőmérsékleten a földgáz belülről megreformálódik, így nincs szükség üzemanyag-feldolgozóra. Ezenkívül az előnyök közé tartozik, hogy szabványos építőanyagokat, például rozsdamentes acéllemezeket és nikkelkatalizátort lehet használni az elektródákon. A hulladékhőt nagynyomású gőz előállítására lehet felhasználni különféle ipari és kereskedelmi célokra.
Az elektrolit magas reakcióhőmérsékletének is megvannak a maga előnyei. A magas hőmérséklet alkalmazása jelentős időt igényel az optimális működési feltételek eléréséhez, és a rendszer lassabban reagál az energiafogyasztás változásaira. Ezek a jellemzők lehetővé teszik az olvadt karbonát elektrolittal működő üzemanyagcellás berendezések használatát állandó teljesítmény mellett. A magas hőmérséklet megakadályozza, hogy a szén-monoxid károsítsa az üzemanyagcellát.
Az olvadt karbonát elektrolitot tartalmazó üzemanyagcellák alkalmasak nagy, helyhez kötött létesítményekben való használatra. A 3,0 MW elektromos kimenő teljesítményű hőerőműveket kereskedelmi forgalomba állítják. 110 MW-ig terjedő kimenő teljesítményű létesítmények fejlesztése folyik.
Foszforsav üzemanyagcellák/cellák (PAFC)
A foszforsav (ortofoszforsav) üzemanyagcellák voltak az első üzemanyagcellák, amelyeket kereskedelmi használatra szántak.
A foszforsav (ortofoszforsav) üzemanyagcellák ortofoszforsav (H 3 PO 4) alapú elektrolitot használnak, amelynek koncentrációja akár 100%. A foszforsav ionvezetőképessége alacsony hőmérsékleten alacsony, ezért ezeket az üzemanyagcellákat 150-220°C-ig használják.
Az ilyen típusú üzemanyagcellák töltéshordozója a hidrogén (H+, proton). Hasonló folyamat megy végbe a protoncserélő membránnal ellátott üzemanyagcellákban, amelyek során az anódhoz juttatott hidrogén protonokra és elektronokra hasad. A protonok áthaladnak az elektroliton, és a katódon a levegőből származó oxigénnel egyesülve vizet képeznek. Az elektronokat egy külső elektromos áramkörön keresztül küldik, ezáltal elektromos áramot hoznak létre. Az alábbiakban bemutatjuk azokat a reakciókat, amelyek elektromos áramot és hőt termelnek.
Reakció az anódon: 2H 2 => 4H + + 4e -
Reakció a katódon: O 2 (g) + 4H + + 4e - => 2 H 2 O
Az elem általános reakciója: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
A foszforsav (ortofoszforsav) alapú üzemanyagcellák hatékonysága több mint 40% elektromos energia előállítása során. A kombinált hő- és villamosenergia-termeléssel a teljes hatásfok körülbelül 85%. Ezenkívül adott üzemi hőmérsékleten a hulladékhő felhasználható víz melegítésére és légköri nyomású gőz előállítására.
Az ilyen típusú tüzelőanyagcellák egyik előnye a foszforsav (ortofoszfor)sav alapú tüzelőanyag-cellákat használó hőerőművek nagy teljesítménye a hő- és villamosenergia kombinált előállításában. Az egységek körülbelül 1,5% koncentrációjú szén-monoxidot használnak, ami jelentősen bővíti az üzemanyag választékot. Ezenkívül a CO 2 nem befolyásolja az elektrolitot és az üzemanyagcella működését, ez a típusú cella reformált természetes tüzelőanyaggal működik. Az egyszerű kialakítás, az alacsony fokú elektrolit illékonyság és a megnövelt stabilitás szintén az ilyen típusú üzemanyagcellák előnyei.
Az 500 kW-ig terjedő elektromos kimenő teljesítményű hőerőműveket kereskedelemben gyártják. A 11 MW-os létesítmények megfeleltek a megfelelő teszteknek. 100 MW-ig terjedő kimenő teljesítményű létesítmények fejlesztése folyik.
Szilárd oxid üzemanyagcellák (SOFC)
A szilárd oxid üzemanyagcellák a legmagasabb üzemi hőmérsékletű üzemanyagcellák. Az üzemi hőmérséklet 600°C és 1000°C között változhat, lehetővé téve különböző típusú üzemanyagok használatát speciális előkezelés nélkül. Az ilyen magas hőmérsékletek kezelésére az elektrolit egy vékony, szilárd fém-oxid kerámia alapon, gyakran ittrium és cirkónium ötvözete, amely oxigénionok (O2-) vezetője.
A szilárd elektrolit biztosítja a gáz zárt átmenetét egyik elektródáról a másikra, míg a folyékony elektrolitok porózus hordozóban helyezkednek el. Az ilyen típusú üzemanyagcellák töltéshordozója az oxigénion (O 2-). A katódon a levegőből származó oxigénmolekulák oxigénionra és négy elektronra válnak szét. Az oxigénionok áthaladnak az elektroliton, és hidrogénnel egyesülve négy szabad elektront hoznak létre. Az elektronokat egy külső elektromos áramkörön keresztül küldik, elektromos áramot és hulladékhőt hozva létre.
Reakció az anódon: 2H 2 + 2O 2- => 2H 2 O + 4e -
Reakció a katódon: O 2 + 4e - => 2O 2-
Az elem általános reakciója: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
A megtermelt elektromos energia hatásfoka az összes tüzelőanyagcella közül a legmagasabb - körülbelül 60-70%. A magas üzemi hőmérséklet lehetővé teszi a hő- és elektromos energia kombinált előállítását nagynyomású gőz előállítására. A magas hőmérsékletű üzemanyagcella és a turbina kombinálása lehetővé teszi egy hibrid üzemanyagcella létrehozását, amely akár 75%-kal növeli az elektromos energia előállításának hatékonyságát.
A szilárd oxid üzemanyagcellák nagyon magas hőmérsékleten (600°C–1000°C) működnek, ami jelentős időt vesz igénybe az optimális működési feltételek eléréséhez, és lassabban reagál az energiafogyasztás változásaira. Ilyen magas üzemi hőmérsékleten nincs szükség konverterre a hidrogén visszanyeréséhez a tüzelőanyagból, ami lehetővé teszi, hogy a hőerőmű viszonylag szennyezett tüzelőanyaggal működjön, amely szén vagy hulladékgázok stb. elgázosításából származik. Az üzemanyagcella kiválóan alkalmas nagy teljesítményű alkalmazásokhoz, beleértve az ipari és nagy központi erőműveket is. Kereskedelmi forgalomban 100 kW elektromos kimenő teljesítményű modulokat gyártanak.
Közvetlen metanol-oxidációs üzemanyagcellák/cellák (DOMFC)
Az üzemanyagcellák közvetlen metanol-oxidációval történő alkalmazásának technológiája aktív fejlesztési időszakon megy keresztül. Sikeresen bizonyított a mobiltelefonok, laptopok táplálása, valamint hordozható áramforrások létrehozása terén. Erre irányul ezen elemek jövőbeni felhasználása.
A metanol közvetlen oxidációjával rendelkező üzemanyagcellák kialakítása hasonló a protoncserélő membránnal (MEPFC) rendelkező üzemanyagcellákhoz, azaz. Elektrolitként polimert, töltéshordozóként hidrogéniont (protont) használnak. A folyékony metanol (CH 3 OH) azonban az anódnál víz jelenlétében oxidálódik, CO 2, hidrogénionok és elektronok szabadulnak fel, amelyeket egy külső elektromos áramkörön keresztül továbbítanak, ezáltal elektromos áramot hoznak létre. A hidrogénionok áthaladnak az elektroliton, és reakcióba lépnek a levegő oxigénjével és a külső áramkör elektronjaival, hogy vizet képezzenek az anódon.
Reakció az anódon: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Reakció a katódon: 3/2O 2 + 6 H + + 6e - => 3H 2 O
Az elem általános reakciója: CH 3 OH + 3/2O 2 => CO 2 + 2H 2 O
Az ilyen típusú üzemanyagcellák előnye a kis méretük a folyékony tüzelőanyag felhasználása miatt, valamint a konverter használatának hiánya.
Alkáli üzemanyagcellák/cellák (ALFC)
Az alkáli tüzelőanyagcellák az egyik leghatékonyabb villamosenergia-termelésre használt cella, az energiatermelés hatékonysága eléri a 70%-ot.
Az alkáli tüzelőanyag-cellák elektrolitot, kálium-hidroxid vizes oldatát használnak, amely porózus, stabilizált mátrixban található. A kálium-hidroxid koncentrációja az üzemanyagcella üzemi hőmérsékletétől függően változhat, amely 65°C és 220°C között van. Az SHTE töltéshordozója a hidroxil-ion (OH -), amely a katódról az anódra kerül, ahol hidrogénnel reagál, vizet és elektronokat termelve. Az anódon keletkező víz visszakerül a katódra, és ott ismét hidroxil-ionokat generál. Az üzemanyagcellában lezajló reakciósorozat eredményeként villamos energia és melléktermékként hő keletkezik:
Reakció az anódon: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reakció a katódon: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4 OH -
A rendszer általános reakciója: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
Az SHTE előnye, hogy ezeket az üzemanyagcellákat a legolcsóbban előállítani, mivel az elektródákon szükséges katalizátor bármely olyan anyag lehet, amely olcsóbb, mint a többi üzemanyagcella katalizátora. Az SFC-k viszonylag alacsony hőmérsékleten működnek, és a leghatékonyabb üzemanyagcellák közé tartoznak – ezek a jellemzők következésképpen hozzájárulhatnak a gyorsabb energiatermeléshez és a magas üzemanyag-hatékonysághoz.
Az SHTE egyik jellemző tulajdonsága a nagy érzékenysége a CO 2-re, amelyet az üzemanyag vagy a levegő tartalmazhat. A CO 2 reakcióba lép az elektrolittal, gyorsan megmérgezi, és nagymértékben csökkenti az üzemanyagcella hatékonyságát. Ezért az SHTE használata zárt terekre korlátozódik, például űr- és víz alatti járművekre, tiszta hidrogénnel és oxigénnel kell működniük. Sőt, az olyan molekulák, mint a CO, H 2 O és CH4, amelyek biztonságosak más üzemanyagcellák számára, sőt egyesek üzemanyagaként is működnek, károsak az SHFC-re.
Polimer elektrolit üzemanyagcellák (PEFC)
A polimer elektrolit üzemanyagcellák esetében a polimer membrán polimer szálakból áll, vízrégiókkal, amelyekben vízionok vezetnek. H2O+ (proton, vörös) kapcsolódik egy vízmolekulához. A vízmolekulák problémát jelentenek a lassú ioncsere miatt. Ezért mind az üzemanyagban, mind a kimeneti elektródáknál magas vízkoncentrációra van szükség, ami az üzemi hőmérsékletet 100 °C-ra korlátozza.
Szilárd savas üzemanyagcellák/cellák (SFC)
A szilárd savas üzemanyagcellákban az elektrolit (CsHSO 4) nem tartalmaz vizet. Az üzemi hőmérséklet tehát 100-300°C. Az oxi-anionok SO 4 2- forgása lehetővé teszi a protonok (piros) mozgását az ábrán látható módon. A szilárd savas tüzelőanyag-cella általában olyan szendvics, amelyben egy nagyon vékony réteg szilárd savvegyületet helyeznek el két elektróda között, amelyeket szorosan egymáshoz nyomnak a jó érintkezés biztosítása érdekében. Hevítéskor a szerves komponens elpárolog, és az elektródák pórusain keresztül távozik, így megmarad az üzemanyag (vagy az elem másik végén lévő oxigén), az elektrolit és az elektródák közötti többszörös érintkezés lehetősége.
Különféle üzemanyagcellás modulok. Üzemanyagcellás akkumulátor
- Üzemanyagcellás akkumulátor
- Egyéb magas hőmérsékleten működő berendezések (beépített gőzfejlesztő, égéstér, hőegyensúly-váltó)
- Hőálló szigetelés
Üzemanyagcellás modul
Az üzemanyagcellák típusainak és fajtáinak összehasonlító elemzése
Az innovatív energiahatékony települési hő- és erőművek jellemzően szilárd oxid üzemanyagcellákra (SOFC), polimer elektrolit üzemanyagcellákra (PEFC), foszforsavas üzemanyagcellákra (PAFC), protoncserélő membrán üzemanyagcellákra (PEMFC) és lúgos tüzelőanyagcellákra épülnek ( ALFC). Általában a következő jellemzőkkel rendelkezik:
A legmegfelelőbbnek a szilárd oxid üzemanyagcellákat (SOFC) kell tekinteni, amelyek:
- magasabb hőmérsékleten működik, csökkentve a drága nemesfémek (például platina) szükségességét
- különféle típusú szénhidrogén tüzelőanyagokkal, elsősorban földgázzal működhet
- hosszabb indítási idővel rendelkeznek, ezért alkalmasabbak a hosszú távú működésre
- magas energiatermelési hatékonyságot mutat (akár 70%)
- A magas üzemi hőmérsékletnek köszönhetően az egységek hőátadó rendszerekkel kombinálhatók, így a rendszer általános hatásfoka 85%-ra nő.
- gyakorlatilag nulla károsanyag-kibocsátásúak, csendesen működnek, és a meglévő energiatermelési technológiákhoz képest alacsonyak az üzemeltetési követelmények
| Üzemanyagcella típus | Üzemhőmérséklet | Energiatermelés hatékonysága | Üzemanyagtípus | Alkalmazási terület |
|---|---|---|---|---|
| RKTE | 550-700°C | 50-70% | Közepes és nagy telepítések | |
| FCTE | 100-220°C | 35-40% | Tiszta hidrogén | Nagy telepítések |
| MOPTE | 30-100 °C | 35-50% | Tiszta hidrogén | Kisebb telepítések |
| SOFC | 450-1000°C | 45-70% | A legtöbb szénhidrogén üzemanyag | Kis, közepes és nagy telepítések |
| PEMFC | 20-90 °C | 20-30% | Metanol | Hordozható |
| SHTE | 50-200°C | 40-70% | Tiszta hidrogén | Űrkutatás |
| PETE | 30-100 °C | 35-50% | Tiszta hidrogén | Kisebb telepítések |
Mivel a kis hőerőművek hagyományos gázellátó hálózatra csatlakoztathatók, az üzemanyagcellák nem igényelnek külön hidrogénellátó rendszert. Szilárd oxid tüzelőanyag-cellás kisméretű hőerőművek alkalmazásakor a keletkező hő hőcserélőkbe integrálható a víz és a szellőzőlevegő melegítésére, növelve a rendszer általános hatásfokát. Ez az innovatív technológia a legalkalmasabb a hatékony villamosenergia-termelésre anélkül, hogy költséges infrastruktúrára és bonyolult műszerintegrációra lenne szükség.
Üzemanyagcellák/cellák alkalmazása
Üzemanyagcellák/cellák alkalmazása távközlési rendszerekben
A vezeték nélküli kommunikációs rendszerek világszerte történő gyors elterjedése, valamint a mobiltelefon-technológia növekvő társadalmi-gazdasági előnyei miatt kritikussá vált a megbízható és költséghatékony tápellátás szükségessége. A rossz időjárási viszonyok, természeti katasztrófák vagy korlátozott hálózati kapacitás miatti egész évben kieső villamosenergia-hálózati veszteségek folyamatos kihívást jelentenek a hálózatüzemeltetők számára.
A hagyományos távközlési tartalékmegoldások közé tartoznak az akkumulátorok (szeleppel szabályozott ólom-savas akkumulátorcellák) a rövid távú tartalék energiaellátáshoz, valamint a dízel- és propángenerátorok a hosszabb távú tartalék energiaellátáshoz. Az akkumulátorok viszonylag olcsó tartalék energiaforrást jelentenek 1-2 órán keresztül. Az akkumulátorok azonban nem alkalmasak hosszabb távú tartalék áramellátásra, mert költséges fenntartásuk, hosszú használat után megbízhatatlanná válnak, érzékenyek a hőmérsékletre, és ártalmatlanítás után veszélyesek a környezetre. A dízel- és propángenerátorok hosszú távú energiatartalékot biztosítanak. A generátorok azonban megbízhatatlanok lehetnek, munkaigényes karbantartást igényelnek, és nagy mennyiségű szennyezőanyagot és üvegházhatású gázt bocsátanak ki.
A hagyományos energiatartalék-megoldások korlátainak leküzdésére innovatív zöld üzemanyagcellás technológiát fejlesztettek ki. Az üzemanyagcellák megbízhatóak, csendesek, kevesebb mozgó alkatrészt tartalmaznak, mint egy generátor, üzemi hőmérséklet-tartományuk szélesebb, mint az akkumulátoré: -40°C-tól +50°C-ig, ennek köszönhetően rendkívül magas energiamegtakarítást biztosítanak. Ezen túlmenően egy ilyen telepítés élettartama alatti költsége alacsonyabb, mint egy generátoré. Az alacsonyabb tüzelőanyagcella-költségek mindössze évi egyszeri karbantartási látogatásból és jelentősen magasabb üzemi termelékenységből származnak. A nap végén az üzemanyagcella egy zöld technológiai megoldás, minimális környezetterheléssel.
Az üzemanyagcellás berendezések tartalék energiát biztosítanak a kritikus kommunikációs hálózati infrastruktúrák számára a vezeték nélküli, állandó és szélessávú kommunikációhoz a távközlési rendszerben, 250 W-tól 15 kW-ig, és számos páratlan innovatív funkciót kínálnak:
- MEGBÍZHATÓSÁG– kevés mozgó alkatrész és nincs kisülés készenléti módban
- ENERGIATAKARÉKOS
- CSEND- alacsony zajszint
- FENNTARTHATÓSÁG– működési tartomány -40°C és +50°C között
- ALKALMAZHATÓSÁG– kültéri és beltéri beépítés (konténer/védőkonténer)
- NAGY TELJESÍTMÉNYŰ– 15 kW-ig
- ALACSONY KARBANTARTÁSI IGÉNY– minimális éves karbantartás
- GAZDASÁGOS- vonzó teljes birtoklási költség
- ZÖLD ENERGIA– alacsony károsanyag-kibocsátás minimális környezetterheléssel
A rendszer folyamatosan érzékeli az egyenáramú busz feszültségét, és zökkenőmentesen fogadja a kritikus terheléseket, ha az egyenáramú busz feszültsége a felhasználó által meghatározott alapérték alá esik. A rendszer hidrogénnel működik, amelyet kétféle módon juttatnak az üzemanyagcella-kötegbe - vagy ipari hidrogénforrásból, vagy folyékony üzemanyagból, metanolból és vízből, integrált reformáló rendszer segítségével.
A villamos energiát az üzemanyagcella köteg egyenáram formájában állítja elő. Az egyenáram egy átalakítóba kerül, amely az üzemanyagcella-kötegből érkező szabályozatlan egyenáramot kiváló minőségű szabályozott egyenárammá alakítja a szükséges terhelésekhez. Az üzemanyagcellás berendezések több napig biztosíthatnak tartalék energiát, mivel az időtartamot csak a rendelkezésre álló hidrogén vagy metanol/víz üzemanyag mennyisége korlátozza.
Az üzemanyagcellák kiemelkedő energiamegtakarítást, jobb rendszer-megbízhatóságot, kiszámíthatóbb teljesítményt kínálnak az éghajlati viszonyok széles skáláján, és megbízható működési tartósságot kínálnak az ipari szabvány szeleppel szabályozott ólom-savas akkumulátorokhoz képest. Az élettartam költségei is alacsonyabbak a lényegesen alacsonyabb karbantartási és csereigények miatt. Az üzemanyagcellák környezeti előnyökkel járnak a végfelhasználók számára, mivel az ólom-savcellákkal kapcsolatos ártalmatlanítási költségek és felelősségi kockázatok egyre nagyobb aggodalomra adnak okot.
Az elektromos akkumulátorok teljesítményét számos tényező hátrányosan befolyásolhatja, mint például a töltöttségi szint, a hőmérséklet, a kerékpározás, az élettartam és más változók. A szolgáltatott energia ezektől a tényezőktől függően változik, és nem könnyű megjósolni. A protoncserélő membrán üzemanyagcella (PEMFC) teljesítményét ezek a tényezők viszonylag nem befolyásolják, és mindaddig kritikus teljesítményt tud biztosítani, amíg üzemanyag áll rendelkezésre. A megnövelt kiszámíthatóság fontos előnyt jelent, ha a kritikus tartalék energiaalkalmazásokhoz tüzelőanyagcellákra váltanak.
Az üzemanyagcellák csak akkor termelnek áramot, ha üzemanyagot szolgáltatnak, hasonlóan a gázturbinás generátorhoz, de nincsenek mozgó alkatrészeik a termelési területen. Ezért a generátorral ellentétben nincsenek kitéve gyors kopásnak, és nem igényelnek állandó karbantartást és kenést.
A hosszabb ideig tartó üzemanyag-átalakító meghajtásához használt üzemanyag metanol és víz keveréke. A metanol egy széles körben elérhető, kereskedelemben előállított üzemanyag, amely jelenleg számos felhasználási területtel rendelkezik, többek között szélvédőmosóként, műanyag palackokban, motoradalékokban és emulziós festékekben. A metanol könnyen szállítható, vízzel keverhető, biológiailag jól lebontható, ként nem tartalmaz. Fagyáspontja alacsony (-71°C), hosszú távú tárolás során nem bomlik le.
Üzemanyagcellák/cellák alkalmazása kommunikációs hálózatokban
A biztonságos kommunikációs hálózatokhoz megbízható tartalék energiamegoldásokra van szükség, amelyek órákig vagy napokig működnek vészhelyzetekben, ha az elektromos hálózat már nem áll rendelkezésre.
A kevés mozgó alkatrésznek és a készenléti áramveszteségnek köszönhetően az innovatív üzemanyagcellás technológia vonzó megoldást kínál a jelenlegi tartalék energiaellátó rendszerek számára.
A legnyomósabb érv az üzemanyagcellás technológia kommunikációs hálózatokban való alkalmazása mellett a megnövekedett általános megbízhatóság és biztonság. Az olyan események során, mint az áramszünet, földrengés, vihar és hurrikán, fontos, hogy a rendszerek továbbra is működjenek, és hosszú ideig megbízható tartalék áramellátást kapjanak, függetlenül a hőmérséklettől és a tartalék áramellátási rendszer korától.
Az üzemanyagcella-alapú energiaellátó eszközök sora ideális minősített kommunikációs hálózatok támogatására. Energiatakarékos tervezési elveiknek köszönhetően környezetbarát, megbízható tartalék teljesítményt biztosítanak hosszabb ideig (akár több napig) 250 W és 15 kW közötti teljesítménytartományban.
Üzemanyagcellák/cellák alkalmazása adathálózatokban
Az adathálózatok, például a nagy sebességű adathálózatok és a száloptikai gerinchálózatok megbízható tápellátása kulcsfontosságú az egész világon. Az ilyen hálózatokon továbbított információk kritikus adatokat tartalmaznak olyan intézmények számára, mint a bankok, légitársaságok vagy egészségügyi központok. Az ilyen hálózatok áramkimaradása nemcsak a továbbított információra jelent veszélyt, hanem általában jelentős anyagi veszteségekhez is vezet. A tartalék tápellátást biztosító, megbízható, innovatív üzemanyagcellás berendezések biztosítják a megszakítás nélküli áramellátáshoz szükséges megbízhatóságot.
A metanol és víz folyékony üzemanyag-keverékével működő üzemanyagcellás egységek megbízható tartalék energiát biztosítanak hosszabb ideig, akár több napig is. Ezen túlmenően ezeknek az egységeknek a karbantartási igénye jelentősen csökkent a generátorokhoz és akkumulátorokhoz képest, így évente csak egy karbantartási látogatást tesznek szükségessé.
Tipikus alkalmazási hely jellemzők az üzemanyagcellás berendezések adathálózatokban történő használatához:
- Alkalmazások 100 W és 15 kW közötti teljesítményfelvétellel
- Alkalmazások, amelyeknél az akkumulátor élettartama > 4 óra
- Átjátszók száloptikai rendszerekben (szinkron digitális rendszerek hierarchiája, nagy sebességű internet, Voice over IP...)
- Hálózati csomópontok nagy sebességű adatátvitelhez
- WiMAX átviteli csomópontok
Az üzemanyagcellás tartalék telepítések számos előnyt kínálnak a kritikus adathálózati infrastruktúrák számára a hagyományos akkumulátoros vagy dízelgenerátorokhoz képest, lehetővé téve a nagyobb helyszíni telepítési lehetőségeket:
- A folyékony üzemanyag-technológia megoldja a hidrogénelhelyezés problémáját, és gyakorlatilag korlátlan tartalék teljesítményt biztosít.
- Halk működésüknek, kis súlyuknak, hőmérséklet-változásokkal szembeni ellenállásuknak és gyakorlatilag vibrációmentes működésüknek köszönhetően az üzemanyagcellák épületen kívülre, ipari épületekbe/konténerekbe vagy háztetőkre is beépíthetők.
- A rendszer használatának helyszíni előkészítése gyors és gazdaságos, az üzemeltetési költségek alacsonyak.
- Az üzemanyag biológiailag lebomlik, és környezetbarát megoldást jelent városi környezetben.
Üzemanyagcellák/cellák alkalmazása biztonsági rendszerekben
A leggondosabban megtervezett épületbiztonsági és kommunikációs rendszerek csak annyira megbízhatóak, mint az őket támogató tápegység. Míg a legtöbb rendszer tartalmaz valamilyen szünetmentes tápellátást biztosító rendszert a rövid távú áramkimaradások esetére, nem veszik figyelembe azokat a hosszabb távú áramkimaradásokat, amelyek természeti katasztrófák vagy terrortámadások után fordulhatnak elő. Ez számos vállalati és kormányzati szerv számára kritikus probléma lehet.
Az olyan létfontosságú rendszerek, mint a CCTV hozzáférés-felügyeleti és -vezérlő rendszerek (személyi kártya olvasók, ajtózárak, biometrikus azonosítási technológia stb.), automatikus tűzjelző és tűzoltó rendszerek, liftvezérlő rendszerek és távközlési hálózatok veszélyben vannak, ha nincs megbízható, hosszú élettartamú alternatív tápegység.
A dízelgenerátorok nagy zajt adnak, nehezen lokalizálhatók, és jól ismert megbízhatósági és karbantartási problémáik vannak. Ezzel szemben a tartalék energiát biztosító üzemanyagcellás berendezés csendes, megbízható, nulla vagy nagyon alacsony károsanyag-kibocsátással rendelkezik, és könnyen felszerelhető tetőre vagy épületen kívülre. Készenléti üzemmódban nem merül le, és nem veszíti el az áramellátást. Biztosítja a kritikus rendszerek folyamatos működését a létesítmény működésének megszűnése és az épület kiürítése után is.
Az innovatív üzemanyagcellás berendezések megvédik a költséges beruházásokat a kritikus alkalmazásokban. Környezetbarát, megbízható tartalék teljesítményt nyújtanak hosszabb ideig (akár több napig) a 250 W-tól 15 kW-ig terjedő teljesítménytartományban, számos páratlan tulajdonsággal és különösen magas szintű energiamegtakarítással kombinálva.
Az üzemanyagcellás tartalék berendezések számos előnnyel rendelkeznek a kritikus fontosságú alkalmazásokban, mint például a biztonsági és épületfelügyeleti rendszerekben a hagyományos akkumulátoros vagy dízelgenerátoros alkalmazásokhoz képest. A folyékony üzemanyag-technológia megoldja a hidrogénelhelyezés problémáját, és gyakorlatilag korlátlan tartalék teljesítményt biztosít.
Üzemanyagcellák/cellák alkalmazása települési fűtésben és villamosenergia-termelésben
A szilárd oxid üzemanyagcellák (SOFC) megbízható, energiahatékony és károsanyag-kibocsátásmentes hőerőműveket biztosítanak, amelyek villamos energiát és hőt termelnek széles körben elérhető földgázból és megújuló tüzelőanyag-forrásokból. Ezeket az innovatív berendezéseket számos piacon használják, az otthoni áramtermeléstől a távoli áramellátásig, valamint a kiegészítő tápegységekig.
Üzemanyagcellák/cellák alkalmazása elosztó hálózatokban
A kis hőerőműveket úgy tervezték, hogy egy központi erőmű helyett nagyszámú kis generátoregységből álló elosztott villamosenergia-termelő hálózatban működjenek.
Az alábbi ábra a villamosenergia-termelés hatékonyságának csökkenését mutatja, ha azt hőerőműben állítják elő, és a jelenleg használatos hagyományos villamosenergia-átviteli hálózatokon keresztül továbbítják az otthonokba. A központosított termelés hatékonysági veszteségei közé tartoznak az erőműből származó veszteségek, a kis- és nagyfeszültségű átvitel, valamint az elosztási veszteségek.
Az ábra a kis hőerőművek integrációjának eredményeit mutatja: a felhasználás helyén akár 60%-os termelési hatásfokkal is termelnek villamos energiát. Ezen túlmenően a háztartás az üzemanyagcellák által termelt hőt felhasználhatja víz és tér fűtésére, ami növeli az üzemanyag-energia feldolgozás általános hatékonyságát és növeli az energiamegtakarítást.
Üzemanyagcellák használata a környezet védelmére – a kapcsolódó kőolajgáz hasznosítása
Az olajipar egyik legfontosabb feladata a kapcsolódó kőolajgáz hasznosítása. A kapcsolódó kőolajgáz hasznosításának meglévő módszereinek számos hátránya van, amelyek közül a legfontosabb, hogy gazdaságilag nem életképesek. A kapcsolódó kőolajgázt elégetik, ami óriási károkat okoz a környezetre és az emberi egészségre.
A kapcsolódó kőolajgázt tüzelőanyagként tüzelőanyagcellákat használó innovatív hőerőművek megnyitják az utat a kapcsolódó kőolajgáz-hasznosítás problémáinak radikális és költséghatékony megoldásához.
- A tüzelőanyagcellás berendezések egyik fő előnye, hogy megbízhatóan és stabilan működhetnek a kapcsolódó változó összetételű kőolajgázzal. Az üzemanyagcella működésének alapjául szolgáló lángmentes kémiai reakció miatt például a metán százalékos arányának csökkenése csak ennek megfelelően csökkenti a teljesítményt.
- Rugalmasság a fogyasztók elektromos terhelésével, eséssel, terheléslökéssel kapcsolatban.
- A hőerőművek tüzelőanyagcellás telepítéséhez és csatlakoztatásához azok megvalósítása nem igényel tőkeköltséget, mert Az egységek könnyen felszerelhetők szántóföldi, előkészítetlen helyekre, könnyen kezelhetők, megbízhatóak és hatékonyak.
- A magas szintű automatizálás és a modern távvezérlés nem igényli a személyzet állandó jelenlétét a telepítésnél.
- A tervezés egyszerűsége és műszaki tökéletessége: a mozgó alkatrészek, a súrlódási és kenési rendszerek hiánya jelentős gazdasági előnyökkel jár az üzemanyagcellás berendezések üzemeltetéséből.
- Vízfogyasztás: +30 °C-ig nincs környezeti hőmérsékleten, magasabb hőmérsékleten pedig elhanyagolható.
- Vízkimenet: nincs.
- Ezenkívül az üzemanyagcellás hőerőművek nem adnak zajt, nem rezegnek, nem bocsátanak ki káros anyagokat a légkörbe